_自动控制原理_教学方式考试形式与实验的改革.pdf

自动控制原理 教学方式考试形式与实验的改革 王 艳 殷天明 和敬涵 邱瑞昌 北京交通大学 电气工程学院 北京100044 摘 要 本文针对 自动控制原理 教学模式 考试形式及实验教学进行了深入的改革 应用MATLAB语言开发了 自动控制原理 教学演示软 件 将考试形式表现为课程学习的全过程监控模式 建设了基于网络平台的实验系统 实现了 自动控制原理 教学由纯教学型向教学研究型的 有效过渡 实践结果表明 上述改革获得了良好的教学效果 关键词 自动控制原理 MATLAB 实验系统 中图分类号 G424 TP27 文献标识码 A 文章编号 1008 0686 2004 04 0105 03 Innovation of TeachingM ethod Exam ination Form and Experi ment for Automatic Control Theory WANGYan Y IN Tian m ing HE Jing han QIU Rui chang S chool of EE B eijing J iaotong U niversity B eijng100044 China Abstract This paper presents an innovation of teaching method exam ination form and experi ment for automatic control theory Teaching demo softw are for automatic control theory based onMA TLAB is developed Exam ination form is changed into supervising of course learning Experi ment system based on network is set up Teaching of automatic control theory is transfered from pure tuition into tuition and investigation A s a result very good teaching effect has been obtained Keywords automatic control theory MA TLAB experi ment system 0 引言 自动控制原理 课程是我院电气工程及其自动 化大类专业的专业基础课 随着我校 通识教育 理 念的不断深入开展 专业基础课程的教学和实验改 革的力度不断加大 我们在前期制作与教材相适应 的电子教案的基础上 对 自动控制原理 的教学模 式和考试形式及实验方法进行了改革 在本科生的 教学工作中 自控课程的教学考虑课堂上重点讲授 自控基本理论知识要点 同时介绍学生学习使用 MA TLAB软件 给同学布置一定量的课外作业 要 求同学尽量用软件完成作业 目的是培养学生尽快 掌握利用先进的技术解决控制问题 根据教学内容 开发了基于MA TLAB的 自动控制原理 教学演示 软件 配合教学内容 我们建设了先进的实验管理系 统 改革了实验内容 将原来的验证性实验改成研究 设计型实验 经过理论教学和实验教学的检验 不但 激发了学生学习 自动控制原理 课程的积极性 而 且也培养了学生的创造性 加深了学生对理论内容 的理解 达到了令人满意的教学效果 1 教学方式 考试形式的改革与实践 为了改变 自动控制原理 课堂教学中 教师 黑板 学生 或 教师 电子教案 学生 的教学模 第26卷 第4期 2004年8月 电气电子教学学报 JOURNAL OF EEE Vol 26 No 4 Aug 2004 收稿日期 2004 01 11 修回日期 2004 03 22 作者简介 王艳 1966 女 黑龙江省齐齐哈尔人 硕士 副教授 研究方向为控制理论与控制工程 特种电机与控制 殷天明 1962 男 贵州省水城人 高级工程师 研究方向为计算机仿真 控制与电力电子 式 应充分运用启发式教学以提高教学效率 启发式 教学的特征 应主要强调学生的参与意识 调动学生 积极思考 激发其求知欲 因此教学中应充分发挥学 生的主观能动性 让学生自觉地获取知识 我们不但 适当运用回答法 讨论法 还在教学中恰当应用 MA TLAB语言辅助 自动控制原理 的教学 为此 我们在教学中用MA TLAB语言开发了 自动控制 原理 教学演示软件 帮助学生准确理解控制系统的 数学模型 时域响应 稳定性 根轨迹 频率特性 系 统校正等重要的概念 使整个课堂理论教学过程力 求实现 教 与 学 的有机结合 实现 自动控制原 理 课程教学由纯教学型向教学研究型过渡 111 基于MATLAB语言教学演示软件的开发 以往对于初学者来说 是很少有人能够实际计 算出阶跃响应且描绘出响应的波形的 而且能够求 出解析解的控制系统只限于二阶和三阶系统 但是 MA TLAB软件使控制系统的分析与设计问题变得 简单了 我们根据自控原理教学的特点 在控制系统 的数学模型转换 时域响应分析 稳定性分析 根轨 迹 分 析 波 特 图 奈 奎 斯 特 图 等 方 面 开 发 了 MA TLAB教学辅助软件 并配合教学内容留一定 数量的课外作业 不但激发了学生学习控制理论的 兴趣 而且提高了他们的创造性思维 以我们开发的 广义根轨迹的教学演示软件为例 考虑开环传递函 数为G s H s K s s 1 as 1 的系统 当K 015 1 2时 绘制以a为参变量时系统的根轨迹 根 据绘制广义根轨迹的方法 需获得新的开环传递函 数G s H s a s3 s2 s2 s K 这样就可 以利用基本语句画出广义根轨迹 程序如下 n1 1 1 0 0 d1 1 1 2 sys1 tf n1 d1 d2 1 1 015 sys2 tf n1 d2 d3 1 1 1 sys3 tf n1 d3 rlocus sys1 sys2 sys3 图1为运行结果 可供很直观地研究广义根轨 迹 使学生更易理解 我们把开发的MA TLAB教学 软件有机地组织到教学内容中 改善了教学内容和 形式 收到了良好的教学效果 激发了学生学习的兴 趣 变被动学习为主动学习 由纯教学型向教学研究 图1 广义根轨迹图 型过渡 有利于学生创造性的培养 112 考试形式的改革 为了实现对自控课程学习全过程的有效监控 防止 一卷定成绩 我们结合上述教学模式 把期末 总成绩分为四部分 如图2所示 图2 期末总评成绩的组成 在学生学习的过程中 强调学习能力和实践能 力的培养 为了检查教学效果 在课堂上针对基本概 念和基础知识 采取小测验的形式 大作业主要考察 学生综合运用知识的能力 在每一章结束后都组织 编排一定综合研究型题目 让学生以论文的方式提 交 这样 在教师的精心指导下 有计划 有目的 有 要求的进行预习和自学不但可以提高学生阅读能 力 分析研究能力 而且有利于提高解决问题的能 力 培养学生的创新能力 期末总评成绩含有实验成 绩 能够督促学生认真完成实验 根据教学内容安排 课后作业 采取上述措施后 有利地实现了教师对课 程学习过程的有效监控 2 基于网络平台的实验教学系统 配合 自动控制原理 教学的改革 我们建设了 自动控制原理 实验室 该实验室是一个基于网络 平台的实验系统 如图3所示 学生可以在低端首先 应用模拟装置进行基本原理和已知被控对象数学模 601 电气电子教学学报 26卷 型的模拟电路仿真实验 还可以在计算机上进行控 制算法的仿真实验 为了验证算法的正确性 可以通 过计算机网络对多种被控对象进行实时控制 通过 自动控制实验装置 经过A D转换后 在计算机屏 幕上可以直接看到实验波形和数据 可以对控制系 统进行分析 设计 仿真和实时控制 可以做系统的 开环 闭环控制研究 并可选择不同的控制方案 研 究不同的控制算法 以及对控制系统进行校正设计 和分析 在该实验平台上 针对以往验证性实验内 容 我们把基础理论验证性实验改为设计性实验 如 控制系统的校正实验 我们只给出被控对象 让学生 首先设计校正环节 并应用MA TLAB在计算机上 仿真分析 再根据给定的元器件参数 实现校正装置 和被控对象的模拟 最后在自动控制实验装置上进 行模拟电路的仿真实验 图3 基于网络平台的实验系统 该实验系统提高了实验教学的管理水平 学生 每次做完实验后可以直接向实验管理人员提交实验 结果和分析报告 也可由打印机直接打印输出 3 教学效果评价 自动控制原理 教学模式 考试形式的改革 实 验教学系统的建设 目的是为了提高教学质量 发展 学生的创新意识与创新能力 在一定的教学时间和 教学条件下 我们衡量这门课程的教学结果符合预 期教学要求的程度 经过我们设计的教学和考试模 式 从对学生考核的情况来看 应用 自动控制原理 MA TLAB辅助教学软件进行教学是有积极效果 的 可以说基本上达到了预期的教学目标 主要表现 在以下几点 1 学生学习的主动性得到加强 通过启发式教 学 加之学生课后作业 设计研究型大作业的提交 学生学习变得更加主动 笔试成绩明显好于往届学 生 学习的主动性使得学生的基础更加扎实 2 学生的创造性思维能力得到了培养 课堂上 我们有针对性地设计了若干个讨论题 将学生分组 在讨论过程中 要求每个学生的答案不能重复 但可 以对别人的进行补充说明 通过撰写科技论文 网上 查阅资料的能力明显提高 有的学生所查资料已超 越了教师布置的范围 学生创造性思维水平 即思维 的发散性 变通性和求异性相对本课开始发生了明 显的变化 对于教师给出的题目 80 的学生能给出 了多种分析结果 10 的学生得到的结果已超出所 学范围 而且突破了教师的思维定势 表现出他们的 求异思维水平已达到较高的程度 3 学生的科技写作能力有了一定的基础 约有 10 的科技论文达到可公开发表的基本要求 4 学生动手实践能力得到了培养 针对实验教 学的改革 学生的计算机操作水平有了提高 模拟电 路知识得到了加强 提高了动手实践的能力 总之 对 自动控制原理 的教学模式和考试形 式及实验方法进行的改革 大大提高了课程的教学 效果 实现了该课程教学由纯教学型向教学研究型 的有效过渡 激发了学生学习的兴趣 在不同侧面培 养了学生的创新思维