自动控制理论课程教学的改革与实践

袁桂丽 刘向杰 王宝源

摘要：随着现代化技术的发展，自动控制越来越重要，自动控制理论知识成为今后工程实践中的基础知识。本文在分析自动控制原理的课程设置、课程体系和教学中存在的问题的基础上，对自动控制原理的授课进行了新的探索，更新了教学内容，丰富了教学手段，变革了考核方式，并新增网络教学这一重要的教学资源。本文所做工作是在结合多年实践教学的经验基础上加以改革，对提高教学质量、使学生更好地学习自动控制原理具有现实意义。

关键词：自动控制理论；课程体系；教学改革；网络教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）24-0154-03

一、引言

自动控制理论是研究自动控制一般规律的技术科学，是自动控制技术的理论基础。由于自动控制理论内容涉及面广，包括电路、大学物理、高等数学、积分变换、线性代数、机械、计算机辅助设计等交叉学科的很多知识，理论性和抽象性强，具有内容丰富、信息量大和发展更新速度快等特点[1，2]，因此难教难学，在学生中流传着自动化专业的“天书”这一雅号。所以，为了使学生更好地学习这门课程，为后续课程的学习打下良好基础，本文将从教学内容、教学方法和教学手段等方面进行改革探索。

二、自动控制理论的课程设置

1.课程地位与目的。随着现代化技术的不断发展，自动化越发深入各行各业以及人们的生活，自动化知识也越来越成为人们需要了解的必不可少的内容。因此自动控制理论成为工科院校自动化、电力、电自、机械、热能、核电、风电、建环等诸多本科专业的专业基础课程，同时也是自动化类专业的硕士研究生入学考试的必考课程[2]。通过本课程的学习，使每个学生能多角度、分层次地充分了解和认识自动控制理论以及相关课程发展的状况及专业知识特点，并把握局部或整体的理论，使学生所学知识同实际工业过程的应用相联系，为学生实践打下扎实的基础，也为学生进一步学习“过程控制”、“运动控制”、“计算机控制系统”等后续专业课程打下良好的基础。

2.课程教学的原则。在教学过程中，以学生为本是教学的基本原则，要时刻围绕以学生为中心展开教学[3]。对于教师来说，教师是知识的传播者，教师在传授知识的过程中，必须对所传授的知识掌握透彻，理清课程脉络，使所讲内容前后连贯，构成一个统一的整体。对于学生来说，学生是知识的接受者，学生的知识水平和理解能力有限，准确地把握好学生的学习难点、理解误区，相应的调整授课内容，讲解时做到深入浅出，才能更好地引导学生掌握学习内容。其教与学的关系可用图1来表示[2]，形成复合控制，以求得更好的教学效果。

三、自动控制理论的课程体系

自动控制理论的课程体系包括结构体系和内容体系两方面，结构体系强调学习的主线，是该门课程的整体脉络，使学生在学习过程中能够纵观全局；内容体系强调不同专业对该课程应掌握的内容以及学习要求，使学生学习时能够突出重点[4]。

1.结构体系。结构体系的把握要从“三纵三横”出发[5]。“三纵”是指系统在三域（时域、频域、复域）中的数学模型；“三横”指系统特性（稳定性、静态特性和动态特性）的分析。如图2所示。（1）“三纵”理清三域中的数学模型之间的关系，如图3所示。对于一个实际系统来说，可以根据对象的特点建立时域模型、复域模型和频域模型，模型的建立是等效的，三种模型之间可以按照图3所示相互转换。学会建立系统的数学模型是分析问题和解决问题的前提，因此学生能够理清三者之间的关系对于后续的学习至关重要。把握好这条主线，使学生能够纵观全局，树立一个“纵向”思路。（2）三横。结合系统的数学模型，熟练掌握系统分析的三要素：稳定性、静态特性和动态特性。系统性能指标是衡量系统好坏的重要依据。只有能够准确分析系统的性能，才能知道如何更好的改进系统，这样才能使学生形成良好的“横向”思维。

2.内容体系。自动控制理论包括经典控制理论和现代控制理论两部分。（1）经典控制理论：主要内容有自动控制系统的基本组成和结构，自动控制系统的性能指标，自动控制系统的模型建立，线性系统的时域分析、根轨迹分析和频率特性分析，离散系统的模型建立及性能分析，非线性系统的性能分析以及自动控制系统的设计方法，等等[6]。按照先概念、再模型、然后分析方法和指标、最后校正的步骤逐步进行。（2）现代控制理论：主要内容有系统的数学模型即状态空间表达式的建立，控制系统的运动分析、能控性与能观性分析、系统稳定性的分析以及系统的反馈校正、极点配置、状态观测器的建立等[7]。按照先概念、再模型、然后分析方法和指标、最后校正的步骤进行。

四、自动控制理论课程教学现状

1.从教师来说，教师之间“各自为政”，不利于提高教师的教学水平和工作效率。其一，在课堂教学上每位不同的授课教师都是按照自己的理解设计了不同的课件，因教学经验不同，即使选用相同的教材，每个人根据所教专业不同灵活选用例子的水平以及利用多媒体和板书的结合程度都是不同的，互相交流、集体备课讨论环节较少，导致不同教师即使讲授同一门课程教学效果也可能相差很大。其二，目前自动控制理论课程因涉及的专业面广而课目众多，教师任务繁重，并且每个教师按自己的教学任务设答疑时间、地点，因此导致教师之间的教学交流较少。

2.从学生来说，不能给学生创造更好的自动控制理论的课外学习环境。由于学生功课学习任务重，不可能有大量的时间搜索整理大量的自动控制理论的课外拓展学习资料，也不可能实现不受时间地点限制的与同学、教师交流和讨论，因此减少了学生的学习途径，限制了学生对本门课学习的兴趣度和学习热情。其次，学生学习的态度也有很大变化，当前学生学习更加注重以后是否能应用到工作实际当中，如果与以后工作无关，学生对该门课程就会变得消极懈怠[1]，而且学生不重视理论的学习，觉得枯燥乏味，降低了学习兴趣，因此提高学生学习兴趣是自动控制理论课程的重要环节[8]。

五、自动控制原理课程的改革与实践

针对上述教学过程中存在的问题，我们从以下方面进行改革与实践。

1.更新教学内容，激发学生对自动控制理论学习的好奇心和自主学习动力。（1）重视理论教学同时注重理论联系实际，在课堂讲授内容中注意基本概念与基本方法的介绍，同时积极引入案例式教学方法，通过列举日常生产中的通俗易懂的实例，如马桶水箱水位控制系统、冰箱、空调温度控制系统等，激发学生的学习兴趣。（2）通过理论联系电力大学专业背景、电力专业特色，例如自动化、热能等专业可以列举如汽包水位控制系统、主蒸汽温度控制系统、炉膛负压控制系统等例子，对于机械专业可以选取阻尼器、弹簧等构成的机械系统，対于电气专业可以选取电动机转速控制系统、RLC电网络系统等，通过大量控制系统的实例进行分析，提高学生分析问题的能力，同时提高学生对后续专业知识学习的好奇心和学习兴趣，做好后续课程学习的铺垫和引导。（3）理论指导科研，科研促进教学的发展。建设网络平台，可以促进教师进行教学交流，及时更新目前的教学内容；在网络平台及自动控制理论课内拓展上，教师可以结合自己的前沿科学研究及自动控制理论的前沿发展、应用进行拓展和引导，比如通过自动控制实现神十飞天、“玉兔号”月球车成功登陆等都离不开自动控制技术，激发学生对本课程的学习热情。

2.改进课堂教学方法。变“灌输式”课堂教学模式为“引导式”、“互动式”模式。在课堂教学中，运用讲授法、多媒体演示法、提问互动法、讨论探讨法等多种教学方法；注意采用启发式教学方法，寻找学生学习的兴奋点，引导学生积极思考，鼓励学生积极质疑，由被动受教转为积极参与，形成较为独特的教学风格。

3.丰富课堂教学手段，提高教学效果。对于目前设计研制的多媒体教学课件和电子教案进行不断的充实和完善，各位教师互相交流，达成共识，形成统一研制的对应不同学时、不同专业的多个多媒体课件。课件要能够充分利用现代化教学设备和教学手段，采用板书和多媒体相结合，使课堂教学图文并茂、生动活泼，增加课堂讲授的信息量，提高课堂教学效率，更加有效地激发学生的学习兴趣，加强学生创新意识和能力的培养。利用MATLAB软件辅助课堂教学，帮助学生理解抽象的控制理论，利用典型事例和启发式的课堂教学，结合科研实践和专业发展讲授课本内容，培养学生的学习兴趣。课外有效利用基于网络平台的教学，将所有资源放置在网络平台上，真正实现交互式双向教学。

4.改革考核方法。在考核方式上，采用平时考核和期末考试考核相结合的方式。平时成绩包括到课、作业占总成绩的30%，期末考试成绩占70%，注重了过程考核和考试结果考核相结合，但效果仍不够理想。有的学生存在“上课为点卯，作业通过抄，考试靠突击，考后全忘光”的学习方式，不符合知识的学习过程，更谈不上日后知识的灵活运用与创新了。通过改革考核方式，增加多次阶段性单元测验、抽查作业、课堂提问、网络答疑、期中考试等多种过程学习考核渠道，考试命题由以前的一种题型变为采用多种题型，增加覆盖面，以客观衡量教学效果。试卷评阅后，科学地对考卷情况进行分析研究，分析学生对课程内容的理解和掌握程度，为调整下一学年度的课堂教学内容和进度提供必要的参考信息。在不断的改革探索中旨在建立科学、多样的评价标准，深化考试内容和形式改革，注重学习过程考查，将过程性评价与结果性评价相结合，强化学生综合素质和能力的评价。

5.改革实践教学和课程设计内容。建立了自动控制原理实验室、控制系统综合设计两个实践性教学基地和大学生创新实践基地等，通过实践培养学生理论与实际相结合的能力以及创新能力，鼓励学生参加数学建模、设计大赛等锻炼自己理论联系实际的能力。由于教学改革和创新任务繁重，需要在所有自动控制理论教师积极参与协作下完成。

6.利用网络平台的优势进行自动控制理论网络教学平台的建设，以辅助课堂教学，更好地完成自动控制理论的教学工作的改革，提高教学效果。

六、结语

经实践表明，教师的授课效果明显改善，学评成绩大幅度提升，学生的自动控制理论学习成绩大幅度提升，学生自动控制理论课的考研成绩有明显的提升。总之，自动控制理论是一门理论性和实践性都较强的学科，教师只有在教学过程中不断的反思并探索新的教学方法，并在实践中加以应用，才能切实提高教学质量，培养出高素质人才。

参考文献：

[1]谢静超，毕月虹，刁彦华.关于自动控制原理的思考[C].土木建筑教育改革理论与实践，2010，（12）.

[2]任琦梅.“自动控制原理“教学方法分析[J].中国电力教育，2013，（2）.

[3]程丽平.“5W模式”在自动控制原理教学中的应用[J].中国电力教育，2012，（15）.

[4]徐颖秦，潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践[J].电力系统及其自动化学报，2012，（2）.

[5]申昕.基于三横三纵结构体系的自动控制原理教学探讨[J].成都纺织高等专科学校学报，2013，（1）.

[6]胡寿松.自动控制原理[M].第4版.北京：科学出版社，2007：1-435.

[7]刘豹.现代控制理论[M].第3版.北京：机械工业出版社，2006：1-227.

[8]刘羡飞，李俊红.结合大学生特点谈“自动控制原理”的教学改进[J].中国教育技术装备，2008，（Z1）.