“能源與動力工程”專業(yè)自動控制課程實踐教學(xué)探討

強彥　徐曉冬　魏列江

[摘 要]“能源與動力工程”專業(yè)自動控制課程的實踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法在實踐中不斷改革。對于這種交叉學(xué)科的實踐教學(xué)，應(yīng)做到實踐課程與理論課程緊密融合;結(jié)合“能源與動力工程”專業(yè)特色，實踐課程中應(yīng)設(shè)計與專業(yè)相關(guān)的實踐內(nèi)容;整合專業(yè)內(nèi)課程資源，進行課程深度拓展。

[關(guān)鍵詞]能源與動力工程 自動控制 實踐教學(xué) 探討

[中圖分類號] G423[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）12-0157-02

2012年教育部新版高校本科專業(yè)目錄中將“熱能與動力工程”調(diào)整為“能源與動力工程”。“能源與動力工程”致力于傳統(tǒng)能源的利用及新能源的開發(fā)，以及如何更高效地利用能源。“能源與動力工程”專業(yè)主要培養(yǎng)在能源轉(zhuǎn)換與利用和熱力環(huán)境保護領(lǐng)域具有扎實的理論基礎(chǔ)，較強的實踐、適應(yīng)和創(chuàng)新能力，較高的道德素質(zhì)和文化素質(zhì)的高級人才，以滿足社會對該能源動力學(xué)科領(lǐng)域的科研、設(shè)計、教學(xué)、工程技術(shù)、經(jīng)營管理等各方面的人才需求。“能源與動力工程”專業(yè)的學(xué)生應(yīng)具備寬廣的自然科學(xué)、人文和社會科學(xué)知識，熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、機械、自動控制、系統(tǒng)工程等寬厚理論基礎(chǔ)，以及熱能動力工程專業(yè)知識和實踐能力，并掌握計算機應(yīng)用與自動控制技術(shù)方面的知識。

“能源與動力工程”專業(yè)中無論是傳統(tǒng)專業(yè)方向（如水利水電動力工程方向）還是新興專業(yè)方向（如新能源開發(fā)和研究方向），都對自動控制技術(shù)和實踐能力要求頗高。因此，如何針對“能源與動力工程”專業(yè)特點改革自動控制類實踐課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，對學(xué)生掌握自動控制技術(shù)基本理論和提高學(xué)生專業(yè)實踐能力具有重要的指導(dǎo)意義，并能達到一舉兩得、融會貫通的教學(xué)效果。

在辦學(xué)過程中，多家就業(yè)單位提出需要具有測控基礎(chǔ)的能源與動力工程人才，社會需求提示我們，依托國家級特色專業(yè)和能源動力工程的行業(yè)背景，針對能源動力工程領(lǐng)域的不同測控對象，應(yīng)該改革自動控制實踐課程的內(nèi)容，使自動控制實踐課程成為一門有針對性的務(wù)實課程，其中的改革方法和改革經(jīng)驗也會為其他的交叉學(xué)科的實踐教學(xué)提供重要的借鑒意義。

一、實踐教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合——自動控制實踐課程要與自動控制理論課程緊密融合

大多數(shù)高校的能源與動力工程專業(yè)均開設(shè)自動控制原理課程，根據(jù)專業(yè)方向要求不同在學(xué)時內(nèi)容上也稍有差別。如該課程分別可設(shè)置為64學(xué)時和48學(xué)時，其課程內(nèi)容主要以經(jīng)典控制理論為主，重點講述線性系統(tǒng)的時域分析和頻域分析等內(nèi)容。自動控制原理實踐課程是在理論課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的，旨在使學(xué)生對經(jīng)典控制理論有更直觀、更深刻的認識和理解，同時結(jié)合自己的專業(yè)課程背景將這門實用學(xué)科應(yīng)用到自己的專業(yè)領(lǐng)域。

結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，實踐課程的其中一部分重要內(nèi)容應(yīng)是對理論教學(xué)內(nèi)容的驗證、分析和再理解。根據(jù)自動控制的基本理論，實踐課程的基礎(chǔ)內(nèi)容可以根據(jù)需要由以下一些內(nèi)容組成：

1.在實驗室用電路元件搭建常用的典型控制環(huán)節(jié)——讓學(xué)生直觀認識理論課中講述的各種形式傳遞函數(shù)所對應(yīng)的實物模型;

2.觀察典型系統(tǒng)的動態(tài)特性并測試穩(wěn)定性，同時分析系統(tǒng)特征參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響——讓學(xué)生利用示波器這種最常用的電子測量儀器，在時域中分析系統(tǒng)響應(yīng)隨著時間的變化規(guī)律，并分析幾個重要的響應(yīng)參數(shù)的物理意義，以及它們與理論計算公式之間的對應(yīng)關(guān)系;

3.觀察系統(tǒng)零極點對系統(tǒng)性能的影響——與理論課程中的根軌跡內(nèi)容相對應(yīng)并加深理解;

4.對典型系統(tǒng)的頻率特性進行仿真——理論課程中，頻域分析方法是學(xué)生掌握起來感覺最為吃力的部分，通過實驗方法測量系統(tǒng)的幅頻和相頻曲線，能使學(xué)生對抽象的理論知識有更直接的了解;

5.對線性系統(tǒng)進行校正——系統(tǒng)校正是理論課程中非常重要的一部分，實驗中驗證不同校正方式對系統(tǒng)性能的影響，使學(xué)生對校正方法的掌握更加牢固;

6.引入被控對象構(gòu)建簡單的控制系統(tǒng)，讓學(xué)生了解控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用、工作機理和調(diào)節(jié)方法等。

通過基礎(chǔ)理論的實踐教學(xué)，實現(xiàn)真正的理論課程指導(dǎo)實踐課程，實踐課程反饋理論課程的效果，使學(xué)生的知識體系形成一種雙向反饋的、理論與實踐緊密互動的認知模式。

二、針對專業(yè)特色——結(jié)合“能源與動力工程”專業(yè)特色，實踐課程中應(yīng)設(shè)計與專業(yè)相關(guān)的實踐內(nèi)容

能源與動力工程專業(yè)要求學(xué)生掌握現(xiàn)代能源科學(xué)技術(shù)，信息科學(xué)技術(shù)和管理技術(shù)，能夠從事熱能動力設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計、運行、自動控制、信息處理、計算機應(yīng)用、環(huán)境保護、制冷空調(diào)、能源高效清潔利用和新能源開發(fā)等工作。自動控制原理有別于“能源與動力工程”專業(yè)的其他基礎(chǔ)課程，如流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等，是一門跨專業(yè)的基礎(chǔ)課程，但它是學(xué)生日后工作和繼續(xù)研究的必要科目之一。

如何根據(jù)專業(yè)方向特色在實踐課程中適當加入與專業(yè)內(nèi)容密切相關(guān)的實驗內(nèi)容，是使學(xué)生認識并學(xué)好這門跨專業(yè)基礎(chǔ)課程的關(guān)鍵，同時，這一實踐環(huán)節(jié)也能使學(xué)生將自動控制原理應(yīng)用于自己的專業(yè)知識中，對不同專業(yè)課程的融合掌握具有一定的啟發(fā)作用。

根據(jù)“能源與動力工程”專業(yè)的不同方向，結(jié)合各專業(yè)方向中特有的被控對象，在實踐環(huán)節(jié)中增加對這些特殊被控對象的控制和調(diào)節(jié)作用。如對流體傳動與控制方向的學(xué)生，增加利用液壓閥作為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)實驗，推導(dǎo)液壓閥的數(shù)學(xué)模型，觀察它的響應(yīng)特性等;對流體機械及工程方向的學(xué)生，增加水輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的實驗，觀察控制器參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響;對風(fēng)能與動力工程方向的學(xué)生，增加風(fēng)力機變槳控制實驗，使學(xué)生掌握通過測量風(fēng)向變化控制風(fēng)力機葉片方向改變的基本方法等。通過上述實驗，一方面讓學(xué)生復(fù)習(xí)了自動控制原理的理論知識，另一方面，使學(xué)生將控制理論直接運用到自己所學(xué)的專業(yè)知識當中，對基礎(chǔ)知識有了針對性的認識。

實踐課程的一個小變革，實際體現(xiàn)的是一種教學(xué)的新思路和新方法，實踐教學(xué)可以作為理論教學(xué)的點睛之筆，這種知識體系結(jié)構(gòu)猶如一座金字塔，我們可以把它稱為“金三角體系”，整個構(gòu)造的知識體系如圖1所示。雖然實踐課程在整個知識體系中所占的比重有限，但合理有效地設(shè)置實踐課程的形式和內(nèi)容可以使學(xué)生的整個知識體系更加牢固。

圖1 ? “金三角體系”知識結(jié)構(gòu)

三、實踐課程深度拓展——整合專業(yè)內(nèi)課程資源，結(jié)合校內(nèi)外豐富的實踐資源，鼓勵學(xué)生自我思考、自我創(chuàng)新

隨著學(xué)校的日益發(fā)展，學(xué)校實驗資源日益豐富，學(xué)生使用實驗資源的自由度逐步提高。現(xiàn)在很多高等學(xué)校實行實驗室開放制度，鼓勵學(xué)生在自我思考的基礎(chǔ)上開展開放性實驗。對于自動控制原理的實踐課程教學(xué)，也可以逐步對學(xué)生開放實驗室，鼓勵學(xué)生自我學(xué)習(xí)。

同時，國家對高校科研項目的支持逐年加大，很多國家項目（如“973計劃”、“國家自然科學(xué)基金”等）在項目實施的過程中都在國家基金的資助下建設(shè)了很多的實驗基地，如果能在項目完成后將這些實驗基地和實驗設(shè)備用于學(xué)校的教學(xué)環(huán)節(jié)，實際上是提高了這些實驗基地和實驗設(shè)備的利用率，同時也使國家的扶持投資資金得到了更大的回報。以我校的具體情況為例，2006年我校承擔了國家“973計劃”——大型風(fēng)力機的空氣動力學(xué)基礎(chǔ)研究，并建立了風(fēng)力機外場實驗基地。在自動控制的實踐教學(xué)中，針對“風(fēng)能與動力工程”專業(yè)學(xué)生，我們利用該項目的實驗風(fēng)力機進行拓展性實驗，學(xué)生可在外場環(huán)境中對風(fēng)力機的偏航和變槳控制等有很直觀的認識，而且我們的控制程序是開放的，可以鼓勵學(xué)生自我創(chuàng)新，通過編程實現(xiàn)更好的控制策略。拓展性實驗不僅使學(xué)生將理論知識和自己的專業(yè)方向很好地結(jié)合在一起，同時也是增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的一種很好的途徑。

另外，校外實習(xí)基地是學(xué)生參與實踐，實現(xiàn)創(chuàng)新的重要平臺。不只是對于自動控制原理這一門實踐課程，專業(yè)的大多數(shù)實踐課程內(nèi)容都可以在實習(xí)過程中體現(xiàn)出來。加強特色實習(xí)基地建設(shè)，不僅能使學(xué)生加深對學(xué)校理論課程和實踐課程的認識，同時豐富學(xué)生的思維方式，對學(xué)生的自我創(chuàng)新具有推進作用。

綜上所述，如果能將自動控制原理實踐課程很好地結(jié)合自動控制原理理論課程，并有專業(yè)方向針對性地開展學(xué)科交叉實驗，同時在校內(nèi)開放實驗和校外的實習(xí)過程中有所體現(xiàn)，就能夠使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)狀構(gòu)造，有利于學(xué)生融會貫通，學(xué)以致用。通過對這一門跨專業(yè)實踐課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的探討，其得到的具體教學(xué)效果和教學(xué)經(jīng)驗也可應(yīng)用于其他跨專業(yè)實踐課程的教學(xué)中，從而使實踐課程在整個本科教學(xué)過程中發(fā)揮最大的教學(xué)作用，并實現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 田思慶，吳桂云.“自動控制原理”課程的教學(xué)研究與實踐[J].電子電氣教學(xué)學(xué)報，2008（2）.

[2] 袁安富，張偉.《自動控制原理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新的探討[J].中國電力教育，2008（6）.

[3] 嚴利，熊朝坤，余波.熱能與動力工程專業(yè)自動控制原理課程教學(xué)探討[J].高等教育研究，2009（4）.

[4] 2012教育部新頒高校本科專業(yè)目錄[DB / OL].新浪教育，2012（10）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]