自動控制理論課程教學改革的研究與實踐

孫麗穎 張 健 楊匯軍

遼寧工業大學電氣工程學院 遼寧錦州 121001

自動控制理論課程教學改革的研究與實踐

孫麗穎 張 健 楊匯軍

遼寧工業大學電氣工程學院 遼寧錦州 121001

針對自動控制理論課程的特點與本科院校教學的現狀，圍繞培養“工程實踐”型人才培養模式，對該課程的教學改革進行了研究與嘗試。更新和優化了教學內容，采用多媒體、啟發式教學、微課教學等不同的教學手段，強化培養工程實踐能力；同時增加實驗技能測試，引入工程中常用的控制對象，增強學生的感性認識。

教學內容；教學方法；MATLAB與微課教學；實驗技能測試

自動控制理論是研究自動控制系統的基本理論與方法，為我院重要的一門技術基礎必修課，也是其他電類、機電類專業的一門主干課程，理論性較強。其課程涉及數學、電子、機械等多門學科知識，并且與工程實際聯系緊密。課程主要研究如何建立系統的數學模型、控制系統的時域和頻域分析方法以及為改善系統性能的控制系統設計與綜合等內容。隨著控制理論的發展和計算機技術的廣泛應用，新的控制方法和控制手段也越來越多，如何適應這方面的變化以及企業人才培養需求，我們從教學內容、教學手段、題庫建設以及考核方法等幾方面進行改革與實踐。

1 更新和優化教學內容

結合我校自動化專業、電氣工程及其自動化以及測控技術與儀器專業的本科教學需要，以系統分析設計為主線，以培養工程實踐能力為目標，課題組教師研究一系列新的課程教學大綱、實驗大綱和考核大綱，更新和優化了教學內容。

在理論教學內容上，以系統建模、線性系統的時域與頻域分析、線性系統的綜合設計為主線，淡化理論推導，適當地削弱應用較少的根軌跡部分內容的學時，強化工程應用，突出基本內容教學的同時，適當增加包括PID控制器在內的系統設計的有關內容；針對各專業對該課程內容的需求，對離散系統和非線性系統作了部分調整，我校自動化專業依然保留了這兩部分內容，而電氣工程及其自動化和測控技術與儀器專業刪減了部分內容。這樣對側重于自動控制的學生能夠保證樹立一個完整的控制理論體系，而對于其他兩個專業的學生，講清基本概念，重點是理清思路、了解方法、增強系統性，以備后續課所需或進一步學習之用。

協調經典與現代控制理論、經典控制理論與其他相關專業課程內容的關系，適時地把一些新內容、新的教學研究成果、新的工程應用實例融合到理論教學內容中，以保證課程內容基礎性與先進性相結合，并突出工程實踐能力培養。例如，在數學建模時，結合電氣專業發電機-電動機組建立以電機轉速為輸出，以干擾力矩為輸入的數學模型。在講系統分析與設計時，結合測控專業溫度對象的PID調節，講解時針對實際對象精度的控制要求，設計串聯滯后超前校正裝置，設計校正網絡的電路參數。這樣讓學生既理解了理論知識又熟悉了理論內容的實踐應用。

在實驗教學內容上，以往的實驗教學內容大多是驗證性實驗，內容陳舊，不利于學生創新思維及創新能力的培養。因而，在驗證性實驗的基礎上，綜合考慮知識的難點和重點，增加設計性和綜合性實驗。為此,建立分層次的實驗體系，即課內實驗內容分為基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗3個層次，學時按3:3:4分配。同時增加教學學時外的創新性開放實驗課題，以工程應用案例為主，引導學生獨立分析實驗任務、設計實驗新方案、整理分析實驗結果，鍛煉了學生的實驗與創新能力，以全面提高學生理論聯系實際的能力、知識綜合能力、創新設計能力。

實際運作中，針對理論教學中一階系統或者慣性環節的階躍響應分析，并結合我校過程控制實驗室中的單容水箱對象，建立一個帶有容量滯后的一階對象數學模型，可設置為創新實驗，實驗要求學生做以下幾方面工作：一是根據實驗裝置的組成，搭建液位開環控制系統；二是能設置輸入信號，通過調節器和閥門施加控制水箱對象的進水量；三是通過組態軟件觀察該對象的輸出曲線；四是根據輸出曲線，測試相關參數，得到一階對象的數學模型。這樣可以讓學生在實驗中感受數學模型的實際意義以及建立的方法。

2 采用豐富的教學手段

自動控制理論對學生的數學基礎具有一定的要求，基礎差的學生在學習中會感到有一定的困難，從而產生畏難情緒，如何改革教學手段，簡化學習過程是課程改革的關鍵。

第一，采用多媒體技術。自動控制理論課堂教學過程中，板書教學盡管有些枯燥還是有一定優勢，因此采用多媒體教學與板書教學相結合的方式。在教學過程中，有選擇地增加部分多媒體課件，嘗試增加課堂實踐內容，將其與傳統教學手段相結合，使學生在課堂中，體會各部分內容的實際應用場合與意義，彌補枯燥理論的索然無味，激發學生的學習興趣，提高課堂的教學質量。例如，在講述建立控制系統某一對象的數學模型時，把實際的溫度、液位、壓力等自動控制系統以課件形式給出，然后結合工藝過程，說明對象的輸入、輸出變量、可能存在的干擾，分析原理，然后建立微分方程，最后給出傳遞函數的數學模型，這樣學生可以輕松地接受所講內容，課程難易指數大大降低。課件可以分別設置在時域階躍響應分析、穩定性分析、穩態誤差分析、根軌跡分析、頻率特性分析以及系統設計等相關內容。

第二，采用預留作業的啟發式教學方法，適時開展課堂討論，激發學生學習的主動性和積極性。根據每個章節的具體情況，靈活采用多種不同的教學方式與手段，引導學生開拓思維，激發學生的潛能。如控制系統的穩定性和性能指標分析是時域分析、根軌跡分析與頻域分析的共性內容，可以在第一章講解系統的控制要求時，說明穩定性分析的重要性和性能指標評價方法，并預留思考問題，讓學生帶著問題學習各章內容，并在每章都進行歸納總結，最后在課程結課后，提交大作業：要求以一個典型的實際系統為例，采用不同的方法對比分析其穩定性以及性能指標。通過總結提煉，融會貫通，使學生全面地理解了課程內容，也降低了課程的難易指數，從而提高了教學效果和教學質量。

第三，建立網絡平臺，推行微課教學。網絡教學不受時間和地點的限制，可以有效地實現資源共享，而微課教學是一種新的靈活教學形式，依托于網絡，是課堂教學的有益補充。目前網絡非常發達，學生上網非常方便。把課程中一些重要的知識點和難點，結合MATLAB軟件演示功能，做成一個個小微課，供學生在課后自主利用網絡學習。例如，二階系統的時域階躍響應分析中，研究阻尼系數的取值對階躍響應的影響時，采用MATLAB軟件，編寫一段小程序，可得到系統的響應曲線，通過改變阻尼系數的設計參數，響應曲線不同，可以很直觀地得到不同阻尼下的階躍響應曲線，并把這部分內容合理地制作成短小的微課。可制成微課的知識點包括：(1)系統開環控制與閉環控制的區別；(2)數學模型部分：電網絡和機械傳動系統建立模型，結構圖化簡與梅遜公式等；(3)時域分析部分：不同時間常數下的一階系統響應，二階系統不同阻尼系數對階躍響應的影響，勞斯判據的應用等；(4)根軌跡分析：增加零極點對控制系統穩定性的影響，零度與常規根軌跡的區別，參數根軌跡中參數變化對形狀的影響等；(5)頻域分析部分：如何由各個環節的伯德圖構成系統的開環伯德圖，如何利用奈氏曲線判斷穩定性等；(6)系統校正部分：校正前后的伯德圖對比等內容。各微課短片傳至網絡平臺，并在平臺上設置互動留言板，通過網絡互動與微課教學，增強課外學習效果。

微課不失為課堂教學的靈活補充，將MATLAB仿真演示引入微課的短小教學中，增強了學生對抽象理論的感性認識，培養學生的興趣與實踐能力。

3 建立完善的試題庫

本課程從2010年，歷時5年建立了完善的的試題庫，已建成40套試題。首先制定了考試大綱，規定了各知識點的掌握程度，并說明了題型分類與比例。試題題型包括有填空題、選擇題、計算分析題、證明題、作圖題、簡答題等。試題難度分為：(1)基本題，反映教學的基本內容和基本要求；(2)中等難度題，是稍有變化的基本題；(3)難題，具有一定的綜合性、復雜性和靈活性。在考核大綱中明確規定了理論考核內容，并規定了試題難度所占比例，其中基本題占15%～30%，中等難度占40%～60%，難題或提高題占15%～30%。

課程考試中依據抽題規則，初步實現了考教分離。 試題庫運行中，每年根據授課對象的學習與答題情況，課題組教師不斷研討與調研，同時參照每年收集到的試題素材，包括考研各高校的試題以及相關資料，不斷豐富試題庫。從開始制定試題庫，保證了每年至少增加并更新五套試題，預計建成試題庫50套。

在近幾年的教學中，由于試題庫的建成，激勵了學生的學習熱情，學生已形成了自己熟悉大綱并按知識點學習的風氣，實施效果較好。

4 增加實驗技能測試 強化實驗教學

自動控制理論以教學理論教學為主，實驗教學有效增加學生對工程實際應用的認識，因襲增加實驗技能測試，以強化實驗教學。

實驗技能測試主要針對實驗環節考核，實驗項目主要有典型環節的模擬研究、二階系統的階躍響應分析、頻率特性測試以及控制系統校正設計4個項目。根據實驗項目的配置，設置實驗測試題庫，設置試題的難度系數，特別是在試題中引入工程實際對象數學模型，題目分別來自典型環節的模擬研究、二階系統的階躍響應分析、工程對象頻率特性的測試三方面內容。學生的最終實驗技能測試成績由測試成績乘以難度系數構成，由此增加了對實驗動手操作能力的考核以及靈活應變能力的考核。

4.1 考試命題與成績評定

實驗技能測試考核中，設置試題40套，采用A，B，C三類試題；其中A類試題18套，B類16套，C類6套；難度系數分別為1.0，0.9，0.8。在實驗技能測試中，時間為50分鐘，每個學生實際操作時間為40分鐘，最后10分鐘監考教師驗收。

成績按四方面考核：理論分析與電路參數設計(30 分)；實驗電路接線(40分)；運行結果分析(20分)；回答實驗中有關的問題(10分)。

4.2 技能測試實施

在實驗技能測試中，根據學生的實踐動手能力存在的差異，由學生自主抽取難易不等的試題，這樣可以更好地評價學生的綜合能力。所有試題均為設計性題目，由學生自行設計電路，選擇元器件及參數。

補考中采取學生選取試題難易等級，教師指定題目，避免與正考試題相同；A類補考同學最高成績80分，B類補考同學最高稱績70分，C類補考同學最高成績為60分。

5 實施效果

自2004年以來，我校自動控制理論課程作為省級精品課，先后對自動控制理論課程的理論授課教學方法、教學手段、題庫建設以及實驗考核等方面進行了改革和嘗試，使該課程教學從課堂教學、實驗教學以及學生學習的興趣等方面都取得較好的效果。授課課堂學習氣氛明顯好轉，學生學習的主動性提高，學生能積極主動查閱資料，課后及時提問，學習的氛圍明顯好轉；學生從課堂授課以及實驗教學中都盡可能聯系實際，熟悉工程應用，并通過網絡平臺解決一些重要知識點和難點，使理論學習變得輕松；大多數同學平時認識到實驗課的重要性，都能主動熟悉實驗設備，了解實驗原理，加深了學生的感性認識，提高了絕大多數學生的工程實踐能力。

在今后該課程的教學中還需不斷探索新的思路、新的教學方法與手段，以培養出滿足企業需求的工程應用型人才。

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 陳麗換.鞠全勇.應用型人才培養模式下《自動控制原理》課程教學改革[J].中國電力教育,2009(9):74-75.

[3] 李振龍,喬俊飛.自動控制原理課堂體系結構和教學方法探討[J].教學研究,2009(3):66-68.

[4]張新榮.《自動控制原理》理論課程教學改革與實踐[J].教苑漫談,2009(10):275.

[5] 楊婕,程麗平.應用型本科“自動控制原理”課程改革及實踐[J].中國電力教育,2010(4):111-112.

[6] 鄧莉.MATLAB在自動控制理論教學中的應用[J].重慶工商大學學報,2004(8):414-416.

[7]馬玉龍,何鳳.自動控制理論與Matlab軟件相結合的教學研究[J].中國現代裝備,2015(5):113-115.

[8]付主木,高愛云.《自動控制理論》實踐教學的研究與探索.實驗科學與技術[J].2012(12):101-103.

Research and Practice on the Reform of Automatic Control Theory Course Teaching

Sun Liying, Zhang Jian, Yang Huijun

College of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

For the characteristics of Automatic Control Theory course and the current situation of teaching and Universities, around training engineering practices talent training mode, the course teaching reforming is researched and tried in this paper. Update and optimize the teaching content, adopt different teaching methods, such as using media, heuristic teaching, micro teaching, etc., to strengthen the culture of engineering practice ability; while increasing experimental skills test, the introduction of project control objects commonly used, to enhance students' perceptions.

teaching content; teaching methods; MATLAB and micro teaching; experimental skills test

2016-04-18

孫麗穎，博士，教授。

遼寧省本科教改項目“應用型本科院校電氣類專業實踐教學體系構建的研究與實踐”。