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面向機(jī)電類專業(yè)的《自動控制原理》課程教學(xué)改革探討
面向機(jī)電類專業(yè)的《自動控制原理》課程教學(xué)改革探討
張春慧，葛麗娟，宗哲英
�。▋�(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018）
摘要：本文針對高校機(jī)電類專業(yè)在《自動控制原理》課程教學(xué)過程中存在的幾個問題，提出了從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實驗教學(xué)三方面的改革措施和方法，從而培養(yǎng)機(jī)電類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而加深對該課程基本內(nèi)容的理解和掌握，并最終運用到工程實踐當(dāng)中。
關(guān)鍵詞：機(jī)電類專業(yè)；自動控制原理；教學(xué)改革
基金項目：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院課程建設(shè)與教學(xué)改革項目（JDKCJS201303）
通訊作者：葛麗娟。
作者簡介：張春慧（1979-），女，講師，研究方向為控制理論與控制工程。
一、引言
《自動控制原理》具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)性強(qiáng)、富有工程性等特點，是工科院校重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，然而，由于其具有大量抽象概念、復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及煩瑣的計算和作圖，學(xué)習(xí)難度較大，而對機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，《自動控制原理》課程的學(xué)習(xí)又存在其特殊之處：第一，相比控制類專業(yè)的學(xué)生，機(jī)電類專業(yè)學(xué)生在前期數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)中常常會有知識缺失或者側(cè)重不夠等問題，因此會影響到課程的教學(xué)效果；第二，無法滿足專業(yè)的需要，不能培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，學(xué)生容易忽視這門課程的工程應(yīng)用，把重點放在如何做題以應(yīng)對考試上，學(xué)習(xí)興趣不濃。傳統(tǒng)的教學(xué)方法，很難解決機(jī)電類學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程中存在的問題，因此，針對機(jī)電類專業(yè)，對《自動控制原理》進(jìn)行課程教學(xué)改革，是十分重要和必要的。
二、自動控制原理教學(xué)改革
1.教學(xué)內(nèi)容的改革。（1）精選教學(xué)內(nèi)容。目前，在《自動控制原理》的教學(xué)中，存在著內(nèi)容多、學(xué)時少的矛盾。對于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，要結(jié)合其專業(yè)特點，以及后續(xù)所設(shè)置的專業(yè)課程，合理設(shè)計教學(xué)大綱，來確定對教學(xué)內(nèi)容的取舍。針對數(shù)學(xué)知識缺失的問題，在教學(xué)中要對相關(guān)數(shù)學(xué)知識進(jìn)行必要的補(bǔ)充，以保證教學(xué)的順利進(jìn)行。對于其他已學(xué)的基礎(chǔ)課程，如電工學(xué)、電子技術(shù)，要建立起與本課程的聯(lián)系，并將學(xué)生所熟悉的工程實例，如數(shù)控機(jī)床位置控制系統(tǒng)，作為切入點來介紹控制論的基本原理，從系統(tǒng)建模到系統(tǒng)性能分析再到系統(tǒng)的校正與設(shè)計，不但可以使學(xué)生更好地理解和掌握控制系統(tǒng)的特點與性質(zhì)，又可以將理論和工程實際聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（2）更新教學(xué)內(nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，智能控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、魯棒控制等在工程中的應(yīng)用取得了重要的成果。因此，在《自動控制原理》的授課過程中，要注意處理經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論以及新理論之間的關(guān)系，并將當(dāng)前控制理論在機(jī)電工程領(lǐng)域的最新研究成果、最新科技發(fā)展動態(tài)穿插在授課內(nèi)容中，讓學(xué)生理解其重要作用，并把國外優(yōu)秀教材作為主要參考資料推薦給學(xué)生，以拓寬學(xué)生的知識面。
2.教學(xué)手段的改革。（1 ）運用問題式的教學(xué)。第一，為充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的主動性、積極性及自覺思維，《自動控制原理》課堂教學(xué)要從實際出發(fā)，按照提出問題、解決問題的方式進(jìn)行教學(xué)；例如第一節(jié)課就可以通過生活中汽車駕駛的實例引入控制理論的相關(guān)概念，并合理設(shè)疑，讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)中，體會到這些抽象的概念并不難理解，而且控制理論其實滲透在我們生產(chǎn)生活的方方面面。第二，課后留思考題，例如對于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，可以將“如何把課程內(nèi)容應(yīng)用到本專業(yè)的工程實踐中”作為思考題，學(xué)生通過查閱資料文獻(xiàn)，討論分析，在思考的同時，其查閱資料、知識歸納以及表達(dá)方面的能力，也會有所提高。（2）教學(xué)手段的改進(jìn)。充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代教學(xué)方式的優(yōu)點，優(yōu)勢互補(bǔ)，多媒體能夠?qū)ⅰ蹲詣涌刂圃怼分斜容^煩瑣的公式或者模型的動態(tài)過程以動畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生理解與掌握抽象的理論知識，同時利用多媒體，以圖片、視頻等方式讓學(xué)生了解現(xiàn)代控制技術(shù)以及智能控制理論在工程實踐中應(yīng)用，多媒體的圖形演示與教師的講授相結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容形象化、具體化和生動化，從而增進(jìn)學(xué)生的理解；對于重點和難點的內(nèi)容，比如公式的推導(dǎo)和證明，可以借助于傳統(tǒng)板書進(jìn)行，老師一邊寫，一邊講解，學(xué)生可以有一個思考和接受的過程。
3.實驗教學(xué)的改革。實驗教學(xué)是《自動控制原理》課程的重要組成部分，目前本課程的實驗基本上是對基本理論的驗證和復(fù)現(xiàn)，學(xué)生在模擬實驗臺上接線，通過示波器觀察其輸出曲線，從而分析系統(tǒng)的性能，并驗證所學(xué)理論，該方式無法滿足機(jī)電類工程專業(yè)的需要，不能培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，因此需要對現(xiàn)有的實驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行充實、完善。
第一，虛擬實驗的運用。（1）MATLAB在《自動控制原理》課程中的運用。MATLAB軟件集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和繪制圖像顯示于一體，構(gòu)成一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境，已成為多個領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用軟件�！蹲詣涌刂圃怼分械娜N分析方法———時域分析、復(fù)域分析（根軌跡繪制）、頻率分析，利用MATLAB軟件來處理，可以節(jié)省大量的計算時間，也可以加深對抽象理論的理解。對于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，在授課過程中，可以結(jié)合其專業(yè)特色，選擇熟悉的實例，利用MATLAB進(jìn)行分析。例如，介紹時域分析法時，可利用直流伺服電機(jī)來舉例講解，其數(shù)學(xué)模型為：
利用MATLAB軟件可輕松地繪制其單位階躍響應(yīng)曲線，并從穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三方面分析其性能，如圖1所示：
SIMULINK是一種用于實現(xiàn)計算機(jī)仿真的軟件工具，是MATLAB的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真工作平臺。利用SIMULINK，通過搭建系統(tǒng)模塊，可以方便地調(diào)節(jié)各種控制參數(shù)，使學(xué)生直觀了解參數(shù)變化對控制系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。圖2為利用SIMULINK搭建的電力系統(tǒng)自動發(fā)電控制的仿真圖，可通過調(diào)節(jié)PID的參數(shù)來實現(xiàn)較好的控制效果。
�。�2）虛擬實驗系統(tǒng)的建立。MATALB圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），是由窗口、圖標(biāo)、菜單、文本等對象構(gòu)成的用戶界面。利用MATLAB的GUI建立《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng)，可以完成計算、仿真與分析，課堂上通過虛擬實驗平臺讓學(xué)生了解實驗過程中參數(shù)如何選擇，了解實驗參數(shù)改變的依據(jù)，直觀地看出參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，可提高實驗效率，取得良好的實驗效果。圖3為基于MATLAB GUI創(chuàng)建的PID參數(shù)設(shè)定界面，可以在此界面上實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整。
第二，綜合型實驗室建設(shè)。在完成為基本教學(xué)內(nèi)容所設(shè)置的驗證型實驗后，實驗室建設(shè)可以向綜合型發(fā)展，包括設(shè)計綜合型和專業(yè)拓展型，引導(dǎo)學(xué)生將《自動控制原理》的基礎(chǔ)知識與工程技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)以及興趣，自主設(shè)計實驗，在確定目標(biāo)的同時獨立思考，制定實驗計劃和手段，實驗室對學(xué)生開放，在實驗過程中，老師給予指導(dǎo)和支持，讓學(xué)生在實驗過程中能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提高學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力。
三、總結(jié)
為提高機(jī)電類專業(yè)人才的綜合能力，作為專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，《自動控制原理》的課程教學(xué)改革必將走上一個新的臺階，通過對課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實驗教學(xué)不斷加以改進(jìn)，不斷探索行之有效的教學(xué)方法，來提高教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)新形勢發(fā)展的需求。
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