《自动控制原理》教学中的问题及教学改革探讨

《 自动控制原理》 教学中的问题及教学改革 探讨

邢海龙 李福乐 刘振斌 刘倩

青岛农业大学 理学与信息科学学院

摘要：本文讨论了《自动控制原理》课程的教学改革问题。首先，分析了该课程的特点，以及课堂教学中存在的问题。然后，从教学内容、教学方法以及教学手段等几个方面提出了一些教学改革与创新尝试建议。

关键词：自动控制原理；课程教学；教学改革

课题：青岛农业大学教学改革项目：“以赛促学，以赛促教”推进大学数学教学改革（XJY2019035）

1.引言

《自动控制原理》是自动化专业和电气专业的重要基础理论课，主要讲述以传递函数为基础的经典控制理论的基本概念、原理和系统分析、设计基本方法，培养学生分析、设计控制系统的工程实践和创新能力，具有理论与实践应用并重的特点。这些特点很容易导致教师难教好、学生难学好的困局。结合作者及同行教学经验、体会^[1-2]，总结了教学过程中存在的一些问题，提出了教学改革一些思路、措施，以促进教学质量的提高。

一、教学现状及存在的问题

1，教学内容丰富、课时信息量大

《自动控制原理》内容非常多，课时信息量大，所牵涉的知识面也非常广，如力学、电学、光学和热学等物理知识，又要有电路、电机、电力电子等知识。这些特点，增加了学生学习难度，影响教学效果。

目前多数教材，理论内容相对来说要多，应用背景知识的介绍也与同学生平时接触到的控制例子存在些差距。大多数教师，通常采用重理论、轻应用的教学方法，学生罕有机会将所学知识应用于实践。

2，教学方法刻板、缺乏创新，课堂枯燥

多媒体的优势是生动直观，被广泛用于课堂教学。但大部分多媒体课件仅是文字和图片的简单组合，缺乏创新，使得以教师为主导、学生为主体、调动学生的积极性的 “启发式”教学模式并未得到充分展示。

3，教学手段单一，动手实践少

除理论知识外，运用控制原理、方法分析解决实际问题也是一个重要的教学目标。教学中，必须注重控制理论与实践的互相结合，培养学生动手、实践能力。目前，Matlab软件已被广泛的引入验证理论知识的仿真教学，取得良好的效果。但是，要想真正的提高学生动手操作能力，在条件允许的情况下，需要利用具体控制装置，搭建控制系统的实验平台，独立完成控制方案设计、性能分析、调试等实践操作。目前这样的动手操作环境，还有待普及。

二、教学改革措施 　　

1, 合理安排教学内容

根据培养目标、教学对象、专业层次的不同，合理安排教学内容。这样即可以满足不同专业学生的需求，又可以较好地解决各个专业普遍存在的教学内容多、学时少的矛盾。要充分保证系统建模、系统分析和系统设计三大环节的完整性，又要有所侧重，突出控制系统分析和设计的共性规律和基本方法。核心内容是要重点掌握的知识，主要包括控制系统分析与综合的基本概念、原理和结论；一般性了解的内容是指要准确理解、正确应用的内容；拓展内容是指理论性比较强，具有一定的难度和深度的知识，满足想要考研、或有较高要求的学生需求。同时，要适时把当前工农业，航空航天、汽车船舶等领域中，最新应用的自控技术和最新科研发展动态，充实到教学内容中，保持教学内容的先进性 ^[3]。

2, 改革数学方法

依据教学内容的不同要求，采用灵活教学方法。对于核心内容，也是教学大纲中规定的重点内容、基本概念、基本原理和基本方法等，要适当结合工程定义、物理意义及实际应用等做重点讲解，还要通过课内外大量的习题加以强化，让学生做到知其然，又知其所以然的程度。一般了解的内容，采用注重结论、突出应用、简化推导的教学模式，让学生能够准确理解、正确应用相应的结论即可，以节省课上学时。拓展内容不做课上讲解，在章节的小结中，指出与考研相关的知识点或类型题，着重阐述解题思路，作为课后扩展作业练习，督促学生自学。

教学要突出教学主线。系统建模、系统分析和系统设计三大环节是经典控制理论的教学主线。不仅要讲清楚每个环节知识点，还要重视知识点之间的关系。如在讲解根轨迹分析方法前，先给出用时域分析方法来分析一个高阶系统的例子，然后引出根轨迹分析方法。这样可以让学生搞清不同知识点之间的关系，同时，也能引起学生思考，提高学生分析问题的能力。

从实际控制系统入手，强调工程和物理概念的教学，弱化计算。作为来自实践的一门理论课程，涉及的数学基础较为广泛。要注重控制理论的数学论证，更应注意培养学生的工程意识，结合实际工程对象，将工程的分析、设计方法渗入理论教学之中。例如，可结合直流电动机转速控制实例，讲授PID参数整定，并且借助于Matlab 进行仿真分析。

3,采用灵活多样的教学手段

多媒体教学手段直观新颖、表现力强，具有图文并茂的特点。将板书与讲解相结合的传统教学手段和多媒体教学手段有机结合，充分发挥多媒体教学手段的辅助优势。可以用形象生动的动画展示一些简单的控制系统，这样会使学生更容易理解控制概念、了解各控制环节，还能从整体上把握控制过程。也可以利用情景演示，激发学生学习兴趣，开发学生的潜能,使有意识的学习活动和无意识的学习活动相结合。例如在讲解时域分析法、根轨迹法和频域分析法这些章节中，可以让学生看到时域根轨迹、频域图形，这样会使学生更容易理解和掌握这些章节的内容。

Matlab软件为《自动控制原理》教学提供了全新、便捷的分析方法，和形象、生动的波形演演示，取得良好的效果^[4]。在讲授幅频特性一章时，可以用Matlab的Simulink工具箱引出一个仿真例子，通过实际仿真操作，引导学生总结出如下结论：给稳定的系统输入一个正弦信号，其稳态输出是与输入同频率的正弦，幅值随频率而变，相角也是频率的函数。

也可以让学生用Simulink设计一些具体的控制系统，并进行仿真分析，验证理论知识。给定性能指标后，让学生独立制订控制方案、选择控制单元、设计控制器、绘制控制图纸、编制说明书、模拟工程设计的全过程，并用仿真来检验设计效果。

实验有助于学生把枯燥抽象的理论形象化，加深对理论知识的理解^[5,6]。在条件允许的情况下，配备自动控制理论实验箱和小功率随动系统装置，进行小型验证性实验。实验箱配有上位机 Labview 仿真平台，通过在控制系统的模拟装置上搭建系统，调整系统参数和计算机仿真，把理论分析结果形象直观的表达出来。

现代高校，教学和科研相辅相成，两者不可分割。在条件允许的情况下，挑选一些能力强、有科研兴趣的学生参加到老师的科研课题，激发学生的学习兴趣，实现科研促进教学，科研与教学相互结合。 　　

三、结束语 　　

《自动控制原理》是自动化专业和电气专业的重要基础理论课，具有理论与实践应用并重的特点。针对课程教学存在的教师难教好、学生难学好的问题，在教学内容、教学方法、教学手段等方面提出了教学改革建议。

参考文献： 　　

[1]李润生，姚颖，自动控制原理课程教学改革与实践[J].辽宁科技学院学报，2010，12：63-64.

[2]段纳，高庆争，自动控制原理教学中的问题及对策探讨[J].曲阜师范大学学报，2011，37：7-10.

[3]包建华，自动控制原理课程教学改革探索[J].科技信息，2008，（25）：500. 　　

[4]林剑辉，赵燕东，王海兰，高等农林院校工科专业“自动控制原理”课程教学改革的探讨[J].中国林业教育，2009，（27）：24-26.

[5]秦怀宇，自动控制原理课程教学改革与实践[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2011，（11）：237-238. 　

[6]张栋，自动控制原理实验教学改革探索与实践[J].实验室科学， 2011，14（5）：37-40.