面向機(jī)電類專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革探討
一、引言
《自動(dòng)控制原理》具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)性強(qiáng)、富有工程性等特點(diǎn)，是工科院校重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，然而，由于其具有大量抽象概念、復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及煩瑣的計(jì)算和作圖，學(xué)習(xí)難度較大，而對(duì)機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，《自動(dòng)控制原理》課程的學(xué)習(xí)又存在其特殊之處：第一，相比控制類專業(yè)的學(xué)生，機(jī)電類專業(yè)學(xué)生在前期數(shù)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)中常常會(huì)有知識(shí)缺失或者側(cè)重不夠等問題，因此會(huì)影響到課程的教學(xué)效果；第二，無法滿足專業(yè)的需要，不能培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，學(xué)生容易忽視這門課程的工程應(yīng)用，把重點(diǎn)放在如何做題以應(yīng)對(duì)考試上，學(xué)習(xí)興趣不濃。傳統(tǒng)的教學(xué)方法，很難解決機(jī)電類學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程中存在的問題，因此，針對(duì)機(jī)電類專業(yè)，對(duì)《自動(dòng)控制原理》進(jìn)行課程教學(xué)改革，是十分重要和必要的。
二、自動(dòng)控制原理教學(xué)改革
1. 教學(xué)內(nèi)容的改革。
�。�1）精選教學(xué)內(nèi)容。目前，在《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)中，存在著內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的矛盾。對(duì)于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，要結(jié)合其專業(yè)特點(diǎn)，以及后續(xù)所設(shè)置的專業(yè)課程，合理設(shè)計(jì)教學(xué)大綱，來確定對(duì)教學(xué)內(nèi)容的取舍。針對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)缺失的問題，在教學(xué)中要對(duì)相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行必要的.補(bǔ)充，以保證教學(xué)的順利進(jìn)行。對(duì)于其他已學(xué)的基礎(chǔ)課程，如電工學(xué)、電子技術(shù)，要建立起與本課程的聯(lián)系，并將學(xué)生所熟悉的工程實(shí)例，如數(shù)控機(jī)床位置控制系統(tǒng)，作為切入點(diǎn)來介紹控制論的基本原理，從系統(tǒng)建模到系統(tǒng)性能分析再到系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)，不但可以使學(xué)生更好地理解和掌握控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與性質(zhì)，又可以將理論和工程實(shí)際聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
�。�2）更新教學(xué)內(nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，智能控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、魯棒控制等在工程中的應(yīng)用取得了重要的成果。因此，在《自動(dòng)控制原理》的授課過程中，要注意處理經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論以及新理論之間的關(guān)系，并將當(dāng)前控制理論在機(jī)電工程領(lǐng)域的最新研究成果、最新科技發(fā)展動(dòng)態(tài)穿插在授課內(nèi)容中，讓學(xué)生理解其重要作用，并把國外優(yōu)秀教材作為主要參考資料推薦給學(xué)生，以拓寬學(xué)生的知識(shí)面。
2.教學(xué)手段的改革。
�。�1 ）運(yùn)用問題式的教學(xué)。第一，為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的主動(dòng)性、積極性及自覺思維，《自動(dòng)控制原理》課堂教學(xué)要從實(shí)際出發(fā)，按照提出問題、解決問題的方式進(jìn)行教學(xué)；例如第一節(jié)課就可以通過生活中汽車駕駛的實(shí)例引入控制理論的相關(guān)概念，并合理設(shè)疑，讓學(xué)生參與到課堂教學(xué)中，體會(huì)到這些抽象的概念并不難理解，而且控制理論其實(shí)滲透在我們生產(chǎn)生活的方方面面。第二，課后留思考題，例如對(duì)于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，可以將“如何把課程內(nèi)容應(yīng)用到本專業(yè)的工程實(shí)踐中”作為思考題，學(xué)生通過查閱資料文獻(xiàn)，討論分析，在思考的同時(shí)，其查閱資料、知識(shí)歸納以及表達(dá)方面的能力，也會(huì)有所提高。
（2）教學(xué)手段的改進(jìn)。充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，多媒體能夠?qū)ⅰ蹲詣?dòng)控制原理》中比較煩瑣的公式或者模型的動(dòng)態(tài)過程以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生理解與掌握抽象的理論知識(shí)，同時(shí)利用多媒體，以圖片、視頻等方式讓學(xué)生了解現(xiàn)代控制技術(shù)以及智能控制理論在工程實(shí)踐中應(yīng)用，多媒體的圖形演示與教師的講授相結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容形象化、具體化和生動(dòng)化，從而增進(jìn)學(xué)生的理解；對(duì)于重點(diǎn)和難點(diǎn)的內(nèi)容，比如公式的推導(dǎo)和證明，可以借助于傳統(tǒng)板書進(jìn)行，老師一邊寫，一邊講解，學(xué)生可以有一個(gè)思考和接受的過程。
3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《自動(dòng)控制原理》課程的重要組成部分，目前本課程的實(shí)驗(yàn)基本上是對(duì)基本理論的驗(yàn)證和復(fù)現(xiàn)，學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上接線，通過示波器觀察其輸出曲線，從而分析系統(tǒng)的性能，并驗(yàn)證所學(xué)理論，該方式無法滿足機(jī)電類工程專業(yè)的需要，不能培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，因此需要對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行充實(shí)、完善。
第一，虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用。
�。�1）MATLAB在《自動(dòng)控制原理》課程中的運(yùn)用。MATLAB軟件集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和繪制圖像顯示于一體，構(gòu)成一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境，已成為多個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用軟件�！蹲詣�(dòng)控制原理》中的三種分析方法———時(shí)域分析、復(fù)域分析（根軌跡繪制）、頻率分析，利用MATLAB軟件來處理，可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間，也可以加深對(duì)抽象理論的理解。對(duì)于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生，在授課過程中，可以結(jié)合其專業(yè)特色，選擇熟悉的實(shí)例，利用MATLAB進(jìn)行分析。例如，介紹時(shí)域分析法時(shí)，可利用直流伺服電機(jī)來舉例講解，其數(shù)學(xué)模型為：
利用MATLAB軟件可輕松地繪制其單位階躍響應(yīng)曲線，并從穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三方面分析其性能，如圖1所示：
SIMULINK是一種用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具，是MATLAB的一個(gè)附加組件，用來提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真工作平臺(tái)。利用SIMULINK，通過搭建系統(tǒng)模塊，可以方便地調(diào)節(jié)各種控制參數(shù)，使學(xué)生直觀了解參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。圖2為利用SIMULINK搭建的電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制的仿真圖，可通過調(diào)節(jié)PID的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。
�。�2）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立。
MATALB圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），是由窗口、圖標(biāo)、菜單、文本等對(duì)象構(gòu)成的用戶界面。利用MATLAB的GUI建立《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以完成計(jì)算、仿真與分析，課堂上通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)如何選擇，了解實(shí)驗(yàn)參數(shù)改變的依據(jù)，直觀地看出參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，可提高實(shí)驗(yàn)效率，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果。圖3為基于MATLAB GUI創(chuàng)建的PID參數(shù)設(shè)定界面，可以在此界面上實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整。
第二，綜合型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。
在完成為基本教學(xué)內(nèi)容所設(shè)置的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可以向綜合型發(fā)展，包括設(shè)計(jì)綜合型和專業(yè)拓展型，引導(dǎo)學(xué)生將《自動(dòng)控制原理》的基礎(chǔ)知識(shí)與工程技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)以及興趣，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在確定目標(biāo)的同時(shí)獨(dú)立思考，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和手段，實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開放，在實(shí)驗(yàn)過程中，老師給予指導(dǎo)和支持，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提高學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力。
三、總結(jié)
為提高機(jī)電類專業(yè)人才的綜合能力，作為專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，《自動(dòng)控制原理》的課程教學(xué)改革必將走上一個(gè)新的臺(tái)階，通過對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷加以改進(jìn)，不斷探索行之有效的教學(xué)方法，來提高教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)新形勢(shì)發(fā)展的需求。
參考文獻(xiàn)
李霞。非控制專業(yè)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)方式探討.科教文匯，2012，（11）：43-44.
張春慧�！蹲詣�(dòng)控制原理》課程雙語教學(xué)方案的探討.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012，（14）：160-162.
齊琳，王劍。MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，（4 ）：156-158.
劉金琨。先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真.西安：電子工業(yè)出版社，2008.
馬東梅。Simulink仿真軟件在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，（8 ）：34-36.
羅華飛。MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記.第2版。北京航空航天大學(xué)出版社，2012.
楊欣，蘇玉剛，謝昭莉，李斌。工程類專業(yè)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探究. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，（10）：312-313.
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