“自动控制原理”在核工程与核技术专业教学中的探讨

摘要：从学生认知心理的特点和规律出发，围绕工程应用型创新人才的培养模式，针对武汉大学核工程与核技术专业的“自动控制原理”课程进行教学的探索、改革与实践，优化课程的教学体系和教学内容，采用启发式、自学研讨式和实例贯穿式等教学方法，指导学生建立良好的知识认知结构，激发学生的学习兴趣，从而有效地提高教学质量。

关键词：自动控制原理；核工程与核技术；教学改革

作者简介：郭爱文（1974-），女，湖南双峰人，武汉大学动力与机械学院，讲师；余亮英（1976-），女，湖北新洲人，武汉大学动力与机械学院，讲师。（湖北 武汉 430072）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0101-02

在世界经济发展的新形势下，能源是影响各国可持续发展的关键。为应对气候变化，更好地节能减排，确保生态平衡，低碳经济成为人类环保的共同目标。从2007年开始，国务院正式批准《核电中长期发展规划（2005-2020年）》，明确了发展目标。中国核电的快速发展，势必需要大量的核电人才，以应对核电产业链当中各个环节人才的短缺与需求，而核电人才培养也将成为加速中国核电事业发展的关键。[1]为适应我国能源结构调整和核电的快速发展，武汉大学依靠自身强有力的师资水平和办学实力，于2008年开设了核工程与核技术专业，并通过校企合作等培养模式，为中广核等工程单位培养输送了新鲜血液。

武汉大学（以下简称“我校”）的核工程与核技术专业主要研究核能安全利用、核电站运行优化与自动控制。因此“自动控制原理”课程是动力与机械学院核工程与核技术专业的基础课程之一，对学生学习后续课程“核电站仪表与控制”、“压水堆核电站控制”以及大学生节能减排科技活动等都有着重要的影响。“自动控制原理”课程旨在研究自动控制系统的建模、分析与设计的基础理论和方法，具有理论性强、概念抽象等特点。如何有效针对核工程与核技术专业的学生实际，将学生的数学基础、专业理论及工程实践有机地结合起来，提高教学质量是笔者进行教学改革探索的目的。本文结合武汉大学核工程与核技术专业的建设，将“自动控制原理”课程在该专业教学和培训中的应用进行了实践与研究。

认知心理学是以信息加工为核心的心理学，它吸收了信息论、控制论、系统论和计算机科学等当代最新理论和科技成果的精华，用实验方法和信息加工观点研究心理过程。[2]核工程与核技术专业本身就是一门实践性很强的学科，经过近几年的教学探索，笔者从学生认知心理的特点和规律出发，建立一套以互动―实践―创新为主线的教学模式。一方面，采用形象化的教学手段，并结合核工程与核技术的专业实际，将控制系统理论进行深入浅出的剖析；另一方面，针对专业实际，合理优化教学内容，并以大学生节能减排大赛为契机，激发学生自主学习能力、实践创新能力和团队协作能力，以适应社会对工程应用型本科创新人才培养的需求。

一、形象化教学手段

根据核工程与核技术专业的教学大纲要求，“自动控制原理”基础课程开设在第4学期，而此时学生对于控制系统的概念几乎没有任何的感性认识，更没有机会在实际现场亲身体验自动控制系统。针对这一特点，为了加强核工程及核技术专业对“自动控制原理”课程的认识，笔者对学生开设了1～2学时的“走进自动控制”的视频感官认识课程，不仅可以激发学生对“自动控制原理”的感性认识，理解学有所用，同时还可以带领学生梳理之前学过的基础课程，如“电工学”等，让学生回想此前学过的概念、理论和方法，给学生建立系统的观念。

根据核工程与核技术专业发展需求，武汉大学建立了核电仿真研究中心。授课教师在教学过程中可以充分利用专业实验室资源，让课堂走进实验室。教师利用虚拟仿真现实技术和多媒体设备，将复杂抽象的理论知识用多媒体进行展示，并通过编制三维动画等方式来丰富课程内容和表现形式，变常规的黑板教学为实体化教学，使过去因无法看到实物而抽象难学的内容变得具体形象。例如，在“自动控制原理”课程中讲解系统建模时，笔者利用核电站流程Flas、实物图等方式，[3]讲解核岛结构，并以反应堆压力容器的工作原理为例，利用虚拟仿真现实技术对反应堆压力容器的工作过程进行三维模拟，学生不仅较好地掌握了系统建模过程，同时也更直观、更形象、更全面地领会了控制系统的反馈原理。利用核电仿真研究中心这一平台，笔者在讲授过程中，将控制理论中的系统建模、反馈概念、方框图等理论知识与压水堆核电站中的温度控制、燃料控制等工程实际相结合，引导学生对实际控制系统的各个组成部分进行分析。这种结合专业特色的“自动控制原理”教学手段不仅极大地激发了学生的学习热情，也使学生更加深入地理解了“自动控制原理”课程中一些理论性非常强的知识点，对学生后续课程知识的学习奠定了良好的基础。图1为采用Flas方式演示的核电站流程原理。

在讲解时域分析、频域分析和系统校正等重点难点内容时，教师在课堂上直接应用Matlab/Simulink作为控制系统CAD。[4]在教学过程中适当地现场演示由Matlab编程实现的各变换域分析结果，利用虚拟仿真对系统的稳定性以及性能指标进行计算，避免计算和绘图中的错误。与此同时，教师选定适当的教学内容，比如Nyquist稳定性判据部分，通过启发式教学方式，学生通过参与式学习方式，鼓励学生课外自主学习、自己编程、小组讨论，最后选派代表上台结合仿真图形进行讲解。对于学生讲授中的不足之处，教师再加以补充完善。这种教学方式极大地调动了学生自主学习的积极性，化被动学习为主动学习，活跃了课堂氛围，显著地提升了课堂授课效率。

二、优化教学内容

1.数学基础知识的补充

“自动控制原理”中包含许多数学基础，主要是以复变函数和常微分方程为数学工具。针对核工程和核技术专业的课程设置中没有开设复变函数课程这一特点，教师应该在引入传递函数概念之前，简洁明了地介绍拉氏变换；在讲解Nyquist曲线时，引入复变函数当中的保角映射等基本数学知识点，这样有助于学生在“自动控制原理”课程当中对相应概念的理解和基础知识的加深。

2.加强课程内容之间的有机结合

“自动控制原理”课程的精髓是以“稳、准、快”为主线。对于任何一个控制系统而言，稳定是第一要义，这一点与核电工业生产当中的“安全稳定”宗旨是不谋而合的。在课程学习的过程中，无论是时域分析、根轨迹分析、频域分析都涉及到系统稳定性的分析。对于初学者而言，往往将各个章节单独学习，尚不能形成系统学习的概念。而实际上，“自动控制原理”中的连续控制系统各部分是相互关联的。教师在教学当中应当引导学生不要孤立地学习各个部分，而应用系统、全局的观点来学习和理解稳定性分析，让学生更深层次地理解时域、频域、复域之间的相互转换，深入剖析对“自动控制原理”课程中Routh判据、Nyquist判据等不同稳定性判据之间的差异和内在联系。

3.精简教学内容，强化关键知识点

作为核工程与核技术专业的学生，“自动控制原理”课程的学时少（45学时），内容多，因此不可能也没有必要像自动化专业学生一样对所有的知识点面面俱到。针对专业特点，笔者主要讲授线性定常系统的分析和综合，重点放在连续系统，兼顾离散系统，非线性系统部分让学生课外补充。对于基础性和学生必须掌握的关键内容，如时域系统、频域系统中稳定性分析、控制系统性能指标的计算等进行重点讲授。

三、教学与科研相结合

动力与机械学院每年都组队参与全国大学生节能减排大赛，并屡有斩获。这一比赛与核工程与核技术专业密切相关，教师根据往届学生获奖节能减排课题，将其中有关的控制理论知识进行提取，将理论知识与实践进行有机结合。利用课余时间邀请往届参与节能减排大赛的学生现身说法，让学生进一步了解“自动控制原理”在行业领域中的应用，对学生进行科研基础知识储备，激发学生的创新意识，提高学生的创新能力。

四、结语

为了适应核工程与核技术专业工程应用型创新人才培养模式，获得良好的教学效果，笔者结合学生认知心理的特点和规律，对“自动控制原理”课程的教学方法、教学内容等方面做了一系列的改革尝试。笔者结合专业特点将教学内容以动画、现场虚拟仿真演示等现代教育技术手段表现出来；结合科研活动，将自动控制理论与专业实际相融合，激发学生的学习热情，以提高教学质量。

参考文献：

[1]赵珥希，刘晓芳.加强核电人才素质教育刍议[J].华北电力大学学报（社会科学版），2011，（1）：136-140.

[2]王志坚.认知心理学的学习理论对课堂教学的启示[J].中国教育学刊，1997，（2）.

[3]韩永华，陈剑.动态形象化教学在图像处理类课程中的应用[J].电气电子教学学报，2011，33（1）：101-103.

[4]张正强，王艳霞.“现代控制理论”课程的教学探讨[J].电气电子教学学报，2009，31（5）：31-32.