《自動控制理論》課程的教學改革探討

摘要：本文討論了《自動控制原理》教學改革中的幾點意見。提出了在教學內(nèi)容改革中要丟棄那些過時的或者與實際應用聯(lián)系不太緊密的內(nèi)容，加強學生對所學內(nèi)容工程意義和物理意義的理解。在教學方法方面，要注意讓學生主動學習，努力該進課堂的氣氛，提高學生的學習興趣。要注意學生課前預習，認真答疑和應用Matlab等輔助教學軟件來改進課堂教學和實驗。

關鍵詞：教學內(nèi)容；教學方法；素質(zhì)教育；Matlab

《自動控制原理》是高校自動化類、電子類、機械類及相關本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程，是很多后續(xù)課程，如《現(xiàn)代控制理論》、《過程控制》、《計算機控制》、《控制系統(tǒng)仿真》等，在較多地方都用到了該課程的基本理論和方法。同時，該課程還是很多門研究生課程的基礎，也有一些專業(yè)為研究生開設的一門課程。通過學習這門課程，應使學生掌握有關自動控制方面的基礎知識、基本理論和相關的分析方法，具有對系統(tǒng)進行定性分析、定量估算和動態(tài)仿真的能力，并為以后專業(yè)課程的學習、畢業(yè)設計以及畢業(yè)后參加工程實踐打下良好的基礎。因此，如何在有限的課時之內(nèi)，有效地教好該門課程，具有十分重要的意義。本門課程理論性和工程實踐性均較強，涉及知識面廣，抽象概念多，分析方法多，課本上的知識同實際應用有一定的差距，對數(shù)學知識要求高，學生在學習過程中常感覺內(nèi)容抽象，難于理解，進而不能很好的掌握。造成的結果是很多學生認為這是一門應用數(shù)學課程；很多同學學習完之后只記住一些規(guī)則，例如：勞斯判據(jù)，如何畫根軌跡，如何Bode圖，如何進行方塊圖簡化等。

但如果問它們的物理意義，很多同學回答不上來。甚至考試成績很高的學生同學甚至搞不清什么是閉環(huán)什么是開環(huán)，區(qū)分不開控制誤差和控制量。因此，有必要對此課程的教學做跟進一步的改革。根據(jù)本人多年的教學和實踐經(jīng)驗，對課程教學做了若干思考，認為應該在教學內(nèi)容、教學方法、素質(zhì)和能力培養(yǎng)以及課前預習、課后練習以及綜合實驗多個環(huán)節(jié)同時進行改革，方能達到該門課程素質(zhì)教育的目的。

一、教學內(nèi)容的改革

《自動控制原理》課程從大的方面來區(qū)分，主要包括系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)的綜合三個方面。建立系統(tǒng)的模型是分析和綜合的基礎，這一部分不可或缺。隨著對控制系統(tǒng)分析和綜合研究的深入，新的系統(tǒng)分析和綜合方法的不斷出現(xiàn)，有些方法已經(jīng)不在實際設計中采用，成為歷史的東西，這些內(nèi)容完全可以在教學內(nèi)容中去除或者淡化，而有些非常有用的新的方法和工具，一定要在教學中加強這方面的內(nèi)容。例如，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方面采用的勞斯判據(jù)（此處不明白），在實際系統(tǒng)設計和研究中幾乎不再采用，而在系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)的穩(wěn)定性判別，完全可以借助Matlab求解系統(tǒng)的特征根來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性；對于復雜系統(tǒng)的方框圖簡化，在以往的教學中，學生花費大量的時間去做各種聯(lián)系，而在實際過程中這個應用很少，完全可以借助Matlab來處理這些化簡問題；根軌跡分析和校正，在實際中應用較少，但在目前的很多教科書中仍然是主要內(nèi)容，學生依據(jù)根軌跡繪制的十多個規(guī)則，花費了大量的時間做這方面的練習，浪費了很多時間；而對于等M圓、等N圓設計等內(nèi)容，在當前的工程設計中已很少使用，可只作簡要介紹或者完全取消該部分內(nèi)容。與這些該淘汰的分析和綜合方法比較，有些內(nèi)容就應該進行更加深入細致的講解。例如，而對目前仍普遍在使用的控制方案PID以及先進的輔助分析工具MATLAB在課程中的應用等內(nèi)容予以加強。在生產(chǎn)過程自動控制的歷史發(fā)展中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方法，由于PID控制具有原理簡單、使用方便、適應性強等特點，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。不僅講授P、I、D各參數(shù)的作用和PID參數(shù)自整定的方法，還要講實用的PID控制（例如：實際微分PID控制、防積分飽和PID控制、PID控制的離散形式、各主要控制公司采用的PID控制方法）的設計和針對不同的控制硬件配置的實現(xiàn)方案等。（1）淡化數(shù)學內(nèi)容，加強物理意義的解釋。數(shù)學基礎的扎實與否是制約本課程學習的又一重要因素。由于涉及大量的數(shù)學知識（微分方程，拉普拉斯變換，復數(shù)的幅值和幅角，Z變換）、數(shù)學推導及作圖，使得學生在學習本課程時存在較大難度。對一些數(shù)學基礎知識比較差的學生，這些數(shù)學知識令學生感到這門課程很難學習，搞清楚這些數(shù)學公式和其物理意義是他們必須克服的第一個難關。數(shù)學基礎不好的學生一開始就顧慮重重，學習一開始就被失敗的陰影籠罩著，在學習過程中充滿了挫敗感，有的學生中途會放棄學習。有的學生搞不清到底是在學控制理論還是在學數(shù)學，甚至錯誤地認為控制理論就是數(shù)學，所以在教學過程中，教師要適當?shù)厝趸瘮?shù)學在控制理論課程中的地位，應當根據(jù)課程的進度，有計劃地安排好相關數(shù)學知識的復習。對于特別重要的部分，要以應用為原則，在課堂上反復解釋這些抽象的數(shù)學公式所對應的實際物理意義，使得學生不要因為數(shù)學而放棄了主要內(nèi)容的學習。（2）加強計算機輔助分析工具Matlab相關內(nèi)容的教學。Matlab控制系統(tǒng)工具箱，它具有高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來；具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；MATLAB包含了進行控制系統(tǒng)分析與設計所必須的工具箱函數(shù)，可以分析連續(xù)系統(tǒng)，也可以分析離散系統(tǒng)，并可以進行極點配置控制器設計和高級控制算法（例如魯棒控制、模型預測控制等）系統(tǒng)設計等多項操作。（3）增強學生的感性認識，幫助學生準確理解控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域響應、穩(wěn)定性、根軌跡、頻率特性、系統(tǒng)的能控能觀性，系統(tǒng)的控制器設計等內(nèi)容，培養(yǎng)學生主動獲取知識和獨立解決問題的能力，提高學習效率和教學質(zhì)量。目前，在國外高等院校，MAILAB已成為本科生、研究生必須掌握的基礎軟件，國內(nèi)許多理工院校也已經(jīng)或正把MATLAB作為學生必須掌握的一種軟件。MATLAB工具可以很方便繪制控制系統(tǒng)的根軌跡，函數(shù)命令rlocus（g）。在頻域分析方面，可以很容易利用Bode等命令繪制系統(tǒng)的幅頻特性曲線。另外，在控制系統(tǒng)的設計和綜合方面，Matlab也提供了很多豐富的命令。作者認為，加強Matlab教學內(nèi)容，對于《自動控制原理》的學習是具有重大的意義的。

二、教學方法的改革

盡管《自動控制理論》課的教學改革進行了很多年，但由于傳統(tǒng)教學模式的根深蒂固，本課程的教學過程仍然沿襲著以往“滿堂灌”的教學模式，上課時老師以PPT為講課內(nèi)容，逐頁講授教學大綱中規(guī)定的內(nèi)容，整個過于注重知識的傳授。長期以來，老師習慣于帶著PPT在講臺上講，下面學生的狀態(tài)則是五花八門，真能跟得上老師節(jié)奏的學生，隨著課程的深入，越來越少。而老師在課堂上也只能和幾個學習比較認真的學生進行互動，對于很多學生抱怨“聽不懂”、“跟不上”，老師有時也無可奈何。我們已經(jīng)習慣于老師講、學生聽的教學模式，使學生長期處于被動的學習狀態(tài)，其發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維并沒有被充分調(diào)動起來。課堂自然形成了教師講授多，知識傳授多，而學生參與少，能力培養(yǎng)少的現(xiàn)狀。這種方式會很快使學生失去學習的興趣，制約了學生自主學習能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)。

1.讓學生有端正的學習目的和正確的學習態(tài)度。大多數(shù)學生認為自動控制原理課程是純理論課程，應用型不強，沒有多大的實用價值。對于將來的就業(yè)聯(lián)系不大，所以學不學關系不大，錯誤的想法導致了學生學習的積極性不高。這種認識是完全錯誤的。教師應該在每一堂課都舉一些自動控制有關的例子。這樣的例子處處都是，可以隨手找到。從天上飛的“神舟六號”、“飛機”、“衛(wèi)星”、“導彈”，地上跑的“汽車”、“火車”，水里游的“輪船”、“潛艇”、“航母”、“軍艦”；從冶金工業(yè)中的“軋鋼系統(tǒng)”，化工系統(tǒng)中的“精餾塔”，到輕工業(yè)中的“造紙”、“釀酒”等系統(tǒng)，自動控制技術應用廣泛，無處不在。因此在教學過程中，可以更多地將課程結合工程實際，讓學生充分認識到《自動控制原理》的重要性。關鍵是要學生在認識到學習這門課程重要性之后，投入更多的時間學習。

2.變學生被動學習為積極主動學習。沒有學生的主動學習，在短短的上課時間內(nèi)，讓學生完全學懂和接受這門課程的所有內(nèi)容，是完全不可能的。要有效地學習這門課程，學生必須在課前認真預習。教師在每節(jié)課之前，告知學生下一節(jié)課要講的內(nèi)容，將PPT發(fā)到學生手中。最好是介紹一下重點和難點地方是什么。學生在上課之前就對比較簡單的內(nèi)容有了比較好的掌握，對于難點，則可以在課堂上和老師一塊兒攻克。這樣，學習的效率會大大提高。對于一些遺留問題，教師要極力督促學生在課后向老師或者同學及時請教，盡快消滅問題。

3.提高學生的學習興趣。（1）調(diào)節(jié)課堂氣氛。學生的聽課情緒直接影響到教學效果，特別是連續(xù)上課的時候，一定要留意學生的情緒變化。如果學生流露出疲倦、迷惑、厭煩等情緒，必須適當調(diào)節(jié)課堂氣氛，用與專業(yè)息息相關、學生又感興趣的信息或方式來調(diào)節(jié)課堂氣氛。如果發(fā)現(xiàn)學生對某個問題不太理解，就要及時地詢問，對該問題做反復解釋，讓學生可以跟上上課的節(jié)奏。（2）抽象的問題要聯(lián)系工程實際。在以往教學中，過于強調(diào)數(shù)學描述與推導，使學生對原理的掌握僅僅處在一種“數(shù)學層面”上的理解。很多學生在學習完之后，只是記住了數(shù)學公式和一些規(guī)則，而對其物理和工程意義不勝了解。有一種只會做題，高分低能的感覺。為此，對于每一個抽象出來的數(shù)學描述的問題，先講清楚工程的背景與需求；對于數(shù)學推導不必追求全面，注重推導的思路，注意培養(yǎng)學生的工程思維習慣。（3）抽象問題的可視化。運用MATLAB仿真等技術進行教學演示，通過使用形象直觀的仿真圖像及其變化，有助于把學生的注意力集中到對概念和物理意義的認識和理解上，提高了課堂教學效果。

4.加強對學生的素質(zhì)教育。《自動控制原理》課程培養(yǎng)學生掌握系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)的時域響應分析、能控能觀分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)的頻域分析以及系統(tǒng)的綜合問題。通過這些課程的學習，為后續(xù)課程如《電機調(diào)速》、《過程控制》、《計算機控制》及其他高級控制課程打下一個基礎。因此，培養(yǎng)學生綜合應用各種手段分析控制系統(tǒng)和系統(tǒng)綜合的能力，應該是本科程的目標。目前，我們的學校教育大多是典型的應試教育，很多學生只是為了通過考試。對于以提高學生能力為目的的素質(zhì)教育，我們在本課程的教育方面還差很多。主要的問題有：重視知識的傳授和解題能力的教育、忽略了能力的培養(yǎng)；重視了基本數(shù)學問題難點的突破，忽略了理論聯(lián)系實際；過于重視考試題目的聯(lián)系，輕視了學生能力的培養(yǎng)。考試本來是促進學生社會化過程的手段，學生的發(fā)展倒成了爭取考試合格的手段，考試過程中所有自然形成的關系卻變成了分數(shù)關系。考試成為學生學習的一種強制力量，學生失去了自身學習的動力。

三、課后答疑和實驗

課外答疑也是教學過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對任課教師也是一個信息反饋的過程。通過答疑，可以了解學生對講授內(nèi)容的理解和掌握程度，對于學生則是一個自我檢查和個別輔導的機會。課外答疑不同于課堂教學，不拘泥于課堂時間、教學規(guī)定等限制，因此是一種比較靈活的教學方式。教師在上課時感覺到學生學起來有困難的地方，一定要主動請學生到答疑室，主動為他們解惑。盡早消化問題，不要把問題帶到下一節(jié)課堂，否則，問題越積越多，最后導致跟不上老師的節(jié)奏，失去學習的興趣。《自動控制原理》是一門與實際應用緊密相關的課程，實驗課程有助于學生對所學課程知識的掌握，綜合應用所學的理論知識，提高解決實際問題的能力。

在以往的教學中，在課程設計的過程中，可以讓學生獨自選擇課程設計的對象，根據(jù)系統(tǒng)的結構建立數(shù)學模型，對系統(tǒng)原固有的部分進行近似和簡化，用頻率分析的方法，分析系統(tǒng)性能，根據(jù)具體的要求確定系統(tǒng)得穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標，將系統(tǒng)固有部分的頻率特性和預期頻率特性進行比較.確定校正裝置結構與參數(shù)。基于MATLAB仿真的自動控制原理實驗在實踐中的應用，可以大大提高了教學的靈活性，開設更多綜合性的實驗教學項目；同時也順應了自動控制領域的發(fā)展潮流。這將極大地提高自動控制理論課程的教學效果。

《自動控制原理》一直是比較抽象、理論性強、容易讓學生望而生畏的一門課程。根據(jù)本人多年的教學和實踐經(jīng)驗，本人認為該門課程的教改，應該在教學內(nèi)容、教學方法和實驗等幾個方面同時進行改革。在教學內(nèi)容上，要刪除那些過時的或者與實際應用聯(lián)系不緊密的內(nèi)容。在教學方法上，要調(diào)動學生學習的積極性，注意控制課堂氣氛，提高學生學習的興趣，培養(yǎng)學生的素質(zhì)；同時，要采用Matlab作為教學和實驗的輔助手段。當然，如何有效地對課程教學進行改革，老師的態(tài)度也很重要。并且，針對不同學校不同班級的特殊背景和實際情況，課程的改革需要具體情況具體分析。

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