“控制技術與系統”緒論課的教學設計與實踐*

舒雙寶　黨學明　夏豪杰（合肥工業大學　儀器科學與光電工程學院，安徽　合肥　230009）

“控制技術與系統”緒論課的教學設計與實踐*

舒雙寶黨學明夏豪杰
（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230009）

摘要：“控制技術與系統”是測控技術與儀器專業的必修課程之一，緒論課是整個課程教學的先導，具有非常重要的作用。本文就該課程緒論課的教學設計、內容組織和教學方法進行探討。重點介紹該課程的主線和常用的研究方法，激發學生主動學習的積極性，使學生了解所學主要內容以及各章節的作用和聯系，對教材內容有一個整體理解，便于抓住重點，熟悉其研究方法。教學實踐表明，該緒論課教學設計極大地激發了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：控制技術與系統；緒論課；教學設計

引言

測控技術與儀器專業（測控專業）以精密測試技術為平臺，應用電子技術、控制技術、信息技術和精密機械設計與制造技術研究開發適應于現代化工業發展自動化和智能化工業檢測系統和成套裝備[1]。“控制技術與系統”是測控專業一門重要的專業必修課程，該課程是從系統的角度闡述控制系統分析與設計方法以及在信息技術主導下的控制系統結構體系，并注重學生實際工程設計能力的培養。也正是因為本課程的綜合性和內容的交叉性，要完成課程授課大綱規定的授課任務，使學生充分理解和掌握本課程的知識內容，相對其他專業課程也更具有特殊性與復雜性。

作為“控制技術與系統”的第一堂課，緒論課對學生有先入為主的作用，對整個課程具有重要的引導作用[2]。作為“控制技術與系統”教師，在第一個課堂上如何激發學生的學習興趣，如何調動學習積極性，讓學生快速地明白這門課學什么，顯得非常重要。本文主要就“控制技術與系統”緒論課的教學設計、內容組織和教學方法進行研究和探索。同時在緒論課教學過程中不斷地進行反思和探索，對緒論課精心設計并付諸實踐，經過幾年的教學實踐，取得了良好的教學效果。

一、明確本課程緒論課的教學目的

“控制技術與系統”是測控專業一門重要的專業必修課程，具有很強的理論與實踐性。在本課程教學中，作者選用東南大學黃惟一教授、合肥工業大學胡生清教授主編的《控制技術與系統》（第2版）作為本門課程的主要參考教材[3]，教材內容主要包括了執行元件、控制技術、順序控制、過程控制、控制系統仿真技術與控制技術的設計等部分內容。它的授課內容涵蓋了控制電機、計算機控制技術、過程控制和控制系統仿真等多門課程的內容，該課程的設立為學生提供了一個從理論到實踐、多門課程知識綜合運用的平臺[4]。緒論課的內容很豐富，但教學時數有限，因此教師講課一定要精選緒論課的內容。

緒論課除了對該課程進行綜合性的概括和介紹，使學生有一個總體的、大概的認識，緒論課還要解決三個問題：為什么學？學什么？怎么學？教學重點是讓學生掌握本門課程的知識點、課程的學習內容及學習本課程的方法。教學難點在于激發學生對該學科的學習興趣和學習動機并掌握有效的學習方法。

二、教學內容的設計與組織

在本緒論課的教學中，主要圍繞“為什么學”，“學什么”，“怎么學”這樣的教學過程設計教學內容，并組織教學。本課程教學中我們通過周邊大量的控制技術應用實例，使學生認識到本門課在專業學習中的重要性，以“恒溫箱溫度自動控制系統”為例，學生在復習之前學習的“自動控制原理”知識的同時也不斷了解將要學習的本門課程相關的教學內容，并引導學生掌握本門課程的學習方法。具體的教學設計與組織如下：

1.提出問題，引入本課程。為什么要學習本門課程是緒論課首要回答的問題。通過日常生活中大量控制技術在許多領域里的廣泛應用，吸引學生對控制技術的興趣。如冰箱精確的溫度控制，地空導彈的準確飛行，足球機器人高超的球技，月球車的位姿控制等，這些都離不開精準的控制技術。控制有很多成功的案例，也有失敗的慘劇。以2011年中國長征三號甲火箭的成功升天，與2013年俄羅斯“質子M/DM-3”組級火箭墜毀的實例來說明掌握并能正確應用控制技術，具有很大的重要性，激發學習學好控制技術的學習興趣，從而引出本門課程“控制技術與系統”。

2.介紹本課程緒論課的主要教學安排。如控制系統的基本概念，控制技術的發展歷程，控制系統的基本形式和構成，主要學習內容、學習方法及要點，學習本課程的主要參考書目等，從而使學生初步了解本節課要介紹的內容。

3.控制技術的發展歷程介紹和控制系統的相關基本概念。通過對控制技術發展歷史的介紹，使學生對本課程的結構有一定的認識，同時在教學中闡明學習該課程的目的和意義。控制理論和技術的發展歷史共分3個階段：經典控制理論階段、現代控制理論的發展、大系統及智能控制理論階段。簡要介紹這3個階段的發展過程，及其主要的控制原理和方法，使學生重溫之前學過的“自動控制原理”課程，同時也讓學生明白控制技術的發展趨勢。控制理論隨著時代的發展而不斷發展，所以“控制技術與系統”緒論課的講授內容必須能夠體現該學科的發展。

4.闡述控制系統的方式。在學生明確了為什么學的基礎上，使學生對控制系統有了一定的了解。通過電熱爐恒溫自動控制系統介紹一般自動控制系統的組成，介紹自動控制系統的主要組成部分：控制對象與控制裝置。控制系統主要分為開環控制系統、閉環控制系統和復合控制系統。教學中給出復雜控制系統的結構圖如圖1所示，并進行分析。

圖1　復合控制系統一般框

通過電熱爐恒溫自動控制系統分別介紹這3種控制方式的組成和結構形式，介紹各自的特點。開環控制系統控制效果差，閉環控制系統提高了控制精度，當要求實現復雜且精度較高的控制任務時，可將開環控制系統和閉環控制系統適當的結合起來，組成一個比較經濟且性能較好的復合控制系統。

5.本課程內容的介紹，主要向學生闡述通過本門課程學什么的問題。把課程知識進行整理，形成比較系統完整的知識體系，讓學生對課程知識范圍一目了然。通過對圖1復合控制系統一般框圖來分析，其中參考輸入變換裝置、比較裝置、受控對象和補償裝置我們可以利用先前學習的“自動控制原理”、“電工學”和“檢測技術”課程的知識來總結和實現。測量裝置部分主要可以參考我們專業的專業課“傳感器技術”與“檢測技術”來實現。圖1中的控制器和執行機構以及整體性能分析和系統設計將由本課程“控制技術與系統”介紹。為此，我們加強了課程主線的建立，主線很清楚地表示出各章節的作用，以及各章節之間的聯系。展開成圖2所示的本課程的課程內容體系結構。

圖2　課程內容體系結構

本課程的第1章為緒論部分。執行機構將由本書的第2章執行元件進行詳細講解。本書的第3、4、5章將詳細講解控制器的設計，分別為模擬、數字控制技術、順序控制和過程控制系統。本書的第6章將介紹使用仿真工具如何對系統進行仿真并進行性能分析。在充分掌握前面章節的內容后，引出本書的最后一章第7章，介紹控制系統的設計，詳細介紹設計思想，設計指標和方法，以實例的形式展示控制系統設計的全過程。

6.怎么學好這門課。針對本課程特點給出的恰當的學習方法。引導學生講究學習的系統性，注意重溫自動控制原理課程及前面剛介紹的其他課程的相關內容，特別是S、Z變換。本課程40學時，上課時突出基本概念，基本控制技術及方法，部分將與實例相結合。要學好Matlab，特別是要熟練掌握Simulink仿真技術，進行相關控制系統仿真與分析。課后安排作業，強調基礎知識和基本能力。同時要注意本門課程的工科的實用性，要求學生結合一些課程設計、生產實習及工廠實習系統的設計，聯系學習與實踐的內容，進行相關控制系統的設計，積極參與實踐應用。只有這樣，才能鞏固所學的知識，將知識轉化為能力。

最后對課程的教學安排、考試成績評價和相關教育教學參考資料進行說明，讓學生通過自己的搜集、加工、整理和消化與課堂教學相關的知識，同時也培養學生獨立進行教育教學研究的能力。

三、綜合運用各種教學方法

（一）采用多媒體教學手段

通過對緒論課的教學設計與內容組織，作者制作了CAI多媒體課件。多媒體教學可以演示大量傳統控制和現代控制技術應用的實例，使學生形象直觀的理解控制系統的組成和基本的結構。在激發學生的學習興趣和活躍課堂氣氛的同時，又可在較短的時間內給學生較大的信息量，開闊學生的眼界。

（二）增加參觀實驗和實物演示

本課程屬于專業技術課，學生在學習本門課程時對部分控制元器件及部分執行元件還缺乏感性認識。為此，在講授幾個重要基本概念時，結合實物模型進行講解，感性認識和理性認識同時進行，這樣既節約了時間，又使知識變得形象化和具體化，很容易給學生留下深刻的印象。主要是各種低壓電器，如繼電器、接觸器、開關、電磁閥等，部分電機（同步、異步電機、測速電機等），結合PLC，使學生有個感性的認識。

四、結束語

“控制技術與系統”的緒論課是整門課教學的第一課，緒論教學使學生能快速對這門課的學習內容，整本教材的結構有一個大概了解，緒論課將影響到學生對這門功課的學習。

作者按照上述緒論課教學設計對2009級、2010級、2011級本科測控專業學生進行了緒論課教學實踐，實踐結果表明，利用參考教材的教學內容，同時結合學生的實際情況進行精心組織教學內容，合理安排教學順序，教學效果非常明顯。與往屆學生相比，作者深切體會到課堂氣氛較以往活躍，學生對本課程有了全面的了解，對課程的教學內容有了整體的認識并且產生了濃厚的興趣，良好的開端對后續教學活動也產生了積極的影響。

總之，在“控制技術與系統”緒論課的教學過程中，只有不斷努力地研究，不斷地更新教學設計與內容組織，以學生為中心，以傳道授業解惑為已任，總結經驗，才能在實踐教學中不斷提高教學水平和教學效果。

參考文獻

[1]劉文文，吳曄，洪占勇，等.測控專業控制類課程群建設與實踐[J].南京：電氣電子教學學報，2011，33（1）：13-14.

[2]蔡立紅.關于緒論課教學的思考[J].南寧：廣西教育學院學報，2007，22（6）：87-88.

[3]黃惟一，胡生清.控制技術與系統（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2006，2.

[4]吳涓，祝學云，溫秀蘭.“控制技術與系統”課程教學實踐與探討[J].南京：電氣電子教學學報，2007，29（6）：51-53.

Abstract:"The course, Control technology and System" is one of the main courses for measurement and control technology and instrument specialty. The teaching of introduction class is the first step of the whole course and plays an important role. This paper presents discussions on the teaching design, content organization and teaching method for introduction class of control technology and system. The outline and control methods in the teaching of introduction class is emphasized to arouse the students' enthusiasm of studying this course and attempt to make students know the primary contents , the purpose of each chapter and the relationship between the chapters, and understand the emphasis and general research method of the course. The favorable effect has been obtained in the practice teaching.

Keywords:control technology and system; introduction class; teaching design

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）05-0075-03

*基金項目:安徽省教育廳教研項目(編號:2014jyxm039，2015jyxm028），合肥工業大學課程規劃設計研究項目(編號:XJKC201411）資助

作者簡介：舒雙寶（1981-），男，博士，副教授，從事計算機測量與控制、圖像處理與模式識別相關教學與科研工作。