自动控制原理教学改革初探

黎萍　王连圭

[摘 要]围绕自动控制原理的教学改革，从涉及面、理论性和方法论等方面分析自动控制原理的特点，针对教学中存在的问题，探讨理论教学、实践教学和考核方式三方面的具体改革措施，合理安排教学内容，注重内容的系统性。教学实践表明，这些改革措施提高了学生的学习积极性，提升了学生分析问题和解决问题的能力，培养了学生的创新能力，为后续课程和毕业后的工作奠定了良好的基础。

[关键词]自动控制原理 教学改革 教学方法 实践教学

[中图分类号] TP13-4；G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）14-0124-02

一、引言

自动控制原理是控制类及电子信息类专业的一门重要的专业基础课程[1]，在控制科学与工程学科中占有重要地位。该课程对工程技术有重要的指导作用，而且对培养学生的辩证思维能力、综合分析问题的能力以及建立理论联系实际的科学观点都具有重要的作用。本文结合自动控制原理的课程特点及教学中存在的问题，对自动控制原理课程的理论教学、实践教学和考核方式三方面进行改革的具体措施进行探讨。

二、课程特点及教学中存在的问题

自动控制原理课程有以下特点：第一，涉及面广，综合性强。控制理论的应用面广，实际的控制系统可能涉及力学、电学、光学和热学等学科的知识以及电路、电力电子、电机等技术。系统控制模型的建立不仅需要有较强的建模能力，还要求有灵活运用知识解决实际问题的能力。课程的学习要求扎实的数学功底，微积分、复变函数理论、矩阵论等知识的应用贯穿全课程。第二，内容丰富，概念抽象。课程内容主要包含经典控制理論。经典控制理论研究的主要对象是线性定常系统、单输入单输出系统的分析与设计，它以传递函数为数学模型来讨论问题，采用多个评价指标对系统的稳定性、快速性、准确性进行分析，内容较抽象，原理概念较难理解且一环套一环。第三，它是一门方法论的课程。[2]课程内容隐含从定性的物理系统转化为定量的数学分析的解决问题的途径和“利用误差消除误差”的核心控制思想，以及体现了信息论、系统论、控制论的一套方法。这种方法论思想的建立对学习该课程的同学尤为重要。

课程内容丰富，但学时有限，我院“自动控制原理”教学计划是64课时，同时开设16课时的自动控制原理实验。目前选用的教材里增加了Matlab辅助设计，因而学时少，信息量大的矛盾更显突出，不利于学生对教学内容进行有效消化，教学效果受到影响，但由于学生考研的需要，难以在课程内容上进行取舍。

课程理论性强且涉及面广，但理论与实践结合不密切。除了在数学模型的建立部分有实际系统的抽象简化外，整个内容并没有真正触及实际系统。另外课程的理论分析与实际情况存在一定的差距，自动控制原理的主要研究对象是线性系统，而任何实际系统都不可能是真正线性的。受理论框架的限制，实验课也难以把理论和实践之间的差距暴露出来[4]，学生知道理论是实践的抽象，但实际应用中碰到简化过度、实际与理论不符的情况时，难以找到办法对分析、综合结果进行修正，这就造成理论与实践的脱节。[3]

三、理论教学改革

（一）合理安排教学内容，注重内容的系统性

授课内容以系统建模、系统分析、系统设计为重点，突出系统分析和设计中公共的规律和基本方法，在保证内容系统性的前提下，淡化繁复的推导过程，强调推导思路，重点解释结论的内涵和物理意义，力求简练却不失严谨、直观易懂。系统建模是系统分析和设计的基础，系统分析准确与否又直接影响系统设计[2]，因此在每个环节的讲授过程中，不仅要讲清各个知识点的原理，还要注重知识点之间的联系和过渡。例如讲解根轨迹分析方法前先给出一个高阶系统，并采用先学的时域分析方法进行分析，当没有办法用时域法解决问题时，引出根轨迹分析方法，这不仅能让学生弄清楚这两种分析方法的区别与各自的优势，而且能引导学生思考如何利用各种方法分析问题，有助于提高学生分析问题的能力。

（二）灵活应用教学方法，提高教学质量

在教学过程中，应充分尊重学生在教学中的主体地位，采用各种教学方法激发学生的学习兴趣和积极性，加强创造能力的培养。通过对比教学方法，加深学生的印象，例如在讲频率特性时，将极坐标图和对数坐标图进行对比，找出联系与区别，使学生更好地掌握两种图的应用。通过启发式教学方法，适当地设置一些小问题，让学生带着问题去学，促进学生积极思考，不仅可以提高学生的学习兴趣，而且可以培养他们发现问题的意识，提高他们自主探索解决问题的方法的能力。比如在讲系统性能分析时，让学生考虑闭环零、极点对系统性能有何影响，可以让他们利用所学知识来分析问题，同时也是对已学知识的温习和巩固，并提高他们的综合分析、解决问题的能力。

（三）多样化的教学方式，提高教学效率

传统的采用板书和讲解结合的教学方式，学生边听边做笔记，这种方式在自动控制原理中多数方程式和传递函数的推导时应用效果不错，便于师生交流。[5]但这种方式常常让学生感到内容抽象，不知道所学理论知识在工程中的实践应用，而且在根轨迹和频率特性等图较多的章节时，采用纯板书需要花费大量时间。与传统教学方式相比，多媒体动画、语音、图形、图像直观新颖，能有效激发学生的学习兴趣，为课堂提供活力，提高课堂效率，使有意识的学习和无意识的学习相结合。此外，由于自动控制原理课程的复杂性，引入具有先进的视觉化功能、计算功能和仿真能力的Matlab软件可以方便地完成系统模型的建立、分析和设计中各种复杂的运算，实现控制系统的仿真。[5] [6]虽然后续将开设“Matlab语言与控制系统仿真”，但在自动控制原理讲授时引入Matlab仿真软件，可以轻松绘制各种曲线，且能动态演示曲线的生成，便于理解和掌握，也可以引导学生在Matlab平台上验证自己的分析结果，激发学习积极性，且可以教会学生利用这个工具进行系统的分析与设计，为后续的学习和工作做好准备。

四、实践教学的改革

为了提高实践教学质量，结合本课程的特点，在基础实验的基础上，综合课程重点和难点，增加一些综合性实验。基础实验主要加强学生对理论知识点的理解，使学生把课堂教学中的理论模型所描述的系统与实际控制系统联系起来；综合性实验以典型控制系统为实验对象，要求学生运用已有的知识分析系统结构，建立系统的数学模型，观察并记录系统的运行特性，对系统各性能指标进行全面的分析、综合。

在与理论课时匹配的16课时实验课中，主要利用自动控制原理实验箱，结合课堂教学知识展开实验，加深对概念的理解和方法的掌握，要求学生有一定的动手能力。例如在频率特性实验中，要求学生能够利用实验箱提供的模拟电路单元和信号发生器，设计并搭建好模拟电路，利用示波器观察系统的性能，完成一阶系统和二阶系统的开、闭环频率特性测量。而学生对各种控制系统的认知在后续课程中将得到更好的拓展，例如在计算机控制系统的学习中，学生可以对模拟工业现场的过程控制装置进行现场调试与控制，将学过的控制系统分析、设计和调试方法应用于实践，为毕业后的实际工作打下良好的基础。

五、考核方式的改革

由于自动控制原理课程题目计算量大，难以凭两个小时考试的结果考查学生对相关概念的理解和对控制系统分析、设计方法的掌握，我们在考核方式上进行了一些必要的改革。考核分为平时成绩和考试成绩，平时成绩占总分的30%，主要包括课堂考勤、课前预习情况、课堂参与情况及作业成绩，考试采用闭卷考试，由任课教师出题，按学校规定进行考试，重点考核系统分析、设计方法的应用和基本概念的理解，占总成绩的70%。将自动控制原理实验独立出来作为一门课程，其考核同样包括平时成绩和考试成绩，平时成绩占50%，根据实验考勤、动手能力、创新能力和实验报告综合评定。这样要取得好的成绩就需要在平时的学习过程中下功夫，仅靠考试前的突击不再可行。

六、结语

自动控制原理是自动化专业及相关专业的一门基于实践的理论基础课[3]，只有在教学过程中不断学习教育理论、积极研究教学方法、灵活运用多种教学方式，不断提升自身素质，在理论与实践结合的原则下，以培养学生解决实际问题的能力为基准，才能深化自动控制原理教学改革，进一步提高教学质量。

[ 注 释 ]

[1] 胥布工主編.自动控制原理[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2] 郑长勇.自动控制原理课程教学改革探索与实践[J].内蒙古农业大学学报（社会科学版），2009（4）.

[3] 段纳，高庆争.自动控制原理教学中的问题及对策探讨[J].曲阜师范大学学报（自然科学版），2011（2）.

[4] 田思庆，吴桂云.“自动控制原理”课程的教学研究与实践[J].电气电子教学学报，2008（1）.

[5] 周武能，石红瑞.自动控制原理教学改革与实践[J].教学研究，2010（1）.

[6] 李振龙，乔俊飞，孙亮等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J].教学研究，2009（2）.

[责任编辑：钟 岚]