自动控制原理课程理实一体化教学模式研究

［摘要］自动控制原理是工科专业非常普遍的一门专业基础课程，理论性和实践应用性都很强，概念抽象，跨学科知识多，数学基础要求高，使得学生学起来具有一定的难度。而对于不含实践课时的单纯理论教学方式而言，教学难度进一步增大。针对此问题，采用将演示式实践教学融入理论教学的理实一体化教学模式，结合研讨式、案例示、主线式、对比式等多种教学方法，减弱课程的抽象性，同时提高学生的理论和实践的理解、掌握能力。

［关键词］理实一体化研讨式教学主线式教学案例示教学演示式教学

［中图分类号］G426［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）09-0157-03自动控制技术已广泛应用于国民经济的各个领域，并成为探索、研究各种新技术新装备的工具。自动控制原理是工科院校自动化专业的专业基础课，也是电气信息类、能源动力类、机械类等众多专业的学科基础课程。该课程是相关专业本科生后续课程和研究生课程的基础课程，在控制科学与工程学科中占有重要地位。该课程是理论性和工程应用性都很强的技术基础课，其教学体系结构本身由理论教学和实践教学两个平台构成，但某些学校本课程设置学时较少甚至不设实践教学，缺少实践的辅助而进行纯理论教学，必然会影响到教学效果。

一、课程简介

（一）课程内容

该课程主要讲授的内容，可以归纳为“四个三大”：三大数学模型：分别是微分方程、传递函数、结构图与信号流图；三大分析方法：时域分析、根轨迹、频域分析法；三大性能分析，即分析自动控制系统的“快、稳、准”三个重要特性；（以上可以归类为本门课程的任务之一就是对于自动控制系统的分析）三大校正方法：即串联、反馈和复合校正。通过这些反馈装置的设计使任意一个自动控制系统满足性能，是本门课程的另一任务：自动控制系统的设计。其中，自动控制系统对应微分方程的列写、指标计算、根轨迹画法及其分析、波特图画法及奈奎斯特判据等内容就是相对的难点内容。

（二） 学员基础要求

该课程要求学员具有较好的《高等数学》、《大学物理》、《电路分析基础》、《电子技术基础》，特别是《信号与线性系统》等理论基础，另外对于热学、力学、机械、电机等也要有所了解和掌握。

（三）教学目标

该课程的教学目标是使学员掌握自动控制系统的基本概念, 具有对自动控制线性系统的分析、设计和校正应用能力，具有分析和处理技术岗位的一般技术问题的能力，具备从事电子装备维修、装备计量岗位所必需的装备自动控制系统的分析能力，为后续的专业课学习以及毕业后工作奠定必要的理论基础。

（四）课程特点

虽然自动控制理论来源于实践，但其概念比较抽象，跨学科知识较多，且数学建模能力要求较多，数学含量大且计算复杂，给初学者的学习带来很大的难度。这样一门实践性较强的课程，在没有实践环节的情况下，如何通过多媒体和演示提高教学效果，如何通过应用案例加强理论应用能力培养是本门课程教学的难题。

二、教学组织与设计

（一）教学总体设计

由于上述课程特点，对于该课程无论是教学的内容，还是教学的形式，都有更高的要求。教学组织和设计总体本着“理清思路、总结归纳和有效提高”的设计思路，在以理论教学为主的基础上，结合自动控制装置和日常生活的实例，着重强调“讲做练”的教学方法，即教员课堂讲原理和学员课堂讲总结相结合的互动教学法；做作业和做课程设计相结合的实践法；虚拟实验训练和现场实习训练相结合的现场感知法。在教学过程中，采用理实一体化教学模式，即将演示式实践教学融入正常的理论教学学时中同时进行，不再单独设置实验学时的一体化教学模式。这样，在学习理论的同时又锻炼了实践能力，把能力培养落实到具体的教学过程中。

（二）教学方法

结合课程的基本特点以及学生的具体特性，依据课程的教学内容，采用主线式、案例式、研讨式、演示式等多种教学方法相结合方式，共同提高教学质量。

1.主线式教学

由于无论对于自动控制系统的分析或是设计，总是按照这样的一条主线展开的：首先建立自动控制系统的数学模型（微分方程、传递函数和频域特性），然后利用时域分析法、复数域分析法或频域分析法三种方法分析系统性能（包括动态性能和稳态性能），最后根据系统设计要求所提出的性能指标利用校正装置对系统的性能进行校正改善。教员将这条主线交代清楚后，学员们在进行具体内容的学习时，就能提前了解当前内容在整个课程中的位置和地位、前后知识之间的联系；回顾时再按照主线进行回顾。将这样一条主线贯穿于整个课程当中，可以帮助学员建立起宏观观念，也有助于对各个知识点之间的关系进行更好的理解。

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图1自动控制原理课程的知识主线

2. 案例式教学

对于每一个新知识点的学习，都可以从具体实际案例出发去解释其由来和实质，且这些案例都可通过生动的图片、flas和视频资料的形式增强学生的感性认识，以便加深学生的理解与印象。例如，开环控制系统和闭环控制系统的讲授，可以首先介绍两种控制系统的区别、优缺点等；然后进行“单交叉通流控制”的案例式教学，通过两个flas演示该控制系统的开环、闭环工作动态过程。当开环控制时，控制信号的绿灯时间预先设定好，按照一定的周期和配时方案进行控制，车流量较多的方向堵塞问题不能得到明显解决；当闭环控制时，引入反馈，通过埋在地下的感应线圈测量车流量，使控制信号的绿灯时间按照车流量进行配置，交通堵塞的问题得以明显改善。这样通过案例就可以使学生容易理解开环控制和闭环控制的区别，以及二者的优缺点。（见图2）

3.研讨式教学

教员通过情境创设，在教员的支持和帮助下，让学员围绕设计问题自主分析问题，寻求答案，并进行交流与讨论。教员围绕问题创设情境，提供相关信息，学生围绕问题展开分析。注重学员自主探究，让学员通过在自己或小组成员的探究活动中获得知识。主要从以下几个方面进行研讨设计：①相关交叉学科知识如热学、力学、机械学、电机等知识查阅研讨；②课内问题及软件仿真、课后作业；③课程设计：比如从开课伊始一直贯穿讲解某个控制系统――火炮位置随动控制或是雷达天线旋转跟踪目标自动控制等，让学员最后进行课程设计，将所学知识运用于对该系统进行分析和校正设计。④参加省级、校级等大学生科技竞赛解读研讨，提高学员学习的热情和积极性。

4. 演示式教学

MATLAB提供了功能强大的工具，具有先进的视觉化功能，是一种完善的科学计算语言。在本课程的教学过程中, 通过形象直观的MATLAB实例仿真，比如响应曲线显示或系统设计搭建等，可以达到印象深刻直观、课程抽象性减弱、关键结论牢记等事半功倍的教学效果。传统的教学设计中，都是采用这种软件仿真来进行专门的实践学时教学。如若不含实践学时，可以通过课内部分的教师演示结合课外学生的仿真作业、课程设计等进行教学，同样可以达到较好的教学质量。

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图3自动控制系统MATLAB simulink 建模

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图4自动控制系统MATLAB响应显示分析图

另外还穿插有对比式教学。比如在讲解根轨迹分析时，与时域分析法进行对比；讲稳定性分析时，将劳斯判据和奈奎斯特判据对比；讲频率特性时，将极坐标图和对数坐标图进行对比。这样通过对比教学，找出它们之间的共性和个性，联系与区别。

（三）教学手段

教学手段上将先进的教学辅助设备、现代信息技术等应用于教学，如多媒体课件（含生动的图片、flas和视频资料）和仿真软件，改变了黑板板书单一的呈现方式，使课堂教学图文并茂、声像具现，生动活泼，增加了信息量，提高了课堂教学效率。同时，可将工作与学习结合，立足未来实际，并将大学生科技竞赛作为一种激励机制引入，吸引学员学习兴趣，提高动力。

（四）教学实施步骤

具体实施时可以设计为7步骤：

第一步：告知教学内容、目的；

第二步：引入实际案例；

第三步：通过教师讲解训练学生掌握基本能力；

第四步：通过研讨和练习加深学生对基本能力的体会；

第五步：学生自行归纳具体知识和能力；

第六步：教师总结本节内容；

第七步：教师布置作业，作业包括教材上的理论计算题型，课后查阅内容以及软件仿真作业。如图5所示。

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图5 教学实施步骤图

三、总结

本文结合理工大学气象海洋学院自动控制原理课程的建设，介绍了在不含实践学时的自动控制原理教学中的一些设计和体会，即采用理实一体化的教学模式将实践教学融入理论教学中，节约时效，同时也增强了学生对于理论和实践能力的双重锻炼。

［参考文献］

［1］李振龙,乔俊飞,孙亮,等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨［J］.教学研究,2009（2）.

［2］郑长勇.自动控制原理课程教学改革探索与实践［J］.内蒙古农业大学学报（社会科学版）,2009（4）.

［3］刘晓燕.自动控制原理课程教改探索［J］.重庆职业技术学院学报,2006（5）.

［4］陈励华.宏观教学法及其在自动控制原理课程中的应用［J］.高教论坛,2008（1）.