“自动控制原理”课程教学改革研究

赵峰　陈向勇　邱建龙　郭明

摘 要 “自动控制原理”是理论性和应用性都比较强的课程，本文分析了该课程在教学过程中存在的问题，并结合课程的内容和特点，提出了改革教学方式方法、重视实践环节、优化教学内容、完善评价机制的改革策略，使学生通过该课程的学习，提高学生学习的积极主动性及解决实际问题的能力。

关键词 自动控制原理 课程 改革 实践

中图分类号：G424                                  文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.01.070

Abstract "Automatic Control Principle" is the theoretical and applied course. This paper analyzes the problems of the course in the teaching process， and puts forward the reform strategies combined with the content and characteristics of the course， including reforming teaching methods， attaching importance to practical links， optimizing the teaching content and perfecting evaluation mechanism. Through this course， students can improve their learning initiative and ability to solve practical problems.

Keywords Automatic Control Principle; course; reform; practice

1 課程的内容及特点

“自动控制原理”课程以传递函数为数学工具，研究单输入单输出的自动控制系统的分析与设计问题，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。研究内容包括根据控制系统的结构和参数，建立系统的数学模型，并研究在某种典型输入信号作用下被控量变化的全过程，从这个变化过程中得出评价系统性能的指标，以及讨论系统的性能指标和系统结构、参数的关系等;同时根据对自动控制系统的基本要求，即系统的稳定、响应过程快、稳态误差小，以及被控对象及技术指标的要求，通过改变系统的某些参数或加入某种装置，使其满足预定的性能指标要求，也就是对系统进行校正。[1-2]该课程的特点首先是知识面覆盖广、内容多，往往一个知识点的学习需要很多课程的支撑，例如在讲授控制系统的时域数学模型建立时，需要用到电路、大学物理、电机学、高等数学等相关课程的知识，而且拉氏变换、Z变换、复变函数、微积分等相关的数学基础知识贯穿该课程的始终;其次是理论性和抽象性都很强，也就是有很强的工程实际背景。该课程是从理论上指导工程实践的技术课，注重从工程角度考虑解决问题的方法途径及其合理性。

2课程教学过程中存在的问题

2.1教学方式方法单一

“自动控制原理”课程的理论性比较强。在传统的教学模式下，教师以板书的形式进行教学，在整个课堂教学过程中，教学活动的主体是教师，学生只是填鸭式的接受知识，缺乏积极主动性，使得整个教学过程枯燥无味。这种教学方式方法不能满足当前学生对知识的需求，更达不到教学要求，即使有些教师利用多媒体形式进行教学，但是多为单纯的文字形式，缺乏形象的动画、语音、图形等，同样不能引起学生的兴趣，长此以往对该课程产生厌倦。

2.2重理论轻实践

作为对工程实践具有很强指导作用的课程，在教学过程中实验是必不可少的，是该课程非常重要的组成部分。但是目前高校仍然是以理论教学为主，实验课的缺失使得学生不能将所学理论知识与实际问题相结合。即使有相关的实验课程，受实验条件和设备的限制，往往是简单的模拟电路，或简单的MATLAB仿真实验，不能充分锻炼学生的动手能力，也导致了学生对实践环节的认识和重视度不够。

2.3学情分析不足

“自动控制原理”是一门综合性相对较强的课程，需要扎实的高等数学、线性代数、电路、电机等课程的基础知识，以及较强的计算能力。由于在课程开始前没有充分的了解学生的情况，如对相关学科知识的掌握不扎实，学科之间的交叉理解能力不强等，在讲授过程中不能将新知识与已学知识进行联系，跨度较大，使得学生学习理解相关知识比较困难。

2.4过程性考核所占比重较小

目前，大部分高校的考核办法中，平时成绩包括出勤、作业、笔记、实验等，占最终成绩的20%-30%，而最终的期末成绩占最终成绩的70%-80%。期末成绩基本决定了学生的最终成绩，这种以总结性的评价方式，不重视平时考核，[3]忽略了对学生学习过程的努力程度的认可，不利于学生对知识的探求以及学生的身心发展。

3 课程教学改革与实践

3.1 改革教学方式方法

自动控制原理是一门理论性很强的课程，在充分了解学生的学习情况下，根据学生特点，本课程倡导教学方法的多样化，综合运用各种方法共同完成学习目标与任务，如案例分析法、[4]任务驱动法、讨论法。在讲解开环控制系统和反馈控制系统时，可以利用案例分析法，首先讲解两种控制系统的概念，优缺点，然后以人取桌面上的一本书和自动售货机为案例进行分析，分析两个案例分别属于哪类系统。在讲解二阶系统的时域分析时，根据阻尼比的不同将二阶系统分为零阻尼、欠阻尼、临界阻尼以及过阻尼的情况，可以利用讨论法，让学生讨论在这些情况下，二阶系统的根的情况以及阶跃响应的情况。这些方法的灵活结合，将增加学生的学习积极性与主动性。与此同时，教学方式也要有所改变。打破传统的以板书为主的教学方式，将现代化的教学方式应用到课堂中。将多媒体等现代化工具融入传统的教学方式中，不是单纯的PPT文字，而是要充分发挥其优势。例如在讲解根轨迹的概念时，利用二阶系统的例子，根据系统参数K的取值，得到不同的两个根，此时可以多媒体动画的形式，给学生演示K从零到无穷变换时，闭环特征根在S平面上的变换情况，这样可以加深学生对根轨迹的理解，比较形象直观。把相关的网络资源推荐给学生，扩宽学生的视野。[4]教学方式方法的改革，就是使学生成为课堂的主体，引导学生积极主动的学习，培养学生分析问题，解决问题的能力。

3.2 重视实践环节

“自动控制原理”是具有一定难度的课程，并且与实际工程结合紧密的课程，这就要求在教学过程中，避免学生只关注理论知识而忽略实践环节。实践环节是对理论知识的检验和加深。在理论课授课过程中，可以与实践环节相结合。例如在讲解PID控制时，首先讲解其基本理论知识，然后利用所学电路中的相关知识，设计电阻、电容、电感组成的电路，施加阶跃信号后观察相应的阶跃响应曲线，改变参数再次观察其响应曲线的形状，使得学生形成直观的认识。重视实验课，为学生提供实验平台，通过实际操作，加深对理论知识的理解，鼓励学生利用实验平台对实际系统进行分析研究，加深对理论知识之间关系的认识，以此来提高学生的学习兴趣以及动手能力，为后续相关课程打下坚实基础。同时鼓励学生多参加与自动控制相关的专业竞赛，如智能车比赛、机器人比赛等，不仅能够提高对理论知识的灵活运用能力，同时让学生知道如何把所学理论知识应用到实践中，真正做到学有所用。

3.3 優化教学内容

“自动控制原理”课程安排64学时，学时数相当有限，而内容又特别多，希望利用有限的学时数，不仅要让学生把相关知识学会，还需要能够灵活运用，这就需要优化教学内容。如拉氏变换、Z变换、复数相关知识等在复变函数、信号分析中已经详细讲解，在该课程的教学中，这些都不需要再重复讲解。为突出理论知识在实际中的应用，在举例时尽量选用学生熟悉的电路、力学中的例子，这样就不需要讲解基本原理，重点放在讲解该课程中新的概念上。

3.4 完善评价机制

在前面已经提到，目前的过程性考核所占比例较小，不能全面的评价学生的成绩。不能单纯的由期末成绩来决定最终学生的成绩，要提高平时成绩所占的比重。由于实践环节的重要性，实验成绩的比重可以提高到20%，使学生提高对实践环节的重视程度。作业、课堂笔记各占总成绩的10%，考勤及课堂表现共占总成绩的10%，真正让学生成为课堂的主体，激发学生学习的自觉性。平时成绩的比例的提高，有效的避免了最后考试决定学生最终成绩的问题。

4 结束语

“自动控制原理”是一门理论性和应用性都比较强的课程，只有在教学过程中不断的思考学习，总结经验，坚持创新的理念，坚持把理论与实际应用相结合，才能不断的提高教学质量，不断的提高学生解决问题的能力，真正的让学生学懂、学好，真正推动该课程的教学改革不断的发展。

参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2007.

[2] 张薇，张虹.《自动控制原理》课程改革探索[J].科技教育，2020，13：137-138.

[3] 李步青，李建楼.地方高校课程考核改革的实践[J].大学教育，2020：30-32.

[4] 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，2009，32（2）：66-68，72.