《自动控制原理》课程改革探索

张薇 张虹

摘  要：自动控制原理是理论性较强的专业基础课，能够帮助分析和改善控制系统性能，或是根据性能要求设计系统。课程需要在时域、复数域和频域分析，包含大量数学推导，单纯讲解理论基础知识，不利于学生的理解和吸收。如果和工程实践相结合，不仅能够引起学生兴趣，而且有助于学生对理论知识的理解，提高学生解决实际工程问题的能力。与此同时，课程组考虑引入慕课，提高学习者独立自主的学习能力，同时强化学生对于重难点问题的再理解。

关键词：自动控制原理  工程实践  慕课

1  自动控制理论发展历程

自动控制原理是电气专业和自动化专业入门级的重要专业基础课，在自动控制类专业占据着十分重要的地位，对工程实践具有很强的指导作用[1，2]。其发展至今，经历了3个发展历程。第一个发展历程是20世纪30～50年代，是以传递函数为经典控制理论，经典控制理论研究的是单输入单输出线性定常系统的分析与设计。到20世纪50年代末，随着工业生产水平的发展，迫切需要有一种理论能够解决多输入多输出、参数时变系统的分析与设计。由此，以状态空间为主要分析工具的现代控制理论应运而生。直到20世纪70年代，随着人工神经网络、支持向量机等机器学习方法的发展，自动控制理论进入了第三个发展阶段，到达智能控制阶段。虽然自动控制历经了3个发展阶段，得到了快速发展。但是处于第一个发展阶段的经典控制理论仍然是自动控制理论研究的基础和核心，也是自动控制原理课程的主体。

2  课程研究体系

自动控制原理旨在培养学生对控制系统的分析能力，控制系统性能包括系统稳定性、动态性能和稳态性能[3]。通过课程学习，学生能够分析给定控制系统的性能，并且分析系统性能与系统的结构和参数有怎样的关系。另外，当系统性能不满足要求时，如何根据所学知识矫正或设计系统。为实现上述目标，课程分别从时域、复数域和频域3个角度展开，从不同角度分析系统快、稳、准三大性能[4，5]。目前，大部分高效所采用的教学模式仍然是以板书为主的基础理论教学模式，这种教学模式把理论研究和工程实践分开，致使学生理解理论知识困难，虽然在课程中加入了实验环节，实验环节加入电路和模电放电电路知识，前期知识掌握程度一般的学生不能很好地把理论知识应用进去，实验环节不能完全发挥其教学效果。

3  强化工程实践应用

考虑到自动控制原理是一门具有一定深度和难度的课程，为了避免学生只是机械地记住了数学公式和结论定理，不会应用所学的控制知识解决实际问题。考虑在理论教学平台设计两个基本模块：基本原理模块和工程实践模块。基本原理模块复杂基本理论概念和结论推导;工程实践模块负责针对教学重点和教学难点问题引入工程实例，加深学生理解，培养学生理论知识应用的能力。

在授课的过程中，尽量将这两个基本模块相结合。基本原理模块是工程应用的前提和基础，作为前期授课的重中之重。工程实践模块有助于基本原理模块的再理解，提高学生进行系统分析和应用的能力。拟在控制系统的时域响应章节加入工程实际模块。将电路和二阶系统时域的动态性能分析相结合，设计一个由电阻、电容和电感组成的RLC串联电路，在串联电路两段施加单位阶跃电压，考虑电容两段的电压如何变化？此电路可用二阶微分方程描述，是典型的二阶系统。通过二阶系统的时域响应课程，让学生独立分析给定RLC串联电路等伏电压，系统电容两段电压将如何变化？系统的稳态误差为多少？如果想要提高电容充电速度，应调整哪些原件（电阻、电容和电感）参数？这些提问是建立在学生已有自控基本理论知识的基础上，并且与学生所学的电路知识相结合，能够引起学生的兴趣。提出问题后由教师辅助引导学生分析问题，让学生自主寻找解决问题的方法。

4  “慕课”与课堂相结合

大规模在线开放课程（Massive Open Online Course， MOOC）又称为“慕课”，是由具有分享和协作精神的教育工作者发布于互联网，具有开放性和透明性。具有系统的课程体系，明确的教学对象和教学目标。在教学中，经常发现后半节课学生注意力不集中。研究表明人脑的注意力集中时间是有限的，在一个半小时的学习中，很难保证学生始终全神贯注，而重难点往往出现在中后期课堂上。另外，大部分学生有记笔记的习惯，有时教师在讲授下一环节时，学生还停留在上一环节的笔记记录中，这种现象在课堂中较为普遍。无论是“溜号”还是“筆记跟不上”现象，都影响了课堂的连贯性，容易遗漏重要知识点。通过校内版网络课程，学生可以课后回顾遗漏的知识点，一定程度上保证了课堂质量。

另外，学习目标相同的同学可以通过创建学习社区进行交流，进一步激发学习者的学习兴趣。从教育模式角度，相比于以教师传授知识点为主的传统教育模式，“慕课”是一种通过网络传授知识的开放型教育模式。对于一门专业课，不同专业对知识点要求的侧重点不同，教学大纲也不同，导致某些专业侧重点偏弱的知识点学时安排有限。如果学生对于这一部分知识点比较感兴趣，可选择其他专业的在线开放课程进行学习。从被动听课到主动学习的教育模式的转变，正是在线网络课程带来的人才培养方式的深刻变比。

在线开放课程一个重要的特征是学习环境网络化。其学习资源通过网络环境生成和传播，利用网络学习工具实施教与学的活动。因此，在线开放课程的建设对教师在信息化技术方面的要求要高于课堂教学。在对该校学生提供的在线开放课程中，不仅包含国内外优质教学材料，还要并入本校骨干教师的网络课程。教师可以借助国家级、省级精品课或者通过“慕课”技能培训，提升在线课程拍摄与制作等方面的信息化能力。一方面，学校可以开展“慕课”技能培训，有针对性地提高教师信息化教学技能。另一方面，学校可以以微课竞赛为前提，通过竞赛评奖评优的方式，鼓励教师积极参与。微课可以看作在线开放课程的一个视频单元，一个完整系统的在线课程由一系列微课组成。通过微课竞赛的方式，不但有助于教师信息化技术的提升，还可以直接推动校内在线课程质量。

5  结语

自动控制原理是一门理论性较强的专业基础课。和单纯推导公式得到结论相比，与工程实践相结合的教学模式能够让学生对自动控制有更直观、更真实的感受。与此同时，引入慕课，将优质网络资源与课堂相结合，学习者可以利用碎片化的时间自主地选择教育资源，提高学习的自由性和主动性。在课程改革探索中，通过引入慕课以及将理论分析与电路或电力系统专业背景相结合，有助于学生探究能力和创新能力的培养，强化学生解决工程实践问题的能力。

参考文献

[1] 张璃成，王福斌.自动控制原理课程立体化教学体系研究与实践[J].试验技术与管理，2013，9（9）：181-182.

[2] 李振龙，乔俊飞，孙亮，等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J].教学研究，2009，3（2）：66-68.

[3] 冯宝，赵虹.新晋本科“自动控制原理”教学方法研究[J].教育观察，2016（4）：92-93.

[4] 周武能，石红瑞.自动控制原理教学改革与实践[J].教学研究，2010，33（1）：63-66.

[5] 张东妍，周宏威，戴天虹，等.基于多元化模式的自动控制原理课程改革[J].中国电力教育，2014（12）：144-145.