热工自动控制原理教学改革与实践

谢七月 陈志盛

摘 要 热工自动控制原理是热能与动力工程专业及建筑环境与设备专业的主干课程之一，具有理论性强、涉及面广等特点。为了激发学生的兴趣，提高分析问题与解决问题的能力，探讨了在热工自动控制原理教学过程中的改革措施。实践表明，教学改革取得了良好的效果。

关键词 热工自动控制原理 教学改革 实践

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.03.058

Teaching Reform of Thermal Automatic Control Principle with Practice

XIE Qiyue， CHEN Zhisheng

（School of Energy and Power Engineering， Changsha University of

Science & Technology， Changsha， Hu'nan 410076）

Abstract Thermal automatic control principle is one of the major professional courses for both thermal energy and power engineering major and building environment and equipment major， which has a strong theoretical characteristics and involves wide field. In order to stimulate students' interest on the study and improve the ability of analyze and solve problems， the reform measure on the teaching process of thermal automatic control principle is discussed. Practice shows that the teaching reform has achieved good effect.

Key words thermal automatic control principle; teaching reform; practice

熱工自动控制原理是长沙理工大学热能与动力工程专业及建筑环境与设备专业的主干课程之一，是课堂教学为主实验为辅的理论性课程，本课程主要讲授经典控制理论与热工过程控制系统的分析与设计中的基本原理和基本内容。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和基本分析方法，初步具备分析与解决热工过程控制中的常见问题的能力，为进一步学习热工过程控制系统等专业课，以及将来从事自动化方面的工作打下坚实的理论基础。为了激发学生的学习兴趣，提高工程分析问题与解决问题的能力，热工自动控制原理教研组在教学过程中，进行了教学改革探索并予以实践。

1 教学大纲的修订

教学大纲是一门课程的教学纲要，予以指导课程教学的全部过程。由于该课程教学面向热能与动力工程专业及建筑环境与设备专业的学生，因此热工自动控制原理教研组组织多次讨论，认真研究这两个专业的最新培养计划，坚持以夯实基础、强化素质教育、培养创新能力和工程能力为培养目标，于2013年重新修订了“热工自动控制原理”的教学大纲。

（1）大纲规定了讲授学时和实验学时，明确了课程性质与教学目的及基本要求。根据专业培养方案，总学时由64调整为48，其中讲授42个学时，实验6学时。明确指出该课程适于非自动化专业（热能与动力工程专业，建筑环境与设备专业），属性为专业基础课。目的在于使学生掌握有关经典控制理论的基本概念、基本理论和基本方法，能够对经典控制系统进行分析与设计，解决实际中的相关问题。要求学生掌握：自动控制的基本概念;控制系统的数学模型及其描述方法;掌握线性控制系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法以及热工对象和工业调节器的动态特性。

（2）大纲指明了教学的重点与难点，对教学方法、课程知识单元、知识点及学时分配提出了具体建议。根据课程特点以及学生的知识结构，精简了重点内容，包括：控制系统的数学模型，线性系统的三种分析方法;线性系统的校正。难点调整为数学模型的建立与频域特性分析。课程知识单元、知识点及学时简况如下：第一章自动控制系统的一般概念有四个知识点，建议学时4个;第二章控制系统的数学模型三个知识点，建议学时8个;第三章热工对象与自动调节器2个知识点，4学时;第四章线性系统的时域分析法4个知识点，12学时;第五章线性系统的根轨迹法4个知识点，8学时;第六章线性系统的频域分析法4个知识点，12学时。

（3）大纲还安排了实验教学条件及内容、作业要求、考核方式与要求、教材与主要参考书。

2 教案讲义的更新

教案是教师为顺利有效开展教学活动，依据教学大纲和参考教材要求及学生的实际情况实施教学计划与组织课程教学的方案，即为教学程序。课程教研组在教学中一直选用陈绍炳与于向军编著的《热工过程自动控制原理》作为参考教材，①所选教材内容比较全面，适合热工过程相关专业的。但是，由于控制理论与仿真技术的不断发展，所选教材部分内容就有点跟不上技术更新发展，例如大部分自动控制原理的教材都增加了Matlab仿真内容，这样便于学生课后自己上机进行仿真实验。为此，根据修订的教学大纲，参考国内外有关自动控制原理与Matlab控制系统仿真相关教材，结合课程教研组近几年的教学与科研成果，重新编写了“热工自动控制原理”课程的教案与内部讲义，重点考虑了教学过程中所举例子的Matlab实现。

3 教学内容的调整

“热工自动控制原理”课程内容涉及微积分、复变函数与积分变换、线性代数、大学物理以及电子电工技术等课程的知识。根据教学大纲以及学生的知识结构，热工自动控制原理主要以热工过程中带有负反馈装置的闭环系统为讨论对象。课程主要内容可分为自动控制的一般概念、控制系统的数学模型、热工对象与自动调节器、线性系统的时域分析、线性系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法等六部分内容。研究对象主要均为线性系统，因此可以在时域、复数域、频域等不同的数学环境中进行分析与设计。对于系统的数学模型分别是：微分方程，传递函数及其频率表达式，这三种数学模型可以根据不同域中变量间的关系进行相互转换，对应的分析方法分别为时域法、根轨迹法与频域法。②由于很多学生并没选修复变函数与积分变换，因此在控制系统的数学模型教学中，利用2个学时学习拉普拉斯变换，从而便于学生对传递函数的学习。

4 教学方式与方法的优化

运用经典控制理论中的反馈控制理论指导教学的互动过程。已设定教学目标，根据学生学习情况的反馈，不断调整教学方式与方法作为调节器，最终使得教学效果趋向教学目标。

（1）探索双语教学方式，逐步取代传统的汉语单一语言的教授方式。一方面，由于自动控制原理中的大部分基本概念与原理的原文都是用英语表述的，只采用中文教授，难以让学生全面掌握，双语教学则可帮助学生全面理解并掌握;另一方面，通过双语教学，使得学生熟悉热工自动控制原理涉及的专业用语，③为学生将来阅读热工自动控制原理的英文文献或撰写英文论文打好基础。

（2）丰富考核方式，调动学生的学习积极性。教学大纲规定了考核方式分为：知识考核占总成绩的80%，主要采用期末书面闭卷考试方式来评定;能力考核占总成绩的20%，其中作业、质疑、课堂讨论和自由选题报告等素质评定占10%，实验课成绩占10%。特别强化能力考核，严格把关考核能力评定各环节，不定期进行随堂测试，并规定能力考核成绩不及格的不能参与期末考试，即使允许参加考试，期末考核總成绩直接记为不及格，从而使得学生高度重视平时的学习，改变“平时不努力，考试靠突击”的学风。

（3）课堂教学以引导学生随堂消化吸收知识点与掌握学习方法为目标，采用多媒体与板书结合的教学手段。多媒体教学可以增大课堂教学内容的信息量大，综合了文字、图形、视频、动画等多媒体的优点，④但绝不能替代板书在展现知识点的发生形成过程中的作用，因此必须有机集合多媒体与板书的教学手段。在涉及理论公式推导时，采用板书，通过逐步演算加深学生的理解。在讲解根轨迹、响应曲线和奈奎斯特图时，结合板书将图形的绘制过程分步骤呈现出来，从而帮助学生掌握对应的知识点。

（4）为了方便学生答疑，课前预习与课后复习，热工自动控制原理教学过程中积极引入网络教学平台。在网络教学平台中，教师及时上传教学大纲，按课次上传多媒体课件，布置作业与批改作业。学生可以随时提问，教师及时回答疑难问题，大大增强了师生的互动，提高了教学效果。

5 实验教学改革

本世纪以来，控制理论发展迅速，尤其是在非线性控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向取得了突破性的进展，但先进控制理论在实际生产过程中的应用难以推进。因此在热工自动控制原理的教学过程中要强化理论联系实践，课程教研组高度重视热工自动控制原理的实验教学，并对实验教学进行了探讨。

（1）依据热工自动控制原理教学大纲，优化实验教学内容。本课程开设三个设计综合性实验，包括典型环节（热工对象）的动态实验、二阶系统分析实验及线性系统根轨迹分析与频域分析的Matlab仿真与实现实验。由于课时的限制，为了掌握Matlab仿真工具，安排学生利用课外时间进行四个验证性实验。

（2）由任课老师与实验室老师共同承担实验教学，推倒课堂教学与实验之间的传统壁垒。任课老师可以根据学生上课与作业情况，知晓学生对知识点的掌握程度，在实验过程中指导学生，而后根据学生在实验教学过程中存在的问题，及时调整教学内容与方法，从而使得课堂教学与实验教学相互促进。

6 总结

近几年的教学过程中，课程教研组对“热工自动控制原理”教学改革进行了探索，分别从教学大纲的修订、教案讲义的更新、教学内容的调整、教学方式与方法的优化以及实验教学改革等方面进行了深入改革。通过热工自动控制原理的教学，加深了学生对热工控制系统的分析与设计理论知识的整体认识，提高了学生的工程实践能力，提升了教学效果，为热能与动力工程专业以及建筑环境与设备专业的学生奠定了重要的专业基础知识。

*通讯作者：谢七月

注释

①陈绍炳，于向军.热工过程自动控制原理[M].东南大学出版社，2003.

②李可，赵德安.自动控制原理课程教学改革探讨[J].科教导刊，2014.9（中）：170-171.

③黄永红.热工自动控制原理课程多媒体双语教学实践与研究[J].中国科教创新导刊，2009.26（11）：142.

④郭晓光.多媒体教学与板书教学的再认识[J].中国教育学刊，2014.2：71-74.