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關(guān)于“自動(dòng)控制原理”教學(xué)改革的研究與探索
論文摘要：文章分析了自動(dòng)控制原理的特點(diǎn)和教學(xué)中存在的問題，提出把握知識(shí)線索、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、豐富教學(xué)手段以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等一系列教學(xué)改革的具體措施。通過教學(xué)實(shí)踐表明，取得了較好的教學(xué)效果。
論文關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；教學(xué)改革；知識(shí)線索；創(chuàng)新
“自動(dòng)控制原理”是高校自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是電氣信息類、機(jī)械類、環(huán)境工程類等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。在整個(gè)專業(yè)知識(shí)體系中占據(jù)非常重要的地位，具有承上啟下的作用。通過對控制理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握分析、測試和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)如“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“過程控制系統(tǒng)”、“電氣控制”、“先進(jìn)控制系統(tǒng)”等專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)和分析設(shè)計(jì)方法。該課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、電子、電機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，還與實(shí)際工程系統(tǒng)的控制密切相關(guān)，具有內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、涉及知識(shí)面廣、更新發(fā)展快等特點(diǎn)，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。教師在教授過程中也容易過分強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，忽視工程應(yīng)用。為了促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，對該課程進(jìn)行教學(xué)改革是十分必要的。
一、優(yōu)化課程內(nèi)容，把握知識(shí)線索
1.重點(diǎn)突出
隨著專業(yè)口徑的不斷擴(kuò)寬，各門課程的教學(xué)內(nèi)容也不斷膨脹和加深，自動(dòng)控制原理課程也面臨著內(nèi)容多和課時(shí)少的矛盾，所以要精選課程內(nèi)容，突出重點(diǎn)。下面將每章中的一些重點(diǎn)分別加以闡述：
“控制系統(tǒng)基本概念”重點(diǎn)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理，自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、組成和基本環(huán)節(jié)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型。
“控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”重點(diǎn)是動(dòng)態(tài)微分方程的建立，傳遞函數(shù)求解，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖變換。
“線性連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析”重點(diǎn)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程分析，代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)態(tài)誤差求解，根軌跡的繪制，用根軌跡法分析系統(tǒng)的性能。
“線性連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析”重點(diǎn)是頻率特性的繪制，頻率特性與系統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)之間的關(guān)系，頻域指標(biāo)，Nyquist判據(jù)。
“線性系統(tǒng)的校正”重點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想，串聯(lián)校正的特性及作用，校正方法。
“非線性系統(tǒng)分析”重點(diǎn)是非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)，描述函數(shù)法，改善非線性系統(tǒng)性能的措施及非線性特性的利用，相平面法。
“線性離散系統(tǒng)”重點(diǎn)是離散時(shí)間函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式及采樣定理，線性常系數(shù)差分方程與脈沖傳遞函數(shù)，采樣控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，采樣控制系統(tǒng)的頻域分析與數(shù)字校正。
2.線索清晰
自動(dòng)控制原理課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容多、涉及大量數(shù)學(xué)知識(shí)。同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中常常不清楚各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的相互聯(lián)系，以及各個(gè)章節(jié)之間的因果關(guān)系，總感覺“不識(shí)廬山真面目”，學(xué)習(xí)起來很費(fèi)力。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)理清線索。就自動(dòng)控制原理本身的內(nèi)在體系而言，是按照“系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合”這個(gè)主線展開。系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型有時(shí)域模型、復(fù)域模型和頻域模型。系統(tǒng)分析是圍繞穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能展開，系統(tǒng)綜合與校正用到根軌跡法和頻域法。另外以方法為線索，可以分為“時(shí)域法、根軌跡法和頻域法”。如果以系統(tǒng)為線索，可以分為“線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)”。這幾條線索相互交叉，教師在講授知識(shí)點(diǎn)時(shí)應(yīng)抓住這幾條線索，讓同學(xué)們先從宏觀上知道各個(gè)知識(shí)板塊章節(jié)間的因果關(guān)系，再從微觀上來具體消化每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這樣學(xué)習(xí)起來就更輕松。
二、結(jié)合工程實(shí)際，培養(yǎng)創(chuàng)新思維
自動(dòng)控制原理課程不僅理論性強(qiáng)，而且工程實(shí)踐性也強(qiáng)。在原理的講授中要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維習(xí)慣，不僅可以使學(xué)生更好理解理論知識(shí)，也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意思。例如在講授反饋原理時(shí)，可以結(jié)合生活當(dāng)中的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)工作原理進(jìn)行講解。并注意引導(dǎo)學(xué)生自己聯(lián)系生活中的事例結(jié)合控制原理的知識(shí)進(jìn)行分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在引用工程實(shí)例的同時(shí)還應(yīng)注意結(jié)合專業(yè)學(xué)科方向，針對我校是農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，可以對溫室大棚的控制系統(tǒng)工作原理進(jìn)行介紹。另外，還應(yīng)注意引用自動(dòng)化領(lǐng)域的一些前沿技術(shù)。例如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡指向系統(tǒng)能在644km處將視野聚集在一枚硬幣上，望遠(yuǎn)鏡的偏差在一次太空任務(wù)中得到了大規(guī)模的校正。根據(jù)這個(gè)工程背景，讓學(xué)生對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡指向系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，并按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行系統(tǒng)分析。對興趣濃厚的學(xué)生，還可啟發(fā)如果在控制結(jié)構(gòu)中，引入串聯(lián)PI控制器，可否進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。通過這些示例的講解，使學(xué)生對自動(dòng)控制原理實(shí)際應(yīng)用有更深刻的認(rèn)識(shí)。
三、豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)效果
1.引入多媒體輔助教學(xué)
傳統(tǒng)的板書式教學(xué)，教師需花費(fèi)大量的時(shí)間在公式推導(dǎo)和曲線繪制上，課堂氣氛枯燥而沉悶。隨著計(jì)算機(jī)的普及，采用多媒體輔助授課方式可以在繪圖的準(zhǔn)確性和快速性方面有較大提高，從而提高教學(xué)效率，另外有助于學(xué)生對抽象知識(shí)的理解。但是，任何事物都有兩面性，多媒體教學(xué)也存在教學(xué)內(nèi)容大，學(xué)生思維速度跟不上等弊端。因此，教師在講授中可以以多媒體教學(xué)為主，對于一些重點(diǎn)難點(diǎn)適當(dāng)?shù)妮o以板書，放慢速度。同時(shí)要注重師生之間的課堂互動(dòng)，充分發(fā)揮兩種教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn)，提高教學(xué)效果。
2.加強(qiáng)MATLAB的應(yīng)用
MATLAB軟件功能強(qiáng)大，具有先進(jìn)的視覺化功能，是一種完善的科學(xué)計(jì)算語言。通過MATLAB仿真教學(xué)，使學(xué)生對新知識(shí)印象深刻。特別是研究系統(tǒng)中某個(gè)參數(shù)或環(huán)節(jié)變化時(shí)對系統(tǒng)的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現(xiàn)出來。例如若已知某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，求當(dāng)K分別取1300和5200時(shí)，試?yán)L制系統(tǒng)的奈奎斯特圖，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
通過用MATLAB編程，可繪制出系統(tǒng)的奈奎斯特圖如下：
當(dāng)K=1300，系統(tǒng)穩(wěn)定，對應(yīng)的階躍響應(yīng)是衰減振蕩；K=5200，系統(tǒng)為臨界穩(wěn)定，其階躍響應(yīng)則表現(xiàn)為等幅振蕩。
筆者編寫了《MATLAB程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用》教材，充分發(fā)揮MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用，取得了滿意的教學(xué)效果。
3.結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是課堂教學(xué)的延伸。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生可以加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，擴(kuò)大知識(shí)面，并提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢，在增加知識(shí)面、提高效率、因材施教等方面對課堂教學(xué)起到了很好地補(bǔ)充作用，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。
四、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化動(dòng)手能力
實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是對理論知識(shí)的驗(yàn)證，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、基本科研能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。
1.仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合
傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程為物理實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)箱，將相應(yīng)的有源網(wǎng)絡(luò)模塊連接成典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，再施加典型信號(hào)，通過示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對于所調(diào)節(jié)的參數(shù)和系統(tǒng)性能的關(guān)系難以真正理解，并且在使用中也容易損壞元件，而且元件的非線性，也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺(tái)作仿真實(shí)驗(yàn)，能很好解決物理實(shí)驗(yàn)的不足，并加深對課程知識(shí)的理解，還可以將實(shí)驗(yàn)延伸到課外進(jìn)行。
2.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)一般都是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，教師給出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和要求，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)對于知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解是有必要的，但是按部就班的實(shí)驗(yàn)過程不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，在課程設(shè)計(jì)的形式上可開展一些設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。教師給出設(shè)計(jì)題目，學(xué)生進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)、選擇、實(shí)施，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。
3.課堂實(shí)驗(yàn)和開放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合
課堂實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是有限的，應(yīng)充分利用課外時(shí)間展開開放性實(shí)驗(yàn)。開放性實(shí)驗(yàn)應(yīng)結(jié)合工程應(yīng)用背景和教師的科研項(xiàng)目，以鍛煉學(xué)生的科研能力。
五、結(jié)語
自動(dòng)控制原理作為理論與實(shí)踐并重的一門課程，教學(xué)過程中有相當(dāng)難度。本文結(jié)合自動(dòng)控制原理的教學(xué)實(shí)踐，按照“優(yōu)化課程內(nèi)容、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、豐富教學(xué)手段、強(qiáng)化動(dòng)手能力”的思想，闡述了在教學(xué)過程中教師應(yīng)注意的一些問題。總之，教學(xué)改革是一個(gè)長期的過程，要在教學(xué)中不斷總結(jié)和改進(jìn)，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。
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