“能源与动力工程”专业自动控制课程实践教学探讨

强彦　徐晓冬　魏列江

[摘 要]“能源与动力工程”专业自动控制课程的实践教学内容和教学方法在实践中不断改革。对于这种交叉学科的实践教学，应做到实践课程与理论课程紧密融合;结合“能源与动力工程”专业特色，实践课程中应设计与专业相关的实践内容;整合专业内课程资源，进行课程深度拓展。

[关键词]能源与动力工程 自动控制 实践教学 探讨

[中图分类号] G423[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）12-0157-02

2012年教育部新版高校本科专业目录中将“热能与动力工程”调整为“能源与动力工程”。“能源与动力工程”致力于传统能源的利用及新能源的开发，以及如何更高效地利用能源。“能源與动力工程”专业主要培养在能源转换与利用和热力环境保护领域具有扎实的理论基础，较强的实践、适应和创新能力，较高的道德素质和文化素质的高级人才，以满足社会对该能源动力学科领域的科研、设计、教学、工程技术、经营管理等各方面的人才需求。“能源与动力工程”专业的学生应具备宽广的自然科学、人文和社会科学知识，热学、力学、电学、机械、自动控制、系统工程等宽厚理论基础，以及热能动力工程专业知识和实践能力，并掌握计算机应用与自动控制技术方面的知识。

“能源与动力工程”专业中无论是传统专业方向（如水利水电动力工程方向）还是新兴专业方向（如新能源开发和研究方向），都对自动控制技术和实践能力要求颇高。因此，如何针对“能源与动力工程”专业特点改革自动控制类实践课程的教学方法、教学内容和教学模式，对学生掌握自动控制技术基本理论和提高学生专业实践能力具有重要的指导意义，并能达到一举两得、融会贯通的教学效果。

在办学过程中，多家就业单位提出需要具有测控基础的能源与动力工程人才，社会需求提示我们，依托国家级特色专业和能源动力工程的行业背景，针对能源动力工程领域的不同测控对象，应该改革自动控制实践课程的内容，使自动控制实践课程成为一门有针对性的务实课程，其中的改革方法和改革经验也会为其他的交叉学科的实践教学提供重要的借鉴意义。

一、实践教学与理论教学相结合——自动控制实践课程要与自动控制理论课程紧密融合

大多数高校的能源与动力工程专业均开设自动控制原理课程，根据专业方向要求不同在学时内容上也稍有差别。如该课程分别可设置为64学时和48学时，其课程内容主要以经典控制理论为主，重点讲述线性系统的时域分析和频域分析等内容。自动控制原理实践课程是在理论课程的基础上开设的，旨在使学生对经典控制理论有更直观、更深刻的认识和理解，同时结合自己的专业课程背景将这门实用学科应用到自己的专业领域。

结合理论教学内容，实践课程的其中一部分重要内容应是对理论教学内容的验证、分析和再理解。根据自动控制的基本理论，实践课程的基础内容可以根据需要由以下一些内容组成：

1.在实验室用电路元件搭建常用的典型控制环节——让学生直观认识理论课中讲述的各种形式传递函数所对应的实物模型;

2.观察典型系统的动态特性并测试稳定性，同时分析系统特征参数对系统性能的影响——让学生利用示波器这种最常用的电子测量仪器，在时域中分析系统响应随着时间的变化规律，并分析几个重要的响应参数的物理意义，以及它们与理论计算公式之间的对应关系;

3.观察系统零极点对系统性能的影响——与理论课程中的根轨迹内容相对应并加深理解;

4.对典型系统的频率特性进行仿真——理论课程中，频域分析方法是学生掌握起来感觉最为吃力的部分，通过实验方法测量系统的幅频和相频曲线，能使学生对抽象的理论知识有更直接的了解;

5.对线性系统进行校正——系统校正是理论课程中非常重要的一部分，实验中验证不同校正方式对系统性能的影响，使学生对校正方法的掌握更加牢固;

6.引入被控对象构建简单的控制系统，让学生了解控制系统的工程应用、工作机理和调节方法等。

通过基础理论的实践教学，实现真正的理论课程指导实践课程，实践课程反馈理论课程的效果，使学生的知识体系形成一种双向反馈的、理论与实践紧密互动的认知模式。

二、针对专业特色——结合“能源与动力工程”专业特色，实践课程中应设计与专业相关的实践内容

能源与动力工程专业要求学生掌握现代能源科学技术，信息科学技术和管理技术，能够从事热能动力设备及系统的设计、运行、自动控制、信息处理、计算机应用、环境保护、制冷空调、能源高效清洁利用和新能源开发等工作。自动控制原理有别于“能源与动力工程”专业的其他基础课程，如流体力学、工程热力学等，是一门跨专业的基础课程，但它是学生日后工作和继续研究的必要科目之一。

如何根据专业方向特色在实践课程中适当加入与专业内容密切相关的实验内容，是使学生认识并学好这门跨专业基础课程的关键，同时，这一实践环节也能使学生将自动控制原理应用于自己的专业知识中，对不同专业课程的融合掌握具有一定的启发作用。

根据“能源与动力工程”专业的不同方向，结合各专业方向中特有的被控对象，在实践环节中增加对这些特殊被控对象的控制和调节作用。如对流体传动与控制方向的学生，增加利用液压阀作为执行元件的控制系统实验，推导液压阀的数学模型，观察它的响应特性等;对流体机械及工程方向的学生，增加水轮机转速调节的实验，观察控制器参数改变对系统性能的影响;对风能与动力工程方向的学生，增加风力机变桨控制实验，使学生掌握通过测量风向变化控制风力机叶片方向改变的基本方法等。通过上述实验，一方面让学生复习了自动控制原理的理论知识，另一方面，使学生将控制理论直接运用到自己所学的专业知识当中，对基础知识有了针对性的认识。

实践课程的一个小变革，实际体现的是一种教学的新思路和新方法，实践教学可以作为理论教学的点睛之笔，这种知识体系结构犹如一座金字塔，我们可以把它称为“金三角体系”，整个构造的知识体系如图1所示。虽然实践课程在整个知识体系中所占的比重有限，但合理有效地设置实践课程的形式和内容可以使学生的整个知识体系更加牢固。

图1   “金三角体系”知识结构

三、实践课程深度拓展——整合专业内课程资源，结合校内外丰富的实践资源，鼓励学生自我思考、自我创新

随着学校的日益发展，学校实验资源日益丰富，学生使用实验资源的自由度逐步提高。现在很多高等学校实行实验室开放制度，鼓励学生在自我思考的基礎上开展开放性实验。对于自动控制原理的实践课程教学，也可以逐步对学生开放实验室，鼓励学生自我学习。

同时，国家对高校科研项目的支持逐年加大，很多国家项目（如“973计划”、“国家自然科学基金”等）在项目实施的过程中都在国家基金的资助下建设了很多的实验基地，如果能在项目完成后将这些实验基地和实验设备用于学校的教学环节，实际上是提高了这些实验基地和实验设备的利用率，同时也使国家的扶持投资资金得到了更大的回报。以我校的具体情况为例，2006年我校承担了国家“973计划”——大型风力机的空气动力学基础研究，并建立了风力机外场实验基地。在自动控制的实践教学中，针对“风能与动力工程”专业学生，我们利用该项目的实验风力机进行拓展性实验，学生可在外场环境中对风力机的偏航和变桨控制等有很直观的认识，而且我们的控制程序是开放的，可以鼓励学生自我创新，通过编程实现更好的控制策略。拓展性实验不仅使学生将理论知识和自己的专业方向很好地结合在一起，同时也是增加学生学习兴趣的一种很好的途径。

另外，校外实习基地是学生参与实践，实现创新的重要平台。不只是对于自动控制原理这一门实践课程，专业的大多数实践课程内容都可以在实习过程中体现出来。加强特色实习基地建设，不仅能使学生加深对学校理论课程和实践课程的认识，同时丰富学生的思维方式，对学生的自我创新具有推进作用。

综上所述，如果能将自动控制原理实践课程很好地结合自动控制原理理论课程，并有专业方向针对性地开展学科交叉实验，同时在校内开放实验和校外的实习过程中有所体现，就能够使学生的知识结构形成网状构造，有利于学生融会贯通，学以致用。通过对这一门跨专业实践课程教学内容和教学方法的探讨，其得到的具体教学效果和教学经验也可应用于其他跨专业实践课程的教学中，从而使实践课程在整个本科教学过程中发挥最大的教学作用，并实现更好的教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 田思庆，吴桂云.“自动控制原理”课程的教学研究与实践[J].电子电气教学学报，2008（2）.

[2] 袁安富，张伟.《自动控制原理》课程教学改革与创新的探讨[J].中国电力教育，2008（6）.

[3] 严利，熊朝坤，余波.热能与动力工程专业自动控制原理课程教学探讨[J].高等教育研究，2009（4）.

[4] 2012教育部新颁高校本科专业目录[DB / OL].新浪教育，2012（10）.

[责任编辑：钟 岚]