“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)改革

“自動(dòng)控制原理〞課程的教學(xué)改革〔〕:

摘要："自動(dòng)控制原理";是一門非常重要的專業(yè)根底課，其學(xué)習(xí)過(guò)程較困難，效果不理想。本文結(jié)合目前學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等方面進(jìn)展了改革，把課堂教學(xué)與課下延伸有機(jī)結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)才能、動(dòng)手才能及設(shè)計(jì)創(chuàng)造才能，到達(dá)了較好的效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；教學(xué)改革；Matlab工具

本文引用格式：楊裕翠."自動(dòng)控制原理";課程的教學(xué)改革[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(05):70-72.

在智能機(jī)器人和人工智能得到越來(lái)越多關(guān)注與開(kāi)展的今天，作為控制理論根底的"自動(dòng)控制原理";課程身價(jià)也水漲船高，學(xué)好該課程顯得尤為重要。"自動(dòng)控制原理";作為大學(xué)本科自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)根底課，在控制相關(guān)專業(yè)的課程體系中占有很重要的地位，是學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制、人工智能等后續(xù)的應(yīng)用型專業(yè)課程必需的知識(shí)根底儲(chǔ)藏。該課程的特點(diǎn)為：

〔1〕是一門理論性很強(qiáng)的課程，根底數(shù)學(xué)中的微積分、復(fù)變函數(shù)與積分變換等知識(shí)貫穿其中。另外，進(jìn)展控制系統(tǒng)建模時(shí)根據(jù)被控對(duì)象的不同，需要電學(xué)、力學(xué)等物理知識(shí)和電路理論、電機(jī)理論等專業(yè)知識(shí)。在整個(gè)課程體系中，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)與計(jì)算，這些都要求學(xué)生具有較高的數(shù)學(xué)根底?！?〕是一門理論性很強(qiáng)的課程，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)消費(fèi)過(guò)程、軍事國(guó)防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，具有實(shí)際的工程背景。另外，在國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療等社會(huì)科學(xué)中也表達(dá)了本課程的根本思想。因此"自動(dòng)控制原理";是一門綜合性的課程，既要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)根底能進(jìn)展數(shù)學(xué)分析和計(jì)算，又要求學(xué)生具有一定的自主設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的才能。同時(shí)，課程大量使用圖形與計(jì)算相結(jié)合的方法，也要求學(xué)生具有一定的繪圖才能。正是由于該課程的這些特點(diǎn)，使得該課程的教學(xué)過(guò)程比擬困難。人才的培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會(huì)對(duì)人才的需求，因此在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)展改革，使學(xué)生能成為人才顯得至關(guān)重要

一教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

"自動(dòng)控制原理";的前期課程包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路、模擬/數(shù)字電路、大學(xué)物理、信號(hào)與系統(tǒng)等，這些課程本身就具有一定的難度，而且對(duì)數(shù)學(xué)根底和邏輯思維的要求較高。目前學(xué)生的數(shù)學(xué)根底普遍比擬薄弱，因此會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，還沒(méi)有學(xué)就已經(jīng)失去信心。而該課程的課時(shí)比擬緊張，教師不可能在課上補(bǔ)充大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，因此局部同學(xué)就失去了主動(dòng)能動(dòng)性。該課程雖然應(yīng)用廣、實(shí)用性強(qiáng)，但是在以往的教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容和方式陳舊、落后；教學(xué)方法側(cè)重填鴨式、缺乏啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題缺乏感性認(rèn)識(shí)，很難將所學(xué)知識(shí)用于工程理論，造成理論與實(shí)際的脫節(jié)。以往"自動(dòng)控制原理";考核到達(dá)優(yōu)良等級(jí)的同學(xué)到了電子競(jìng)賽中，即使最常規(guī)PID控制也不知道怎么實(shí)現(xiàn)。假設(shè)學(xué)不能以致用，學(xué)來(lái)何用？因此"自動(dòng)控制原理";課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行，改變教師在教學(xué)中感到孤掌難鳴，學(xué)生覺(jué)得課堂枯燥乏味、無(wú)所收獲的現(xiàn)狀[1-3]。

二課堂教學(xué)過(guò)程的改革

針對(duì)上面的問(wèn)題，本文從以下幾個(gè)方面入手，促進(jìn)學(xué)生之間、師生之間的多向交流，能從內(nèi)部持續(xù)、有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并進(jìn)步學(xué)習(xí)效率，為今后走上工作崗位從事自動(dòng)控制相關(guān)開(kāi)發(fā)工作打好堅(jiān)實(shí)的根底。

〔一〕進(jìn)步學(xué)生的興趣

興趣是最好的教師，假設(shè)想讓學(xué)生學(xué)好學(xué)精該課程，必須引起學(xué)生的興趣，能主動(dòng)學(xué)習(xí)課堂知識(shí)，同時(shí)能自覺(jué)閱讀文獻(xiàn)資料，開(kāi)闊眼界。只有覺(jué)得該課程有用、有趣、高端，才能事半功倍。該課程是一門有用的課程，日常生活、工業(yè)消費(fèi)、國(guó)防、科技等方面都離不開(kāi)自動(dòng)控制。小到生活中的各種家用電器，大到航空航天處處都有它的身影。如洗衣機(jī)是個(gè)典型的開(kāi)環(huán)控制，電冰箱是個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)溫控系統(tǒng)，如今的智能家居也少不了自動(dòng)控制的影。這些足以說(shuō)明該課程的實(shí)用性。同時(shí)它也是有趣的，一架中國(guó)產(chǎn)大疆無(wú)人機(jī)順利的降落在海軍最先進(jìn)的"伊麗莎白女王";號(hào)航母上，沒(méi)有引發(fā)任何警報(bào)；日本的機(jī)器人已經(jīng)出演電影?再見(jiàn)?；出現(xiàn)了第一個(gè)戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的人工智能機(jī)器人，它的名字叫阿爾法，等等。高端，就更顯而易見(jiàn)了，航空航天上有它，軍事設(shè)備上有它，現(xiàn)代化的消費(fèi)上同樣離不開(kāi)它。這樣一門前景無(wú)限、學(xué)好有用有趣的課程是不是更能引起學(xué)生的興趣，從而自發(fā)的開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)呢？

〔二〕教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

自動(dòng)控制原理〔經(jīng)典控制理論局部〕的內(nèi)容比擬多，主要包括控制系統(tǒng)一般概念；控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；線性系統(tǒng)的時(shí)域分析；控制系統(tǒng)的根軌跡法；線性系統(tǒng)的頻域分析法；自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正方法等。內(nèi)容較多，課時(shí)較少，如何在有限的時(shí)間內(nèi)獲取更多更有效的知識(shí)是課題教學(xué)改革的首要問(wèn)題【4】。首先，我們要對(duì)知識(shí)進(jìn)展疏導(dǎo)，得到如圖1所示的知識(shí)體系。對(duì)自控系統(tǒng)有準(zhǔn)確的把控就必須理解根本概念，而系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)展系統(tǒng)分析和根底的前提，只有得到正確的模型，后面的分析和設(shè)計(jì)才能展開(kāi)。系統(tǒng)分析是由系統(tǒng)模型得到系統(tǒng)性能指標(biāo)，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)那么是由系統(tǒng)性能指標(biāo)得到系統(tǒng)模型。系統(tǒng)分析的方法一共有三種：時(shí)域法、根軌跡法、頻域法，這是整個(gè)課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容之一【5】。系統(tǒng)設(shè)計(jì)那么表達(dá)在校正方法這個(gè)章節(jié)上，這是本課程的難點(diǎn)之一。

對(duì)知識(shí)體系有了充分認(rèn)識(shí)，下面就需精選講解內(nèi)容，突出重點(diǎn)，弱化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。如在講解時(shí)域分析時(shí)，重點(diǎn)講解二階系統(tǒng)的階躍相應(yīng)，其他信號(hào)的相應(yīng)可簡(jiǎn)單介紹，一階系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，可弱化推導(dǎo)，重點(diǎn)把握結(jié)果。高階系統(tǒng)的分析較難，可給出主導(dǎo)極點(diǎn)的概念進(jìn)展化簡(jiǎn)，或是利用Matlab工具解決。假設(shè)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程時(shí)要注意哪些可省哪些不能省。比方奈氏判據(jù)，我們可弱化推導(dǎo)，重點(diǎn)掌握判據(jù)本身和它的使用。而在時(shí)域分析中要頻繁使用的拉式變換必須純熟掌握，可根據(jù)學(xué)生掌握情況進(jìn)展合理安排。

〔三〕教學(xué)方式的改革

課題教學(xué)是學(xué)生獲取知識(shí)的有效途徑，課題的質(zhì)量直接影響著教學(xué)的成果。原先的教學(xué)方式教師講、學(xué)生聽(tīng)，效果差強(qiáng)人意。因此，可在改善傳統(tǒng)課堂形式的根底上進(jìn)展多樣化的嘗試。

首先改善傳統(tǒng)課堂形式，傳統(tǒng)課堂形式教師講為主，在講的過(guò)程中可適當(dāng)加些實(shí)例。如講根本概念時(shí)可用馬桶作為實(shí)例，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的水位控制系統(tǒng)，該例子簡(jiǎn)單、常見(jiàn)。當(dāng)然也可用人拿東西來(lái)舉例，這是一個(gè)反響系統(tǒng)，實(shí)際上大腦是最復(fù)雜的控制系統(tǒng)，阿爾法就是仿照了人的學(xué)習(xí)才能。同時(shí)注重一些現(xiàn)代手段的使用，如Matlab工具、flash小動(dòng)畫，實(shí)時(shí)引入一些動(dòng)畫效果，讓學(xué)生有直觀認(rèn)識(shí)，從而進(jìn)展合理的學(xué)習(xí)。

其次可進(jìn)展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，把一些易于理解的知識(shí)拿出來(lái)作為嘗試。由學(xué)生報(bào)名，進(jìn)展分組，從而完成該知識(shí)點(diǎn)的講解以及學(xué)習(xí)。由學(xué)生自己查閱資料，獲得該知識(shí)點(diǎn)的詳細(xì)信息。完成PPT的制作，使其與自己講解內(nèi)容完美匹配。課堂時(shí)間進(jìn)展講解，建議其深化淺出，能突出重點(diǎn)。引導(dǎo)其在講解中參加一些實(shí)例或是目前熱點(diǎn)，把知識(shí)泛化。這樣既可調(diào)動(dòng)參與學(xué)生的積極性，也可吸引其他同學(xué)的注意力，到達(dá)較好效果。

將工程教學(xué)法融入課程的理論教學(xué)中。題目及要求由教師提出，學(xué)生進(jìn)展設(shè)計(jì)，到達(dá)題目的要求，這樣就可把學(xué)習(xí)的主體轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生。詳細(xì)操作為對(duì)學(xué)生進(jìn)展分組，每組成員的學(xué)習(xí)才能根本持平。然后選擇教師所提供的題目，進(jìn)展工程的設(shè)計(jì)與施行，教師在該過(guò)程中只會(huì)給出一些指導(dǎo)意見(jiàn)。最后在課堂上進(jìn)展匯報(bào)，教師給出一些意見(jiàn)與指導(dǎo)，以便學(xué)生加強(qiáng)知識(shí)的理解，查漏補(bǔ)缺【6】。

三課堂外的改變

在課堂教學(xué)完成的根底上，仍需在作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考核等方面做一系列的改變。課后作業(yè)是加深、穩(wěn)固所學(xué)知識(shí)的重要手段，也可使教師及時(shí)理解學(xué)生掌握情況。為了提升學(xué)生完成作業(yè)的質(zhì)量，布置作業(yè)時(shí)盡量布置一些具有實(shí)例的作業(yè)，使學(xué)生明白該知識(shí)點(diǎn)的作用，引起學(xué)生的興趣，便于解決實(shí)際問(wèn)題。作業(yè)完成過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。作業(yè)完成后由學(xué)生進(jìn)展解答，講解解題思路和過(guò)程。允許其他同學(xué)進(jìn)展提問(wèn)、質(zhì)疑，教師起引導(dǎo)作業(yè)。在此過(guò)程中加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，活潑氣氛，形成良好的學(xué)習(xí)氣氛，到達(dá)對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握，甚至是舉一反三。

實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證、掌握、應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的一種重要手段。實(shí)驗(yàn)做的好，知識(shí)掌握的就好，所以一定要注重該環(huán)節(jié)的安排。設(shè)置實(shí)驗(yàn)的時(shí)候準(zhǔn)備難度不等的工程，有簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性、仿真性實(shí)驗(yàn)；有中等難度的綜合性實(shí)驗(yàn)；更要有具有一定難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)或采用試驗(yàn)箱或采用matlab進(jìn)展仿真。綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)敲匆冗M(jìn)展仿真驗(yàn)證，然后利用試驗(yàn)箱進(jìn)展搭建，兩者的結(jié)果進(jìn)展分析與比擬。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)敲词峭瓿梢环N簡(jiǎn)單裝置的設(shè)計(jì)，如冰箱的溫度控制系統(tǒng)、自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)等等。簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)必須每個(gè)同學(xué)都純熟掌握，綜合性實(shí)驗(yàn)可合作完成，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)敲词前胃咝裕捎信d趣有才能的同學(xué)共同完成。這樣既有利于知識(shí)的掌握，又可對(duì)局部同學(xué)的才能進(jìn)展提升。

為了防止學(xué)生臨陣磨槍，過(guò)不過(guò)靠天意的現(xiàn)象，在考核環(huán)節(jié)增加平時(shí)測(cè)試環(huán)節(jié)。每章完畢后都進(jìn)展測(cè)試，使學(xué)生對(duì)整個(gè)知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)分化。這樣需掌握的知識(shí)較少，而時(shí)間又較充裕，學(xué)生較易掌握重點(diǎn)難點(diǎn)，便于后面知識(shí)的學(xué)習(xí)。

除此之外，我們還可合理的利用目前已有的多樣化教學(xué)手段。如各個(gè)學(xué)校自身所具有的網(wǎng)絡(luò)課程、學(xué)習(xí)app，把課堂進(jìn)展延伸?？砂呀贪?、ppt、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、作業(yè)等等信息放在網(wǎng)絡(luò)上，以便于學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)。可設(shè)置交流功能，有問(wèn)題可互相討論，教師也能參與。這樣有利于師生、學(xué)生之間的交流，問(wèn)題可及時(shí)方便的解決。同時(shí)，不少學(xué)校都設(shè)置了精品課程，課程設(shè)置上也是應(yīng)有盡有，教學(xué)視頻、ppt等可方便找到。最后，如今的慕課大行其道，建議學(xué)生下載其app，從其他大師那里完成該課程的穩(wěn)固和加強(qiáng)。

四完畢語(yǔ)

多年的教學(xué)經(jīng)歷說(shuō)明，?自動(dòng)控制原理?學(xué)習(xí)起來(lái)具有一定難度，即使局部同學(xué)的成績(jī)良好，但是一結(jié)合實(shí)際就無(wú)所適從了。本文結(jié)合目前現(xiàn)狀和教學(xué)改革理論，對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段，課堂教學(xué)外的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考核等方面進(jìn)展了探究，該課程的教學(xué)質(zhì)量得到了進(jìn)步，教學(xué)效果得到了改善。同時(shí)注重教學(xué)過(guò)程中的啟發(fā)與引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而使學(xué)生結(jié)實(shí)掌握自動(dòng)控制的核心內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

【1】胡壽松主編.自動(dòng)控制原理〔第6版〕[M].北京:科學(xué)出版社,2022.

【2】程鵬主編.自動(dòng)控制原理[M].北京:高等教育出版社,2022.

【3】擺玉龍主編.自動(dòng)控制原