自動控制原理課程教學(xué)改革研究
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進入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動控制技術(shù)在我國國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要，我國大部分本科院校，包括許多大專院校的電氣信息類專業(yè)都將自動控制原理作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課進行開設(shè)。該課程的任務(wù)是通過對控制理論知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的分析設(shè)計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。該門課程的特點是理論性強、概念抽象、與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密、理論和實踐聯(lián)系密切等。本門課程對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高，內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路、電機與拖動等課程，還要求學(xué)生有很強的計算能力，學(xué)生普遍認(rèn)為自動控制原理課程學(xué)習(xí)起來很困難。各高校針對自身辦學(xué)定位、生源質(zhì)量等情況對該課程的教學(xué)進行了一系列的改革與研究。[1-3]大慶師范學(xué)院（以下簡稱“我?！保樾律究圃盒?，學(xué)校定位為特色應(yīng)用型本科院校。針對我?，F(xiàn)階段培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神應(yīng)用型人才的要求，以及我校自動化專業(yè)在校學(xué)生的實際情況，本文探討適合我校自動化專業(yè)自動控制原理課程的教學(xué)方式方法。
一、理論教學(xué)改革
根據(jù)自動控制原理課程理論性強、工程應(yīng)用背景廣泛、涉及的知識面寬等特點，為了能夠把控制系統(tǒng)的抽象概念、動態(tài)過程形象地表現(xiàn)出來，認(rèn)真對課程內(nèi)容進行設(shè)計安排，采用靈活多樣的教學(xué)方式，以便于學(xué)生理解和掌握。課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生積極質(zhì)疑，由被動受教轉(zhuǎn)為積極參與，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。自動控制原理內(nèi)容較多，教學(xué)中力求把每章節(jié)的內(nèi)容在結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)聯(lián)系起來。講授中多列舉實際工程中的應(yīng)用實例，將枯燥的理論知識與實際聯(lián)系起來。穿插一定的習(xí)題課、討論課，鞏固講授過的基本理論知識；培養(yǎng)學(xué)生的解題能力和技巧；使學(xué)生學(xué)會對系統(tǒng)的分析；明了結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動、靜態(tài)性能之間的關(guān)系；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。通過課外答疑、網(wǎng)站輔導(dǎo)等形式形成教與學(xué)的互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課堂教學(xué)中，運用板書講解、多媒體演示、GUI輔助教學(xué)等多種教學(xué)手段相結(jié)合。對公式的推導(dǎo)和定理的證明采用板書+多媒體講授的方式，涉及計算和畫圖的環(huán)節(jié)教師可以用板書詳盡地給出一個例子，使學(xué)生掌握解題方法和過程。充分利用多媒體手段的優(yōu)勢，將抽象的概念具體形象地表現(xiàn)出來，將控制理論的最新研究成果和動態(tài)介紹給學(xué)生。對于控制系統(tǒng)的分析與圖形的繪制則采用自主開發(fā)的GUI（GraphicalUserInterface，圖形用戶界面）輔助教學(xué)系統(tǒng)。圖形用戶界面是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。GUI輔助教學(xué)系統(tǒng)主要內(nèi)容為系統(tǒng)模型建立與轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)的時域分析、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的根軌跡分析等。在GUI輔助教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用MATLAB軟件的圖形界面設(shè)計軟件包使計算結(jié)果圖形化，能更直觀地理解調(diào)整參數(shù)時系統(tǒng)性能的變化方向，省去繁瑣的計算過程，幫助學(xué)生更好地理解系統(tǒng)的控制過程，掌握參數(shù)的調(diào)整方法。仿真軟件可以在課堂上進行演示，直觀明了地看見系統(tǒng)分析、設(shè)計、校正的過程，加強理解，可以很好地起到輔助教學(xué)的目的，顯著提高了教學(xué)效果。雖然我校是新升本院校，學(xué)生整體素質(zhì)不能與重點院校相比，但也有優(yōu)秀學(xué)生希望在本科畢業(yè)后能夠繼續(xù)讀研。因此，在教學(xué)中也不能忽略這部分拔尖學(xué)生的考研需求。課堂教學(xué)中還是以大多數(shù)同學(xué)為主，課后作業(yè)則為這部分同學(xué)提供選做題目，在習(xí)題課、輔導(dǎo)答疑等環(huán)節(jié)加強考研知識的講解。同時，在大三下學(xué)期和大四上學(xué)期專門對考研學(xué)生進行輔導(dǎo)，取得了較好的效果。
二、實踐教學(xué)改革
實踐教學(xué)是高等學(xué)校根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，有計劃地組織學(xué)生以獲取感性知識、進行基本技能訓(xùn)練、增強實踐能力、培養(yǎng)綜合素質(zhì)、提高獨立工作能力和科研實驗?zāi)芰槟康牡亩喾N教學(xué)形式的統(tǒng)稱。實踐教學(xué)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。針對我校當(dāng)前應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，以人才培養(yǎng)的目標(biāo)為核心，在本課程的教學(xué)中著重加強了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實踐教學(xué)，使學(xué)生加深對課程內(nèi)容的理解，從實踐上驗證所學(xué)的理論知識；培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析問題解決問題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。
1.實驗教學(xué)改革
實驗教學(xué)改革的第一步就是更新了實驗設(shè)備。新的實驗系統(tǒng)中采用模擬電路構(gòu)成實驗單元，各模塊具有擴展性，學(xué)生可以自己重新設(shè)計。通過虛擬示波器實時觀測實驗結(jié)果，及時調(diào)整實驗臺的電路。同時在實驗系統(tǒng)的計算機中安裝了Matlab軟件，學(xué)生可以按實驗結(jié)果，及時更改設(shè)計方案，并在線仿真研究，改善了實驗教學(xué)效果。在現(xiàn)有的“驗證實驗+設(shè)計實驗”的基礎(chǔ)上，加大設(shè)計性、綜合性實驗的比例，依托現(xiàn)有的自動控制原理實驗臺，將仿真實驗穿插于常規(guī)實驗中。實驗項目，采用硬件和軟件相結(jié)合的辦法，即采用自動控制原理實驗臺進行模擬仿真實驗項目，采用MATLAB和Simulink進行計算機數(shù)字仿真，適當(dāng)安排學(xué)生采用計算機仿真（數(shù)字仿真）來模擬各種類型系統(tǒng)的工作，用MATLAB語言對系統(tǒng)進行計算，研究不同參數(shù)的PID調(diào)節(jié)和對系統(tǒng)動態(tài)特性，靜態(tài)特性的影響，進行全面的訓(xùn)練。學(xué)生在完成由實驗教師安排的一些必要的基本技能訓(xùn)練實驗后，可以自己設(shè)計實驗條件允許的綜合性和創(chuàng)新性的開放式實驗。不管是常規(guī)實驗還是開放式實驗，都要對學(xué)生進行嚴(yán)格要求，規(guī)范學(xué)生實驗秩序，提高學(xué)生邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。實驗中要求學(xué)生正確使用實驗所需的各種電子儀器；掌握常用信號的物理可實現(xiàn)性；具有正確處理實驗數(shù)據(jù)、分析誤差的能力；能獨立寫出有理論分析、實事求是、文理通順、字跡工整的實驗報告。
2.加強課程設(shè)計環(huán)節(jié)
自動控制原理課程理論性較強，課程設(shè)計作為課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是將所學(xué)理論知識與實踐結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，是教學(xué)計劃中綜合性較強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠使學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義。課程設(shè)計時間為一周，由學(xué)生獨立完成一項題目的設(shè)計。使學(xué)生在課程設(shè)計過程中掌握自動控制系統(tǒng)設(shè)計與綜合，系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)調(diào)試的基本技能與方法，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和探索的優(yōu)良習(xí)慣，增強其學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)其工程意識和創(chuàng)新精神。
3.提高實踐教師教學(xué)水平
具有創(chuàng)新能力、較高學(xué)術(shù)水平、豐富的實踐經(jīng)驗的師資隊伍是提高學(xué)生實踐能力的根本保障。目前在高校中還普遍存在重理論輕實踐的思想，實踐教學(xué)往往不受重視，這導(dǎo)致優(yōu)秀教師資源相對集中在理論教學(xué)與研究上，而實踐教師隊伍相對薄弱。針對這種情況，建立了實踐教學(xué)激勵機制，吸引廣大教師積極參與實踐教學(xué)和研究，建立了穩(wěn)定的實踐教師隊伍。建立了“產(chǎn)學(xué)研”教師培養(yǎng)機制，加強教師業(yè)務(wù)素質(zhì)鍛煉。針對隊伍年輕、實踐經(jīng)驗少的特點，結(jié)合科研方向，建立了科研團隊，提高實踐教學(xué)水平。
4.完善實踐教學(xué)管理體系與實踐教學(xué)質(zhì)量保障體系
為保證應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，完善了實踐教學(xué)管理與質(zhì)量保障體系。對學(xué)生實驗成績評定等實踐教學(xué)制訂考核措施與評價標(biāo)準(zhǔn)，將實踐教學(xué)考核成績納入學(xué)生學(xué)期成績，保證培養(yǎng)質(zhì)量。實踐教學(xué)質(zhì)量保障體系對實踐教學(xué)計劃的制訂、實踐教學(xué)活動的實施、實踐教學(xué)的評價等各個環(huán)節(jié)實施監(jiān)控，完善了教師實踐教學(xué)質(zhì)量考核制度，實行實踐教學(xué)考核一票否決制。
三、結(jié)語
通過以上措施的實施，自動控制原理課程教學(xué)質(zhì)量得到提高，教學(xué)效果得以改善，尤其是學(xué)生的實踐能力方面，這對應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到有效的推進作用，提高了學(xué)生的就業(yè)競爭力。目前的自動控制原理課程改革取得了一點成績，但教學(xué)改革永無止境，根據(jù)我校自動化專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，將進一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，不斷改進教學(xué)方法，進一步完善課程網(wǎng)站，使之實現(xiàn)課件下載、在線測試、輔導(dǎo)答疑、交流學(xué)習(xí)等功能，使本課程在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷提高，把自動控制原理課程建成精品課程。
作者：王艷芹 崔峰 李瑞英 單位：大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院