机械专业“自动控制系统”教学体系改革研究

卢晓红　王殿龙　陈星　任宗金

摘要：面向机械专业学生开设的《自动控制系统》课程，应该有别于面向自动化和电气专业的《电力拖动自动控制系统》或《自动控制原理》，应该是控制工程、机械测试技术等课程的出口，为后继的毕业设计提供必要的理论基础，使学生掌握分析解决工程问题的能力。在调研国内外高校开设的自动控制相关课程基础上，通过改革课程知识体系，改良教学内容，初步形成了课程知识体系及教学内容建设方案；推行案例教学及Seminar教学模式；采用闭卷考试、seminar成绩评定及平时成绩考核相结合的课程考核方式。最终实现培养学生自动控制创新思维和实践能力的目标。

关键词：自动控制系统；机械专业；Seminar教学；考核

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）03-0084-02

在美国，很多知名大学机械工程系都开设自动控制相关课程。具体如下：普渡大学开设《自动控制系统》（Automatic Control Systems）和《制造过程的计算机控制》（Computer Control of Manufacturing Processes）课程；普林斯顿大学开设《微处理器测量/控制》（Microprocessors for Measurement/Control）和《现代控制》（Modern Control）课程；康奈尔大学开设《反馈控制》（Feedback Controls）和《多变量控制理论》（Multivariable Control Theory）课程；伊利诺伊大学开设《工业控制系统》（Industrial Control Systems）和《机械系统计算机控制》（Computer Cntrl of Mech Systems）课程；佐治亚理工大学开设《制造系统的微机控制》（Microprocessor Control of Manufacturing Systems）课程；密歇根大学安娜堡分校开设《自动控制》（Automatic Control）；加州伯克利大学开设《反馈控制系统》（Feedback Control Systems）和《现代控制系统》（Advanced Control Systems）；加州理工大学开设《闭环控制》（Closed Loop Flow Control）和《反馈及控制电路》（Feedback and Control Circuits）；斯坦福大学开设《反馈控制设计》（Feedback Control Design）和《控制设计技术介绍》（Introduction to Control Design Techniques）。在国内有100多所大专院校都面向机械专业本科生开设自动控制、微机控制相关课程，其中清华大学精密仪器系面向本科生开设《数字控制技术》；浙江大学面向机械电子工程专业开设《微机控制技术》。通过上述分析可以看出，面向机械专业学生开设的《自动控制系统》课程，应该有别于面向自动化和电气专业的《电力拖动自动控制系统》[1][2]或《自动控制原理》[3][4]，应该是控制工程、机械测试技术等课程的出口，为后继的毕业设计提供必要的理论和实践基础，使学生掌握分析解决工程问题的能力。我校是教育部批准实施“卓越工程师教育培养计划”的高校，机械专业是首批进入该计划的专业之一。为贯彻学校对本科生实施精英教育及培养精英人才的整体定位，落实“卓越计划”培养高素质创新型人才的指导思想，我们对现有机械专业的课程体系进行了梳理和调整，以适应工程能力素质培养为主线的“卓越工程师”人才培养模式。其中，《自动控制系统》是机械专业的主干课程之一，其教学效果关系本专业“卓越工程师”的预期能力培养，因此该课程教学体系改革具有重要意义。

一、课程知识体系及教学内容建设

《自动控制系统》课程应结合工业自动化实践，融合控制技术、计算机技术和通信技术，涵盖经典和现代控制理论（“控制工程”中已讲解的经典控制理论只需简单回顾），以工控机为工具，相应的硬件技术和软件技术结合为手段，系统的工程实现为目的，从而实现理论、技术与实际应用相结合。在保证课程基本内容完整性的前提下，根据专业需要确定课程内容，建立完善的、有层次的课程体系。根据课程建设的需要，结合我校专业特点和需要，在总结多年教学经验的基础上，借鉴其他高校自动控制相关课程多媒体教学的经验，增加实际工程案例视频，进一步完善和丰富本课程的教学课件。搜索当前国际上与教学内容相关的先进科研成果与工程实例，将最新的科研成果不断地引进到教学体系中，将课堂教学与科研紧密结合，丰富学生的工程实践知识，提高其知识应用能力。在上课过程中，通过机器人及其控制系统，汽车里的自动控制技术，数控机床，楼宇自动控制系统等视频案例，直观地让学生了解自动控制系统的实用性和先进性。让学生对于自动控制系统中的检测、反馈及控制环节有直观的认识；在学生头脑中形成一种稳固的自动控制理念，培养学生对自动控制知识的应用和创造的能力。在教学过程中重点讲述基本概念、基本原理和基本方法。尤其随着计算机控制系统的发展，在课程中侧重于离散化控制系统的讲授，通过典型示例，强化自动控制系统的工程实际应用，使学生看到的不仅是一个个抽象的传递函数、枯燥的各种变换，更是看到抽象的公式和变换背后的物理系统和工程意义。让学生体会到应用自动控制知识解决具体工程术问题的乐趣，进而激发学生的学习兴趣。

二、案例教学及Seminar教学模式

自动控制系统是工程性极强的一门课程，图例较多，如系统的结构框图、系统动态过程的响应波形、基本单元的控制电路等。通过实验教学可以使学生的知识、能力和素质得到综合培养。但目前自动控制系统实验学时有限、实验设施有限，要改进自动控制系统综合实验系统的建设，需要较大的人力物力投入。由于目前人员资金方面的原因，我们拟增加利用Matlab、Simulink和LabVIEW对控制系统进行分析和设计的内容，制作拓宽性演示实验，建立可视化演示平台，介绍工程实例。不但可以增加教学信息量，而且对插图和课程中的重点和难点反复地进行指点和回顾，便于学生理解和掌握课程内容。另外，学生可在计算机上进行仿真实验，观察控制效果，有利于提高课程的教学质量，让学生多方位、立体式接触新知识，开阔学生的知识视野。使学生深刻理解所学知识，培养工程观念，树立工程意识，为学生后续的专业课学习及参加的工程工作奠定基础。此外，还也能节省实验设备的投资。尝试在授课过程中加入3节Seminar课程，Seminar意译为研讨课[5]。这种教学模式在欧美较多采用，但在我国，还处于探索阶段。可以将学生分成几个小组，授课教师给定题目范围，让学生提出控制方案，从传感器的选择，到控制器的设计，都由学生通过运用所教内容和提供的参考书目自主完成。也可以由学生根据兴趣自由选题，鼓励学生自己查阅文献及网上资源，以达到充分挖掘学生的学习潜能，促进学生解决工程实际问题的能力，为培养研究型人才及工程应用人才奠定基础。

三、课程考核方式及内容的研究

由于闭卷考试的方式评分比较客观、公证，而且期未闭卷考试会促进学生对整个课程内容进行系统深入的复习，闭卷考试的方式仍然在考核中占重要比例，初步确定为60%。与此同时，考虑seminar课程的成绩评定，比例初步确定为30%。seminar评价标准综合考虑学生的查阅资料能力、总结能力、课堂表现能力、语言表达能力、团队合作能力及独立完成科研任务的能力等上面。和助教一起按照各分项打分。此外，平时成绩占10%，考量依据来源于平时的出勤及作业质量。

通过机械专业“自动控制系统”教学体系改革研究，初步形成了课程知识体系及教学内容建设方案；积极推行案例教学及Seminar教学模式；采用闭卷考试、seminar成绩评定及平时成绩考核的课程综合考核方式。《自动控制系统》课程学习过程中，结合国家需求及技术发展趋势激发学生的创造热情；结合科研项目及工程实践进行教学，保证授课内容充实、生动；以任务为导向，对学生进行积极、有效引导。使学生具有广阔的发挥聪明才智的空间，达到培养学生创新思维和实践能力的目的。

参考文献：

[1]王晓琳电力拖动控制系统教学中的探索与实践[J].科技信息，2007，（3）：9-10.

[2]张敬南.“电力拖动自动控制系统”中的仿真教学[J].电气电子教学学报，2010，32（4）：110-112.

[3]周武能，石红瑞.自动控制原理教学改革与实践[J].教学研究，2010，33（1）63-66.

[4]孙昌跃，欧青立《自动控制原理》课程教学设计与实践[J].当代教育理论与实践，2014，6（11）：44-46.

[5]林培锦.Seminar在大学本科教学中的价值及应用[J].宁波大学学报（教育科学版），2010，32（1）：32-36.