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自动控制原理课程教学改革的思考与实践[J].pdf

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自动控制原理课程教学改革的思考与实践[J].pdf

自动控制原理课程教学改革的思考与实践江善和,王远志(安庆师范学院物理与电气工程学院,安徽安庆246011)摘要通过对当前自动控制原理课程教学中存在的问题进行分析,从课堂教学内容、教学方法和手段、实验教学、考核方式等方面提出了课程教学改革的思路和具体措施。教学实践表明,通过这些改革的努力,增强了学生学习的自主性和兴趣,提高了学生的工程意识和实际应用能力,教学效果得到有效提高。关键词自动控制原理教学改革措施中图分类号G434文献标识码A文章编号16727800(2009)12-0189-030引言自动控制原理课程是一门理论性和工程实践性均较强的专业基础课,它在航天、农业、交通、电气、机械制造等工程学科中都有非常广泛、重要的应用。该课程的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。课程的主要特点是内容抽象、理论性强与数学联系紧密、知识面广工程实践性强、更新发展快,正是这些特点容易造成学生感到难学,教师难以教好,依靠传统的教学方法和手段难以保证教学效果。本文针对自动控制原理课程的特点以及当前教学过程中存在的问题,探索了课堂教学和实验教学的改革思路和措施,充分调动教师和学生两方面的积极性,达到该门课程教师能够教、学生愿意学,既培养了学生的专业学习兴趣,也增强了学生的工程意识和创新能力。1自动控制原理课程教学中存在的问题1.1知识基础相对薄弱造成学生学习困难自动控制原理是一门理论性、综合性很强的专业基础课,它不仅要有扎实的高等数学、工程数学、电路、电机与拖动等课程的基础知识,而且还要有很强的计算能力。由于学生对相关学科的基础知识的掌握不扎实,对学科之间的交叉理解能力不强,以致学生普遍认为自动控制原理课程的学习困难。另外,自动化专业的大多数学生认为,自动控制原理课程对于将来的深造和就业作用不大,所以学不学没关系,这种错误的想法导致学生的学习积极性不高。1.2理论与实践相结合的重视度不够自动控制原理是工科院校电气信息类自动化专业的必修课,绝大多数院校都开设了相关的实验课程,但学生往往缺乏工程实践知识,缺乏对实际控制系统的感性认识,而学校又难以提供现实的工厂控制系统,造成学生对于实践环节的认识和重视度不高,动手能力不强实验内容以验证性实验为主,只是走过场,实验教学手段单一,某些实验环节与理论知识脱节,导致学生失去了学习的兴趣。1.3灌输式和填鸭式的课堂教学难以提高学习兴趣传统的自动控制原理课程的教学模式是所谓的填鸭式和灌输式,学生上课只是摘抄笔记被动地学习,课堂上没有启发、思考和互动环节,如果一味地只对其灌输纯粹理论,讲述公式推导,过深的专业术语和枯燥的数学公式就会使他们对这门课程产生畏难思想,进而失去兴趣。兴趣是最好的老师,教师从第一堂课开始就应培养学生对这门课的兴趣,结合现实生活实际,摒弃传统教学中发展历史的简单罗列,代之以声情并茂的典型控制系统实例和图文展示,如此既能融入大量专业信息,又能激发学生求知、探索的兴趣和激情,让学生真正理解和体会到自动控制理论课程在自动化专业中所处的重要位置。1.4教学学时少和内容多存在冲突自动控制原理课程教学内容多,信息量大,涉及专业知识面广,实践性强,但学时数却非常有限,理论学时68,实验学时12,学时数不够。2课程教学改革的思路和措施2.1课堂教学的改革2.1.1精选课程内容,改革课程体系,优化知识结构首先,精选授课内容,强化三基教学。自动控制原理课程内容多、学时少的矛盾非常突出,这要求教师精选教学内容。教学大纲中规定的重点内容,如基本概念、基本原理和基本方法,作者简介江善和(1975-),男,安徽安庆人,硕士,安庆师范学院副教授,研究方向为先进控制理论王远志(1977-),男,安徽安庆人,硕士,安庆师范学院副教授,研究方向为计算机控制理论。软件导刊SoftwareGuide第8卷第12期2009年12月Vol.8No.12Dec.20092009年软件导刊2009年软件导刊年软件导刊要讲深讲透。教学中应对经典控制理论内容进行筛选,随着计算机网络信息技术的飞速发展,以及这一技术对控制领域的全面渗透,现代控制理论必须进行增加和充实,如减少根轨迹部分的授课学时,删除闭环系统频率特性分析,增加离散系统的讲课内容和授课课时,增加系统状态空间分析的广度和深度。同时该课程是一门理论性与工程实践性均较强的课程,在理论分析的基础上,应注重工程定义、物理意义及实际应用的阐述,比如控制系统PID参数的工程整定。其次,打破传统课程体系结构的约束。在总体制定教学大纲时,尽可能把分割过细的课程内容进行整合优化,即搞好各门课程内容上的衔接,精炼教学内容,突出教学重点,建立各相关课程之间的有机整体,删减重复内容,适当添加反映学科发展的新理论、新技术。传统的课程体系是将控制原理中经典控制理论和现代控制理论两大部分内容分割开来,自成体系,独立开课。从教学的效果来看,这样的讲授方式不利于学生建立自动控制学科基础理论和方法的总体框架。因此,我们在对课程的教学中,尽管仍然分为自动控制理论和现代控制理论两门课,但在整个课程的教学体系上已经完全打破了旧体系的约束,将经典与现代控制理论融会贯通进行教学。例如,在讲述控制对象的微分方程模型和传递函数模型的同时引入系统状态空间的概念,继而讲解状态空间和传递函数这两种系统描述之间的相互转换。通过这样一个过程,就可以将经典控制理论与现代控制理论的基本思路有机地结合。实践证明,利用这种教学方式,不仅能够使学生更好地认识控制理论的体系结构,还提高了学生学习的灵活性和主动性,便于学生从整体上把握整个专业的知识结构。2.1.2改进教学方法和手段,激发学生学习兴趣首先,变灌输式为启发式、引导式和互动式的课堂教学方法。采用启发式、引导式和互动式的教学方法是由浅入深地讲解有关概念、定义和分析设计方法,积极引导学生思考问题。这一方法重在培养学生的思维方法,注重教与学的互动,明确学习主体,改变学习方法,形成自学能力,激发学生的学习主动性,这样可起到事半功倍的效果。例如讲解经典控制论时,通过典型实例,引出控制、自动控制、负反馈等基本概念,使学生对学习本课程的任务有一个感性认识,明确学习的目的、方法、要求及掌握分析系统性能的指标。为了改善系统的性能,提出校正系统的频率设计方法,并引导学生进行分析和讨论。此外讲课中,在内容的转换时,适当地留一些悬念,让学生思考后,再进行讲解,效果更好。如讲到用奈魁斯特稳定判据判断零型系统的稳定性后,提出对非零型系统如何判断的问题,学生会积极思考,引出对非零型系统稳定判据及其使用等更深的问题。这种启发、引导式的讲课方式易于调动学生学习的积极性和主动性。课后给学生留一些没有答案的思考题,要求学生阅读大量参考书,然后通过组织课堂讨论澄清模糊概念和错误理解。这就是我们所说的互动式讲课方式,使得学生在掌握自动控制基本理论的同时也拓宽了他们的知识面,进一步加深对所学知识的理解。其次,合理使用现代化教学手段,提高教学效率,增加课堂信息量。传统的教学基本上是粉笔加黑板,教师讲学生听,形式过于单一,需要学生有很强的抽象思维能力,教师有很强的讲解能力。随着教学硬件设施的改善,计算机辅助教学(CAI)可以有效地丰富教学手段,运用目前控制界和工程界流行的Matlab语言编制自动控制原理多媒体课件是最好不过了[4[。其一,通过让学生在Matlab/Simulink环境中对控制系统建模、仿真,使学生逐步了解一个控制系统是如何组成的,系统各个环节的模型是怎样的,系统又是如何运动的,加深了学生对系统模型方面概念的理解。其二,该门课程的图形示意、图解分析非常多,传统的板书方式手工绘图困难,既浪费时间,也不准确。例如,在时域法中常需要画阶跃响应曲线,根轨迹法需要绘制根轨迹图,频域法需要画波德图和极坐标图等,这些图形需要分析、计算、描点等过程,常常花费不少的时间。采用Matlab语言则只需几条简单的指令立刻就可以得到相应的图形,同时可以非常方便地观察参数的变化对控制系统稳定性、动态特性的影响,大大提高了教学效率和水平。其三,在课堂教学进行过程中,适时地穿插使用计算机进行演示教学,将教学内容按照一定的结构顺序,用简洁的文字、丰富的画面、逼真的动画以及声音等形象直观地呈现在学生面前,不仅提高了学生学习本课程的兴趣,还使得一些比较抽象的概念和过去教学过程中学生反映难以理解和掌握的内容,通过生动、形象的方法向学生阐明,使学生更容易理解和掌握,取得非常好的教学效果。2.1.3理论与实践紧密结合,注重工程意识的培养自动控制原理课程偏重于原理方法的阐述,虽与数学等课程联系紧密,但该课程决不等同于数学课程。在该课程的教学中,我们应从理论和应用相结合的角度,选取工程中的实际对象,运用控制理论知识去解决分析和设计问题,不断强化学生的工程意识,提高其工程实践能力。首先,在结束相关章节后,可以讲述一个与工程背景结合的大题目,以此强化工程意识[5[。例如,在讲述数学模型时,可以电机调速系统为例,通过建立它的微分方程、传递函数、结构图、信号流图这些不同的数学模型,来建立各模型的联系。同时,应用控制理论中的时域分析法、根轨迹法、频域响应法对其进行分析,使学生理解这三种分析方法的特点、优点与不足之处,也教会学生如何进行系统分析。这些生动的工程实例大大激发了学生的兴趣,使学生感受到了控制理论的魅力,深刻理解了学以致用的意义。其次,结合工程对象,增加课程设计环节,培养学生自学能力、查阅文献能力和综合解决问题能力。运用Simulink仿真平台引导学生独立设计某个具体的自动控制系统并进行仿真实验,验证教材中的理论知识。在条件允许的情况下,适当结合一些具体装置,如控制系统的控制元件、控制器、执行机构等,给定性能指标,让学生自己独立选择控制方案,进行控制单元设计、参数计算,画出控制图纸,编写说明书,模拟工程设计工作的全过程,并且将设计的效果通过实验和仿真来检验。通过仿真和实际设计两个阶段,学生的理论知识和实际动手能力会得到很大提高,工程意识得到有效的培养。190第12期ReflectionsandPracticeofAutomaticControlTheoryCourseTeachingReformAbstractTheproblemsofautomaticcontroltheorycourseteachingtobeexistedareanalyzedatthepresenttime.Thethoughtsandspecificmeasuresofteachingreformareproposedinregardstoteachingcontent,teachingmethod,experimentsteachingandevaluationpattern.Practiceprovedthattheteachingreformwhichreinforcedtheselfconsciousandinterestsofstudents,andimprovedtheengineeringconceptandskillsisworkable.KeyWordsAutomaticControlTheoryReformTeachingMeasures江善和,王远志自动控制原理课程教学改革的思考与实践2.2实验教学的改革2.2.1修订实验教学大纲,改革实验内容和方法实验教学不仅是对理论知识的验证,更重要的是培养学生动手能力、基本科研能力和创新能力的重要环节。为此,我们从两个方面改革实验教学内容。其一,修订了实验教学大纲,将过去居多的验证性实验改为设计性实验,让学生自行设计实验方案和分析实验结果,以此激发学生主动参与实验的积极性和创造性。其二,重新编写了实验指导书,增加了每个实验的内容涵盖量和综合性实验,主要给出实验目的和要求,改变过去实验指导书内容过细,学生过分依赖指导书和抄袭实验报告,做实验时只是对照指导书按部就班走走过场,难以产生兴趣。如控制系统校正实验,只给出被控对象,学生自己选择控制算法和方案对系统进行校正设计和分析。2.2.2借助Matlab仿真平台,改进实验教学手段Matlab语言不仅可以作为课堂理论教学有力的辅助教学工具,而且在实验教学中可以充分发挥它的作用,变完全模拟实验环境为以Matlab仿真为主,操作为辅的实验模式。一方面,仿真实验可以丰富实验内容,提高实验教学效率,而且仿真实验过程中,学生容易改变实验系统的结构和参数,便于学生比较仿真结果,加深理论知识的理解。另一方面,提高了学生对仿真工具的编程能力,为从事毕业设计奠定良好基础。2.3改进考核方式和评价制度科学地运用考试的检查评价、教育激励、反馈调控、培养督导等功能对提高教育质量、推进素质教育会产生不可替代的作用。考试形式及成绩的评定,对于调动学生的积极性及提高学生的素质有重要的作用,为了检验学生的学习效果,可以将考试成绩划分为4个组成部分平时成绩20%(包括作业、出勤率和平时课堂学习表现)、实验20%(包括实验操作和实验报告)、期中考试20%(提交大作业或者论文)、期末考试40%。这种考核形式改变了一考定终身的考核制度,而对平时的学习及实践提出了更高的要求。结果表明,这种考核方式不仅使学生对于理论知识有很好的掌握,还充分地调动了学生实验操作的积极性,减轻了学生考试的负担,提高了学生学习的主动性。2.4坚持教书育人,不断提高教师自身能力和素质提高教学质量的根本保证是教师自身水平的提高。首先,教师要具有广博的知识,不仅深入掌握自动控制原理的基本理论、基本知识、主要内容、研究方法,同时教师还要结合研究课题关注当前控制理论和技术的发展趋势和研究成果,丰富教学内容,提高工程实践能力,加强自身的业务素质。其次,教师要严格要求自己,认真做好备课授课实验作业答疑考试各环节。3结束语自动控制原理课程的理论性较强、知识点多,教师在教学过程中要针对实际情况调整教学内容,采用多种教学手段和方法,改革实验教学和考核方法。实践表明,通过以上改革的努力,切实增强了教学的针对性和灵活性,很好地调动了学生的学习兴趣,提高了学生的工程意识和实际应用能力,取得了较好的教学效果。参考文献[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京科学出版社,2006.[2]孟令雅.自动控制理论教学漫谈[J].电气电子教学学报,2006(1).[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).[4]薛定宇.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及其应用[M].北京清华大学出版社,2002.[5]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,2006(6).(责任编辑王钊)191

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