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面向機電類專業的《自動控制原理》課程教學改革探討
面向機電類專業的《自動控制原理》課程教學改革探討
張春慧，葛麗娟，宗哲英
（內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古呼和浩特010018）
摘要：本文針對高校機電類專業在《自動控制原理》課程教學過程中存在的幾個問題，提出了從教學內容、教學手段、實驗教學三方面的改革措施和方法，從而培養機電類專業學生的學習興趣，進而加深對該課程基本內容的理解和掌握，并最終運用到工程實踐當中。
關鍵詞：機電類專業；自動控制原理；教學改革
基金項目：內蒙古農業大學機電工程學院課程建設與教學改革項目（JDKCJS201303）
通訊作者：葛麗娟。
作者簡介：張春慧（1979-），女，講師，研究方向為控制理論與控制工程。
一、引言
《自動控制原理》具有理論嚴謹、系統性強、富有工程性等特點，是工科院校重要的專業基礎課，然而，由于其具有大量抽象概念、復雜的數學推導以及煩瑣的計算和作圖，學習難度較大，而對機電類專業的學生，《自動控制原理》課程的學習又存在其特殊之處：第一，相比控制類專業的學生，機電類專業學生在前期數學知識的學習中常常會有知識缺失或者側重不夠等問題，因此會影響到課程的教學效果；第二，無法滿足專業的需要，不能培養學生的工程實踐能力，學生容易忽視這門課程的工程應用，把重點放在如何做題以應對考試上，學習興趣不濃。傳統的教學方法，很難解決機電類學生在學習本課程中存在的問題，因此，針對機電類專業，對《自動控制原理》進行課程教學改革，是十分重要和必要的。
二、自動控制原理教學改革
1.教學內容的改革。（1）精選教學內容。目前，在《自動控制原理》的教學中，存在著內容多、學時少的矛盾。對于機電類專業的學生，要結合其專業特點，以及后續所設置的專業課程，合理設計教學大綱，來確定對教學內容的取舍。針對數學知識缺失的問題，在教學中要對相關數學知識進行必要的補充，以保證教學的順利進行。對于其他已學的基礎課程，如電工學、電子技術，要建立起與本課程的聯系，并將學生所熟悉的工程實例，如數控機床位置控制系統，作為切入點來介紹控制論的基本原理，從系統建模到系統性能分析再到系統的校正與設計，不但可以使學生更好地理解和掌握控制系統的特點與性質，又可以將理論和工程實際聯系起來，激發學生的學習興趣。（2）更新教學內容。隨著科學技術的飛速發展，自動控制技術也得到了迅猛的發展，智能控制、自適應控制、非線性控制、魯棒控制等在工程中的應用取得了重要的成果。因此，在《自動控制原理》的授課過程中，要注意處理經典控制理論與現代控制理論以及新理論之間的關系，并將當前控制理論在機電工程領域的最新研究成果、最新科技發展動態穿插在授課內容中，讓學生理解其重要作用，并把國外優秀教材作為主要參考資料推薦給學生，以拓寬學生的知識面。
2.教學手段的改革。（1 ）運用問題式的教學。第一，為充分調動學生學習該課程的主動性、積極性及自覺思維，《自動控制原理》課堂教學要從實際出發，按照提出問題、解決問題的方式進行教學；例如第一節課就可以通過生活中汽車駕駛的實例引入控制理論的相關概念，并合理設疑，讓學生參與到課堂教學中，體會到這些抽象的概念并不難理解，而且控制理論其實滲透在我們生產生活的方方面面。第二，課后留思考題，例如對于機電類專業的學生，可以將“如何把課程內容應用到本專業的工程實踐中”作為思考題，學生通過查閱資料文獻，討論分析，在思考的同時，其查閱資料、知識歸納以及表達方面的能力，也會有所提高。（2）教學手段的改進。充分發揮傳統教學和現代教學方式的優點，優勢互補，多媒體能夠將《自動控制原理》中比較煩瑣的公式或者模型的動態過程以動畫的形式展現給學生，便于學生理解與掌握抽象的理論知識，同時利用多媒體，以圖片、視頻等方式讓學生了解現代控制技術以及智能控制理論在工程實踐中應用，多媒體的圖形演示與教師的講授相結合，使教學內容形象化、具體化和生動化，從而增進學生的理解；對于重點和難點的內容，比如公式的推導和證明，可以借助于傳統板書進行，老師一邊寫，一邊講解，學生可以有一個思考和接受的過程。
3.實驗教學的改革。實驗教學是《自動控制原理》課程的重要組成部分，目前本課程的實驗基本上是對基本理論的驗證和復現，學生在模擬實驗臺上接線，通過示波器觀察其輸出曲線，從而分析系統的性能，并驗證所學理論，該方式無法滿足機電類工程專業的需要，不能培養學生的工程實踐能力，因此需要對現有的實驗模式進行充實、完善。
第一，虛擬實驗的運用。（1）MATLAB在《自動控制原理》課程中的運用。MATLAB軟件集數值分析、矩陣運算、信號處理和繪制圖像顯示于一體，構成一個方便的、界面友好的用戶環境，已成為多個領域的基礎應用軟件。《自動控制原理》中的三種分析方法———時域分析、復域分析（根軌跡繪制）、頻率分析，利用MATLAB軟件來處理，可以節省大量的計算時間，也可以加深對抽象理論的理解。對于機電類專業的學生，在授課過程中，可以結合其專業特色，選擇熟悉的實例，利用MATLAB進行分析。例如，介紹時域分析法時，可利用直流伺服電機來舉例講解，其數學模型為：
利用MATLAB軟件可輕松地繪制其單位階躍響應曲線，并從穩定性、快速性和準確性三方面分析其性能，如圖1所示：
SIMULINK是一種用于實現計算機仿真的軟件工具，是MATLAB的一個附加組件，用來提供一個系統級的建模與動態仿真工作平臺。利用SIMULINK，通過搭建系統模塊，可以方便地調節各種控制參數，使學生直觀了解參數變化對控制系統動態特性的影響。圖2為利用SIMULINK搭建的電力系統自動發電控制的仿真圖，可通過調節PID的參數來實現較好的控制效果。
（2）虛擬實驗系統的建立。MATALB圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），是由窗口、圖標、菜單、文本等對象構成的用戶界面。利用MATLAB的GUI建立《自動控制原理》虛擬實驗系統，可以完成計算、仿真與分析，課堂上通過虛擬實驗平臺讓學生了解實驗過程中參數如何選擇，了解實驗參數改變的依據，直觀地看出參數變化對系統的影響，可提高實驗效率，取得良好的實驗效果。圖3為基于MATLAB GUI創建的PID參數設定界面，可以在此界面上實現參數的設置和調整。
第二，綜合型實驗室建設。在完成為基本教學內容所設置的驗證型實驗后，實驗室建設可以向綜合型發展，包括設計綜合型和專業拓展型，引導學生將《自動控制原理》的基礎知識與工程技術應用相結合，讓學生根據自己的專業以及興趣，自主設計實驗，在確定目標的同時獨立思考，制定實驗計劃和手段，實驗室對學生開放，在實驗過程中，老師給予指導和支持，讓學生在實驗過程中能發現問題、解決問題，從而提高學生的科研能力與創新能力。
三、總結
為提高機電類專業人才的綜合能力，作為專業重要的基礎課程，《自動控制原理》的課程教學改革必將走上一個新的臺階，通過對課程的教學內容、教學手段、實驗教學不斷加以改進，不斷探索行之有效的教學方法，來提高教學質量，適應新形勢發展的需求。
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