自动控制原理课程教学方法研究与探讨

胡 涛

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

1 自动控制原理课程特点

1.1 重要的学科核心基础理论课程

自动控制原理是一门自动化领域的重要基础理论课程。其涵盖的自动控制技术极其广泛地应用于各行各业，极大地提高了人们的生活水准。该课程通过运用数学理论的归纳阐述，独立成为控制领域的理论课程。该课隶属于学科核心理论课程，它有利于学生对自动化类专业知识体系的全面了解与掌握，有利于学生后续专业基础课程的学习。它不仅能够为学生日后工作中解决自控性问题，指引专业性的思维方向，而且能够为学生毕业后再深造提供基础性理论保障。

1.2 教学内容知识点较多

自动控制原理中较大篇幅的内容属于控制理论中的经典理论，其主要内容包含了控制系统的数学模型、线性系统的分析方法、线性系统的校正以及非线性系统的分析。而线性系统的分析方法中又细分为线性系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法；线性系统的校正中包含了线性系统的分析与校正与线性离散系统的分析与校正。上述都是自动控制原理课程中重要的教学内容，因此，自动控制原理涉及的知识点较多，使课时显得相对较紧。

1.3 课程的理论性较强

该课程教学的主要内容是基于数学模型及数学公式的推导，计算量较大且计算技巧要求较高，并且需要运用不同的数学工具与手段。因此，其教学内容及教学过程显得乏味无趣，难以引发学生的学习热情，需要通过教学改革来提升学生的学习效果。

2 教学中出现的主要问题

2.1 学习内容繁杂

自动控制原理课程的学习内容涉及广泛，知识点多且抽象，大多脱离了学生生活中的常识与经验认知。由于内容较多，造成该课程教学学时相对较紧，学生课后复习面也较广并难以消化，从而导致该课程的平均考核成绩相对不高。

2.2 理论较深并难以理解掌握

教学内容数学推导、数学工具及定理较多，仿佛与实践中的具体事物联系不大。这些都造成了学生在学习过程中感觉枯燥无味、晦涩难懂，感觉理论较深并难以理解掌握，从而产生畏学的心理。

2.3 课堂学生参与度不高

由于课堂教学以理论传授与数学推导为主，导致学生的学习兴趣不大，并且在课堂上能够参与讨论的程度不高。如何引导学生思考与课堂学习互动，值得深入探讨。

3 自动控制原理对学生能力的综合培养

自动控制原理课程重点培养学生对控制系统的综合分析与设计能力、理论研究水平、独辟蹊径的创新能力以及理论联系实际的综合实践能力，为解决自动化领域复杂性工程问题提供理论与实践参考，能够帮助学生了解与掌握自动化类的专业方向，提高其专业的理论水平和实践能力。

具体应使学生熟练掌握复变函数的基本运用、掌握自动控制原理的基本概念与定理，掌握经典控制理论的主要内容，并能够运用其基本理论对具体系统对象进行分析与设计，并能够改进及校正系统的结构参数，满足实践中的特需要求。使学生具有定量计算、数据处理、定性分析、归纳总结、灵活应用等能力，使学生具备在一系列数据分析处理中能够正确评估、分析与总结，得出相应科学结论的能力。

4 教学方法的改进与探讨

本文结合自动控制原理的实际教学经验，并结合该课程的特点，总结出7个在教学过程中值得关注的要点。

4.1 教材的选择

拥有一本优秀的教材，往往是通向成功学习的捷径。教材若能够深入浅出地阐述原理与举出实例，常常能够让学生易于理解及掌握要点与难点，并能够举一反三和灵活运用。选用了自动化行业内口碑甚好的胡寿松版《自动控制原理》，该教材能够涵盖本学科的基本知识，其知识与概念阐述清晰易懂，能够培养学生的自学能力与独立思考的能力。

4.2 教学内容与教案的合理制定

依照教材对实际的教案进行了编写与改进，并根据我校的实际学时进行了增补与取舍，教学内容包含了控制系统的数学模型、线性系统的分析方法、线性系统的校正以及非线性系统的分析等《自动控制原理》中经典部分的主要内容。

在教案的编排中增加了例题讲解与案例分析，当堂讲解理论知识在实例中的应用，使理论学习不再虚无缥缈和晦涩难懂，从而提高学生的学习热情。

4.3 划分教学目标模块

将教学内容进行分类与规划，可以清晰教学思路，进一步总结教学的重点与难点，让任课教师能够思路清晰，知道“教什么”与“培养什么”之间的关系，以及让学生知道要“学什么”与“锻炼什么能力”之间的内涵。

本课程根据本科教育工程认证的相关理念，划分出“工程知识”“问题分析”“设计开发方案”“研究”等能力培养模块。具体分别体现为“了解与掌握自动控制原理的基本知识点与概念，能够建立线性连续定常控制系统的数学模型，能够用复数方法、时域法与频域法计算线性控制系统的基本特性与参数”“能够熟练掌握经典控制理论的分析方法，运用时域法、频域法与根轨迹法对实际的线性连续控制系统进行建模与深入分析，并对原系统的性能进行改进与校正”“根据实际控制对象，并结合具体的特定要求，能够运用时域法、频域法与根轨迹法对现场所需的控制系统进行设计与开发”“能够应用已有的自动控制经典理论对未知模型及参数的系统进行理论分析与研究”。

4.4 总结教学内容的重点与难点

明确教学内容的重点与难点可以辅助任课教师“怎样教”，以及辅导学生“如何学”，即明确攻坚方向。根据教学大纲，以下节选了《自动控制原理》中的重要章节，对其教学内容的重点与难点进行了总结与概括。

在“线性系统的根轨迹法”中，教学内容的重点为系统零点、极点、主导极点的概念；根轨迹法的基本要点；典型系统根轨迹的绘制。难点是系统根轨迹的绘制；根据系统根轨迹的走势分析系统的稳定性及相关参数。

在“线性系统的频域法”中，教学内容的重点为频域法的基本要点；波特图与奈奎斯特图的绘制；奈奎斯特稳定性判据与应用；超调量、调节时间等参数与系统的开环及闭环频率特性相关参数之间的关系。难点是通过开环频率特性分析系统的动态及静态特性；通过频率特性分析系统的稳态特性及相关参数。

4.5 合理增加数学定理与工具的讲解

在自动控制原理课程的教学过程中，对常用的数学定理与工具——例如，傅立叶变换、拉普拉斯变换以及Z变换等进行详细讲解，使学生运用相关数学工具的能力得以提高，消除其畏学、怕学的情绪，从而提高学生学习的自信心。

4.6 增强学生的课堂互动

在自动控制原理教学过程中，合理提出问题与假设，课堂上让学生独立思考，提高其学习关注度，增强其学习主动性。结合具体的实际例题与案例，讲解某些条件下的解题过程及应用，再给出其他条件，引导学生独立思考和融会贯通，并由此培养其学习兴趣，从而达到良性循环的学习效果。

4.7 考核方式的改进

除了卷面考试、作业之外，还将课堂互动、学习报告也纳入课程期终的考核范围。在本课程考核中，除了期末考试的卷面成绩之外，平时成绩占据百分之三十，其中包含了作业、课堂互动、学习报告、调查报告或PPT等，极大地丰富了学生的学习方法与学习手段，大大增强了学生学习的主观能动性。

5 结语

在教学过程中经过上述教学摸索与方法总结，能够提高学生的学习热情与兴趣，使其由“要我学”转变为“我要学”，提高了其学习上的主观能动性，从而使学生的学习效果得到有效地提高。