基于应用型人才培养的机械类专业自动控制原理特色教学模式探讨

王宪磊 王 伟 裴玖玲 范修文 胡 灿 邹梦丽

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

基于应用型人才培养的机械类专业自动控制原理特色教学模式探讨

王宪磊 王 伟 裴玖玲 范修文 胡 灿 邹梦丽

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

结合机械类各专业的应用型人才培养目标，进行了自动控制原理课程的教学内容、教学方法和教学手段的改革，使该课程的理论与机械工程实际紧密结合，通过机械工程实例的讲解，为学生树立了机械工程意识，提高了学生利用课本知识解决实际问题的能力，提高了该课程的教学质量，培养应用型的合格人才。

机械类；自动控制原理；课程；应用型；教学

1 引言

《自动控制原理》是塔里木大学机械类各专业的一门重要的理论基础课，是专业控制类课程的核心，也是后续课程和以后研究生课程的基础。该课程工程实践性强，知识面广，理论知识和实际联系紧密，若单纯讲解理论，学生学习兴趣不足，如果把理论与工程实际联系起来进行授课，容易引起学生学习的额积极性和主动性。但是现有的自动控制原理教材大部分是基于电类专业背景，缺少与机械类专业的工程实例相结合，且课程教学多为理论分析与推导，与机械类专业所学知识结合困难，因此该课程需要围绕机械类各专业应用型人才培养目标，推行面向机械类专业特色的自动控制原理课程模式，在该课程中培养学生的工程实践意识，培养学生利用自动控制的基本理论去解决机械工程中的实际问题，建立与机械类专业应用型人才培养目标相适应的专业核心课程。

机械类各专业的应用型人才培养目标主要是使学生毕业后侧重面向生产一线，能解决工程实际中的问题，就要要求学生在大学学习期间，就要具备这种能力，自动控制原理课程作为一门技术科学，必须与当地生产一线的机电设备联系起来，要在教学中面向实际工程问题，因此通过该课程的教学模板探讨，实现理论与工程实践相结合，提高学生的实践认知能力，培养应用型人才，更好的服务地方经济发展。

2 教学内容的改革与创新

自动控制原理所研究的对象包括线性系统和非线性系统。主要课程内容包括经典控制理论和现代控制理论。根据学校机械类各专业现状，主要讲解经典控制理论，重点讲解自动控制的概述、系统建模、时域分析法、根轨迹法、频域分析法、稳定性分析，对于系统的校正和设计仅做一简单介绍。对于非线性系统，由于学时关系，不做介绍，让学生自学。

该课程中，经典控制理论部分的数学基础是拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换，因此在教学过程中要适当给学生复习一些数学基础知识，便于和该课程很好的衔接。系统的数学模型对分析系统的性能至关重要，在整个课程中大部分是数学模型和系统分析，在教学过程中重点要讲好数学建模，因为对系统性能分析的准确程度与所建立的数学模型有很大关系，教学中对学生建模思想的讲解至关重要。课程的重点内容是反馈控制系统，在介绍系统的多种类型后，引入反馈控制系统，重点讲授反馈控制系统的概念、特性、工作性能，进一步学习讨论反馈控制系统稳定性的问题。自动控制原理课程的基本原理就是反馈原理，实际上教学活动也要用到反馈概念，教师要在平时的课堂教学中注意观察学生的听课反应，还应当充分利用课间休息时间对学生答疑解惑，要多加强和学生的交流，及时收集学生对该课程的反馈信息，对反馈信息及时消化处理，认真对教学进行优化调整，不断提高教学效果和质量。

时域分析法、根轨迹法、频域分析法是分析系统性能的常用方法，时域分析法是控制系统分析中最为直观、易于理解，是最常用的分析方法，主要内容是一、二阶系统和高阶系统的时域分析，涉及到时域分析的各项指标，使学生对时域分析法达到深入的认识并且会分析具体的系统模型。对于高阶系统的分析要重点介绍高阶系统的降阶处理方法，仅做一简单的分析思路，不做具体分析，对高阶系统的分析，可以通过MATLAB软件，利用计算机来解决复杂问题的分析，这对学生解决实际间题是很有用的。根轨迹法，主要讲授用图解法来分析系统的性能，重点是给学生讲清楚开环极点与闭环极点的关系，从图上直观的讲解系统参数变化对系统性能的影响，结合实际问题，通过举大量实例，利用图解法，分析系统参数变化过程中，系统性能的不同变化，使学生达到深入的理解和处理能力。频域分析法也是在频率特性的图形表示法上，重点是介绍奈奎斯特图和伯德图，学会用频域特性的图形分析系统的性能，并能利用图解法校正系统和设计系统，这对学生以后的工程解决问题能力是非常必要的。

要重视对学生系统设计能力的培养，平时教学内容中，要给学生布置系统设计任务，确定系统设计任务和性能指标，要求学生自行选择设计方法、确定设计方案和思路，设计出符合要求的实际系统。给学生重点介绍MATLAB软件，要求学生初步学会该软件的操作，会利用该软件帮助进行系统设计。

3 教学方法和手段的改革与实践

3.1 精心准备，讲授好绪论

作为课程开端的绪论对整个课程的讲解至关重要，学生首次接触和了解课程的全部都是通过绪论入手，作为控制论基础的自动控制原理课程，必须让学生在首次接触课程的同时，有更广阔的视野，不能让学生认为该课程就是简略的公式推导和作图分析，要充分利用现代的教学手段为学生展示一个异常开阔的视野，以此来激发学生的学习兴趣和激情。要列举大量的实际鲜活控制系统实例，重点要例举机械工程中的实例，以便更好的与专业相结合，引起学生的兴趣，最好能有深情并茂的图片和具体的视频展示，让学生理解自动控制原理课程的重要性，要摒弃传统的简单罗列讲解，要借助多媒体教学，让理论知识与工程实践紧密结合，树立学生理论与实践相结合的思想。在绪论讲解中要循序渐进，举例要从简单的日常生活中的实例，如介绍全自动洗衣机的控制、炉温的自动控制、农产品加工和检测中的控制等，这样的例子学生易懂，再到复杂的高科技领域的例子，比如农业自动滴灌系统的控制、自动导航播种的控制、机器人的控制、人造卫星的控制等，使学生充分明白自动控制的广泛应用。同时，授课中教师可以举例某一个控制系统，让学生自行分析系统结构、组成、控制过程、工作情况等，使得学生用所学的知识分析实际系统，激发学生学习该课程的浓厚兴趣。

3.2 加强对学生数学知识的复习

自动控制原理课程的另外一个难点是涉及到大量的数学知识，对学生的数学基础要求较高。大部分学生厌烦数学理论推导，要学好自动控制原理知识，必须具备一定的数学基础。在自动控制原理中，要用到线性定常微分方程的求解、拉普拉斯变换、傅里叶变换、复数的幅值和幅角的计算等数学知识。大量的数学基础知识常常令学生感到头疼，以至于让学生分不清楚到底是在学自动控制理论还是在学数学，甚至错误地认为控制理论就是数学，特别是对于数学基础不太好的学生更是顾虑重重，没有一点自信心，刚开始学习就被失败的阴影笼罩着，这些学生在学习控制理论的过程中，要不断翻阅数学书籍，不断补充数学知识，在学习过程中时时充满了挫败感，致使有的学生在学习中途放弃学习。所以，在教学过程中，教师要适当地加强对学生数学基础知识的复习指导，在思想上要弱化数学在控制理论课程中的地位，不要给学生加重学习的负担，不要因为数学知识不好使学生放弃课程的学习，应当根据课程的进度，结合讲授内容，有计划地安排好相关数学知识的提前复习，让学生提前补充必备的数学知识，化整为零，给学生创造一个相对轻松的心理环境。对于特别重要的部分，要以应用为原则，适当简化地穿插到课堂教学中。

3.3 以系统分析为主线，以数学模型为基础

整个自动控制原理课程中，数学模型和系统分析的内容占到 80%左右，其中又以系统分析的内容居多，而数学模型的建立是系统分析和系统综合的关键，对系统性能分析的准确性与所建立的数学模型有很大的关系，如果没有了这个数学模型基础，系统分析就成了摆设，为此教师应重点做好数学建模的讲授。同时教师还要注意在教学过程中，应当遵循系统分析这条主线，结合一定的机械工程实例，进行分析训练，重点培养学生的系统分析能力，锻炼学生能用课本知识解决实际的机械工程控制问题。在系统分析能力的培养过程中，通过反复的工程实践分析训练，学生的系统综合能力也会自然而然地提高。

3.4 改善教学手段，利用好多媒体教学

由于自动控制原理课程理论内容多，图形多，信息量大，采用传统的板书教学方式不足以在有限的课程学时内很好的讲授知识，要充分利用计算机辅助教学方式即多媒体教学，进一步提高课堂教学的信息量，利用图片、声音、视频等更直观的辅助讲授课程内容，开阔学生视野，提高学生学习兴趣和积极性。但是由于该课程与数学知识紧密联系，不能单纯采用多媒体教学，要结合课程教学内容，对某些结论的推导过程需要用数学分析方法，这时就要借助于黑板板书，不能用多媒体直接展示，这样才能引起学生重视，可以帮助学生更好地整理数学分析前后的思路，做到思维连贯，使学生加深对内容的理解。因此，在课程教学方式上应该采用黑板教学和多媒体教学相结合的方式，不能太单一，要充分发挥各自的优势，这样才能取得更好的教学效果。

3.5 精选案例，强化学生的机械工程专业背景

以培养机械类专业应用型人才目标出发，该课程的教学中，必须重视案例教学，精选机械工程控制实例，充分体现该课程在机械工程领域的重要性。必须从当地的生产、加工、科研中提取机械工程实例来充实课程教学。如，在讲解自动控制系统分类的时候，讲到程序控制系统，就可以选取机械工程领域中非常重要的加工设备，即数控机床来进行分析，给学生简单介绍数控机床的工程流程，并绘制其控制框图，同时假设数控机床处于开环控制和闭环控制两种情况，分别加以分析优缺点，使学生直观的理解闭环控制的优越性，也明白了自动控制在数控机床中的重要性。也可以举例机械手的控制、工业过程控制、温室大棚温湿度的控制、农产品加工自动化机械、农业自动收货机械、石油化工生产过程控制、造纸、工业窑炉、煤炭开采、道路交通、飞机自动驾驶仪系统等，通过大量的机械工程实例，使学生在学习课程的同时，也强化了学生的机械工程专业背景，体现了该课程在机械类专业应用型人才培养中的重要地位。

3.6 针对机械类不同专业，制作精美课件

由于塔里木大学机械类不同专业的人才培养目标有差异，所以自动控制原理课程学时数各专业也不一致，具体来说机电专业学时数多一些，机制专业学时数次之，农机专业学时数最少。因此，必须根据不同专业，不同学时数，要提炼教学素材，扩展知识信息，制作精美课件。针对不同专业，例举的机械工程实例，也要与专业相结合，在课件中也要体现出来，教师要制作适合自己教学，体现自己风格的课件，不能直接使用网上下载或出版社提供的课件，应该把课件再加工，加入了自己准备的教学素材和案例，体现出教师的教学准备，通过图文并茂的课件，丰富了教学信息，提高了教学效果。

4 结束语

结合机械类不同专业的应用型人才培养目标，进行了自动控制原理课程的教学模式探讨，提出了在课程教学内容、教学方法和教学手段上的一些改进措施，为学生树立了机械工程意识，提高了学生应用课本理论知识分析实际机械系统的能力，提高了课程的教学质量和人才培养。随着自动控制原理的研究不断深入，控制内容不断更新发展，在教学过程中要不断更新教学内容，扩展新知识，探索新方法，力求使学生的知识水平和实践能力都不断提高和进步，不断提高教学质量，培养出合格的工程应用型人才。

［1］ 梁双翼，尹辉俊，宋世柳.面向实践能力培养的《机械工程控制基础》教学探索［J］.装备制造技术，2012，（3）：195-196.

［2］ 宋强，鲍雅萍.机械专业“控制工程基础”课程的教学改革与探索［J］.中国电力教育，2010，（10）：60-61.

［3］ 陈延明.自动控制理论课程教学方法探讨［J］.广西大学学报（哲学社会科学版），2006，（10）：91-92.

［4］ 孟令雅.自动控制理论教学漫谈［J］.电气电子教学学报，2006，（1）：48-50.

［5］ 程淑红.自动控制理论教学改革的思路与实践［J］.教学研究，2006，（5）：433-436.

Discussion on the teaching mode of automatic control principle of mechanical specialty based on applied talents training

Combined with the application type talents of various kinds of machinery professional training target， the automatic control principle course teaching content， teaching method and teaching means reform， make the curriculum theory and mechanical engineering actual close union， through mechanical engineering examples to explain， for students to establish mechanical engineering consciousness， to improve the ability of students to use the textbook knowledge to solve practical problems， improves the teaching quality of the course， the application of training of qualified personnel.

Machinery； principle of automatic control； course； application type； teaching

G642

A

1008-1151（2016）01-0092-03

2015-12-11

塔里木大学高教研究项目（TDGJ1534）。

王宪磊（1983-），男，陕西子洲人，塔里木大学机械电气化工程学院讲师，硕士，从事电气类课程教学工作以及电力系统及其自动化方面的研究。

王伟（1979-），男，辽宁沈阳人，塔里木大学机械电气化工程学院副教授，硕士，研究方向为现代农业机械装备设计理论及关键技术。