基于“卓越计划”的自动控制原理教学改革探索

摘要：立足“卓越工程师教育培养计划”的培养要求和“自动控制原理”课程的特点，结合授课经验，浅析了该门课程教学改革的一些看法。通过改革，学生能学懂、用好控制原理，也希望为卓越计划下其他课程的教改抛砖引玉。

关键词：卓越计划；自动控制原理；数学模型

作者简介：司徒莹（1972-），女，广东开平人，广东石油化工学院计算机与电子信息学院，讲师；刘美（1967-），女，广东廉江人，广东石油化工学院计算机与电子信息学院，教授。（广东茂名525000）

基金项目：本文系广东省高等教育教学改革工程项目（项目编号：BKZZ2011041）、广东省高等教育教学成果奖培育项目（项目编号：201139277）的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）16-0037-01

“自动控制原理”是电力、电气自动化专业的一门专业基础课，是机械类、仪器仪表类、能源动力类、电气信息类等许多专业的学科基础课，也是许多工科专业非常重要的课程。该课程主要任务是通过对控制理论知识的学习，培养学生对控制系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。[1]该课程内容涉及面广，抽象难懂，理论性和工程实践性均较强，并且更新发展较快，如何教好这门课一直是专业教师讨论的热点问题。当前正值卓越工程师培养计划的改革试行阶段，广东石油化工学院（以下简称“我校”）已成为第二批“卓越工程师教育培养计划”试点高校，“自控原理课程”教学改革迫在眉睫。根据该计划的基本要求，结合笔者讲授该课程的经验，提出本课程教学改革的一些看法。

一、“卓越工程师教育培养计划”下的教学要求

“卓越工程师教育培养计划”是教育部 2009 年推出的一项重大教育改革试点项目，它提出：面向工业界、面向世界、面向未来，创建具有中国特色的工程教育模式，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，促进我国从工程教育大国走向工程教育强国。它具有三个特点：行业企业深度参与培养过程；学校按通用标准和行业标准培养工程人才；强化培养学生的工程能力和创新能力。

上述特点决定了高校课程教学应在加强教育和行业、学校和企业的密切合作的前提下，在有限的课堂教学课时中，注重理论知识的工程背景和应用，着重培养学生的工程意识、实践能力和综合素质，努力为企业造就适应其发展及需要的优秀工程师。[2]“自动控制原理”课程改革也应紧紧围绕着这个要求来进行。

二、“自动控制原理”课程特点和目前教学存在的问题

“自动控制原理”课程的特点是：内容丰富、理论性强、涉及知识面广、信息量大、更新发展快，而且比较抽象，习题多、难度大，是具有一定深度和学习难度的课程，学生感到难学，教师也难教。

现有的教学方法多沿用传统的“课堂讲授+验证性实验”，呈现处以下弊端。

1.课程内容不足

（1）跟不上工程实际。现有课程内容建立在知识的系统性和完整性上，基于此构建的知识点往往过于注重深度，实际工程应用偏差较大，更新速度较慢，学生常常觉得在企业里看到的新仪表、新方法和课堂上学到的东西联系不起来。这使得教学内容与“卓越计划”中的工程背景相悖。

（2）内容讲授上重理论轻实践。课堂讲授中只注重将理论知识讲解清楚，但没有和工程实际结合起来。

2.教学方法简单

教师多利用课堂讲授，一来大量理论内容枯燥、乏味，缺乏自主学习的诱惑力；二来学生缺少实践、动手的过程，课程所设置的实验也多为验证性实验，不利于这门课程的学习；此外，教学手段的单一化也使课程的信息量和更新程度锐减。

3.学生学习积极性不高

学生学习目的不明确，普遍觉得不知道这门课能用在什么地方；课程中一些抽象的概念和大量数学推导使学生产生为难情绪，影响了他们学习的积极性。

三、课程教学改革

针对以上问题，对我校“自动控制原理”课程做以下改革。

1.教学内容上的改革

依据“卓越计划”，学生在校理论学习时间要缩短，以便有更多时间投入到企业去实习，因此如何在有限的时间利用有限的资源传授最有用的理论知识，就成了改革的目标。

课堂教学中首先要讲清课程的基本方法，即定性分析上升到定量分析的方法，和从直观表现到深入刻画的方法，这不单适用于本课程，也适用其他科学分析；其次要清楚课程三个模块的基本点，并鼓励学生自己将他们联系起来并用于解决实际问题。

（1）数学模型。建立系统的数学模型是分析、解决问题的前提和条件。介绍的重点放在线性连续系统时域数学模型的建立和求解上，包括微分方程、结构图和传递函数及其相互的转换，针对不同专业背景的学生，联系不同的实例进行切入讲解，便于学生了解数学模型的物理意义，从而将抽象的数学概念和实际相联系，加强数模的可理解性。而对于频域或离散系统模型，则采用对比的方式带过，由学生自己总结得到。

（2）系统分析。经典控制理论的分析方法包括时域分析法、频域分析法和根轨迹分析法，主要分析稳定性、快速性和准确性三大性能，这是本课程的重点所在。笔者认为三种方法均应讲清思想方法以及对应的图形图线和系统的联系，而定量分析的计算公示推导因计算软件发达，受学时限制应放在次要位置。频域分析法着重介绍频率特性的几何表示法和频率特性曲线上各段所代表的性能特征。根轨迹分析法则关键说明开环极点和闭环极点的关系和代数问题的几何表示，而根轨迹上各点和对应性能指标的计算可以少讲。

（3）系统的综合校正。学生利用控制方法去设计系统，是本课程学习的最终目标，也是教学的难点所在，对学生的分析能力、综合能力提出了较高的要求。这部分要介绍校正装置的设计原则，更多的是结合实例讲解实际系统的设计方法和常见问题。

2.教学手段和方法的改革

（1）联系实验装置，贯彻联系实际的重点。多数院校都会有过程控制实验室，可以利用该实验室中现有的系统，重新设计教案。从系统的构成、建模、分析、设计，逐步深入，结合实际系统和仿真软件来讲解，有条件的院校更可以为每位该专业学生准备一套自动控制元件，最终的考核也可结合该系统的设计和分析来完成。这样学生学习的目的性会更加明确，也不会总纠结于“学无所用”了。

（2）沿用传统的多媒体+板书形式。大部分用多媒体教案展示主要知识点，穿插先进控制实例的视频、录像，更吸引学生眼球。比如讲系统稳定性和稳态误差分析时，结合挑战者号在火星着陆的实例，同学们就非常感兴趣。同时，多媒体教学中的动画更形象地反应了系统响应曲线变化和实验、仿真的过程。但个别难点内容应当配合板书，使学生紧跟教师的思维。

（3）多样化的教学方法。始终围绕理论和实际相结合的原则，用大量工程实例去铺满理论讲授过程；同时还要注意讲授方法的多样化，如可以采用虚拟模型教学、实际案例教学，鼓励学生在老师点到主线后，在虚拟模型和相关案例中通过讨论，自己得到结论和方法，并能清楚表达出来。这不单利于将知识点融入实际，还能培养学生的创新能力、思维模式、团队合作能力以及表达能力，这种方法可以考虑多采用。

（4）充分利用网络资源。网络教学是课堂教学的延伸，充分利用网上资源和媒体材料，特别是国家精品课程网站，将其作为有利于课堂教学的辅助手段，也可以借此提高学生分析问题和解决问题的能力。

3.考试方式的改革

考试是教学工作的重要环节。首先，要确定科学、适当的考评体系，以检查学生对基本原理的掌握和综合应用情况。改革后的考试应当是多种形式的，可以大致分两部分进行，其一是传统的笔试部分，以客观题为主，主要考查基本概念、基本原理。其二是应用能力，有条件的院校可以给定具体对象或环节的实物，要求学生分组按要求进行设计、分析和校正，依据设计过程小组的表现和结果给予成绩。这样，既考查了基本概念，也让实践能力强的学生有了展现的机会，也更能提起同学们的学习兴趣。

四、结语

“自动控制原理”作为一门理论性较强的工程学科，在工业、制造业、航空航天、机器人乃至国民经济建设中均有广泛的应用。[3]

追寻控制领域的发展趋势，根据“卓越工程师培养计划”的要求，不断寻求“自动控制原理”教学改革之路，提高教学质量，培养具有创新能力和较高综合素质的工程人才，才能适应新时期的发展需要。而这个改革的过程，还有待教师在今后的教学过程中不断摸索、完善。

参考文献：

[1]袁新娣,黄晓军,谢晓春.《自动控制原理》教学改革探索与实践[J].江西教育学院学报(综合),2006,(6).

[2]陈东.基于卓越工程师计划的钢结构课程教学改革研究[J].重庆科技学院学报(社会科学版),2011,(6).

[3]王艳.《自动控制原理》课程教学改革与创新实践[J].江南大学学报(教育科学版),2007,(4).