徐華平　潘朝峰　劉炳霞

摘 要：文章從 “自動控制基礎”課程教學現(xiàn)狀與存在的問題出發(fā)，根據(jù)自動控制基礎課程的特點，結(jié)合江蘇科技大學能源與動力工程專業(yè)的偏船舶背景，基于課程內(nèi)容優(yōu)化、計算機輔助教學、教學方法改進、實踐教學、課程考核等方面提出了“自動控制基礎”課程的教學改革策略。

關鍵詞：自動控制基礎；教學改革；高等工科學校

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）04-0043-02

“自動控制基礎”是高等工科學校廣泛采用的一門重要的專業(yè)基礎課程。主要研究經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容，具有理論性強、系統(tǒng)性強、應用范圍廣等特點，而且是一門跨控制論與機械工程技術理論領域的邊緣學科。本課程將環(huán)節(jié)與系統(tǒng)相互貫通，著重加強環(huán)節(jié)和系統(tǒng)基本理論的介紹；遵循各環(huán)節(jié)的結(jié)構組成與動態(tài)特性相結(jié)合的教學體系。學生通過本門課程的學習，能夠加強用動態(tài)的概念分析問題的基本技能，了解自動控制原理的應用，掌握實驗的基本技能，為學習后續(xù)課程以及從事有關的工程技術工作和科學研究工作打下一定的基礎。本課程對培養(yǎng)學生的辯證思維能力，樹立理論聯(lián)系實際的科學觀點和提高學生分析問題、解決問題的能力有著重要的作用。在實際教學中存在內(nèi)容多、學時緊（40學時）的矛盾，加之這門課程比較抽象，公式繁多，有一定的深度和難度，而且對于數(shù)學理論基礎較弱的非控制專業(yè)的工科學生來說，學習熱情更加不高，學生經(jīng)常反映學習本門課程后不知如何系統(tǒng)應用。對于江蘇科技大學有船舶背景的能源與動力工程專業(yè)學生來說也是如此。針對這種情況，在逐年的教學過程中，不斷嘗試總結(jié)經(jīng)驗，從理論講授、計算機輔助、實踐教學等方面進行了改革，形成了一套全方位的教學新體系。

一、優(yōu)化課程內(nèi)容，突出課程特點

“自動控制基礎”課程主要包括控制系統(tǒng)數(shù)學模型，控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，控制系統(tǒng)的時域分析，控制系統(tǒng)的頻率響應及頻率指標，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析（勞斯判據(jù)、奈奎斯特判據(jù)）及相對穩(wěn)定性指標，控制系統(tǒng)的設計與校正，線性離散系統(tǒng)初步等。考慮到專業(yè)背景和學生的理解能力，在保持課程體系完整的前提下，理論教學中刪掉了根軌跡法和Z變換，在講解傳遞函數(shù)章節(jié)時插入兩課時的部分復變函數(shù)和積分變換內(nèi)容。本門課程的特點是知識點多而繁雜，因此凝練教學主線是學生掌握理論知識并靈活運用的關鍵。數(shù)學模型是控制系統(tǒng)分析和設計的基礎，首先通過實例分析講解典型線性元件的數(shù)學模型建立方法，在此基礎上結(jié)合實際控制系統(tǒng)講解控制系統(tǒng)結(jié)構圖的繪制和閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取方法。對于時域分析法和頻域分析法，突出時域分析法的直觀性，強調(diào)頻域分析法的工程應用。講課時從不同角度剖析教材中的重要定理、方法與公式等，讓學生充分認識教材內(nèi)容的含義，對于難以理解的數(shù)學推導加以刪減和弱化，更注重數(shù)學推導結(jié)論的應用，使復雜問題簡單化，重點是強調(diào)基本概念的理解與吸收，突出控制理論的工程應用背景，強調(diào)控制理論的實踐性，注重培養(yǎng)學生的工程意識。以學生熟悉的控制系統(tǒng)為例來分析系統(tǒng)結(jié)構、建立系統(tǒng)模型、分析控制系統(tǒng)工作原理、分析系統(tǒng)性能等，可以使學生真正掌握控制理論的應用方法，提高學生分析問題和解決問題的能力。

二、改進教學方法

由于“自動控制基礎”課程比較抽象，不同于一般的專業(yè)課，在授課過程中，學生普遍反映學習比較吃力，不知道這些知識學了用在什么地方，某些學生有“自動控制基礎課程難學又沒用”的想法，大部分學生的學習目的不明確，上課的注意力很容易不集中，傳統(tǒng)教學方法嚴重影響學生的學習積極性。針對這種情況以及學生對應的偏船舶專業(yè)背景，在課堂教學中引入船舶中大量的控制系統(tǒng)應用的實例，如把船舶柴油機氣缸冷卻水溫度控制系統(tǒng)、船舶燃油黏度控制系統(tǒng)、船用輔鍋爐的水位自動控制系統(tǒng)、主機遙控系統(tǒng)和船舶火災監(jiān)控系統(tǒng)自動控制等等，穿插到本門課程的教學中。這種教學方法通俗易懂，學生能很快接受，從“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”，課下經(jīng)常有學生請教實例中深層次的問題，學生普遍反映喜歡這種實例講解。同時在教學中注意采用多種教學手段與方法，上課并不是簡單地“念”多媒體課件，對于重要的數(shù)學推理以及公式，還是在黑板上進行推導，現(xiàn)代教學手段與傳統(tǒng)教學方法有機結(jié)合，可以使得課程教學更加科學[1]；課上多用啟發(fā)式提問，增加學生對知識點的感性認識，讓學生積極思考和分析，然后積極組織學生參與課堂討論，最后教師加以總結(jié)。師生之間形成良好的互動，課堂教學氛圍比較活躍，很大程度上調(diào)動了學生對學習的興趣。

三、注重Matlab軟件在教學中的應用

Matlab軟件在歐美國家早在20世紀90年代就正式引入教學中，如今Matlab已經(jīng)成為線性代數(shù)、控制理論、數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)字信號處理等課程的基本教學工具，成為歐美國家大學生必須掌握的基本技能。自動控制基礎課程理論復雜，公式也比較多，Matlab控制系統(tǒng)工具箱可以很好地處理以傳遞函數(shù)為主要特征的經(jīng)典控制問題[2]。將Matlab引入課堂教學中，不但可以提高教學質(zhì)量，也能吸引學生的學習興趣。例如時域分析中，系統(tǒng)對各種典型輸入信號的響應傳統(tǒng)上都是利用拉普拉斯變換法求解出系統(tǒng)輸出的拉普拉斯變換，然后拉普拉斯逆變換得到輸出的時間函數(shù)。由于江蘇科技大學能源與動力工程專業(yè)學生以前沒有學過復變函數(shù)與積分變換這類課程，加之過多的數(shù)學變換干擾了學生對時域分析的理解，特別是二階振蕩系統(tǒng)，得到的系統(tǒng)輸出方程比較復雜，學生難以理解。而且課堂教學中做出準確的曲線也比較困難。在Matlab環(huán)境下，可以很方便地輸入相應的參數(shù)，從而得到相應的響應曲線。再通過改變自然頻率和阻尼比的大小，可以很直觀地觀察到這兩個參數(shù)對時間響應曲線的影響。整個過程清晰明了，教學形象生動，復雜抽象理論的概念得以具體圖形化，學生對知識點易于掌握，對課程的興趣也得到提升。另外利用此軟件在頻率特性的Nyquist圖、Bode圖的繪制與分析以及系統(tǒng)的校正等傳統(tǒng)教學難點的教學中也收到了很好的教學效果。課下也鼓勵學生學習Matlab軟件，建議課后部分作業(yè)用Matlab來完成。

四、加強實驗教學

課程的實踐教學環(huán)節(jié)在江蘇科技大學是獨立授課實驗，授課教師與實驗教師的溝通尤為重要。一方面，目前實驗安排上盡量壓縮講解時間，減少演示性的實驗項目，相關的理論知識學完后緊跟實驗，增多設計性、綜合性的開放實驗內(nèi)容， 強化學生對基礎知識的理解，培養(yǎng)學生的自主學習能力，確保學生不但能做出結(jié)果，還能知道為什么會有這樣的結(jié)果；另一方面在Matlab環(huán)境下開展計算機輔助虛擬教學實驗，“虛實”兩種手段有機結(jié)合。對于動手能力強的學生，利用實驗室現(xiàn)有的設備，引導學生自己設計實驗項目，能力非常突出的，吸收到學校相關本科生創(chuàng)新計劃的研究小組。充分發(fā)揮學生的學習主動性和創(chuàng)造性，為畢業(yè)后的工作或深造打下基礎。

五、改革考核方式

“自動控制基礎”課程為必修考查課，考核方式比較靈活，教師可以自由選擇。以前都是采用開卷考試或者是小論文的方式，實施下來發(fā)現(xiàn)效果非常差，學生對本課程的重視程度不高，上課不聽講、睡覺，甚至干脆逃課的現(xiàn)象很多。而且自動控制基礎的一些基本概念和理論必須掌握，所以考試是必要的[3]。但單純采用閉卷考試后，學生往往都在考試前突擊復習，相當一部分學生的成績都是勉強及格。后來改用平時成績加期末考試卷面成績綜合的形式，平時成績和期末考試卷面成績各占50%，平時成績由以下幾部分構成：1.課堂考勤；2.課后作業(yè)，事先聲明嚴禁抄襲，必須是自己獨立完成，對于交上來的作業(yè)教師認真批改并及時講解，作業(yè)有抄襲嫌疑的在課堂上向?qū)W生求證，幾次下來作業(yè)抄襲現(xiàn)象得到了很好的遏制；3.課題提問環(huán)節(jié)，每次隨機提問，而不是傳統(tǒng)的按照學號順序來，這樣每個學生都覺得自己會被問到，上課就會集中注意力，認真聽講，同時也能檢驗學生的學習效果，每位學生在整個課程的教學過程中至少要被提問三次；4.額外加分項，課堂練習中有把握的學生可以上黑板來完成和講解，效果良好的學生可以獲得若干額外加分，份額為1—5分，為了公平起見，每個學生這樣的機會是兩次。期末考試不設填空題和選擇題，一般為四到五道計算題，命題突出能力考核。

以上教改措施經(jīng)過近幾屆學生的實施，取得了一定的成效，效果顯著，提高了教學質(zhì)量，激發(fā)了學生的學習興趣，加深了學生對課程知識的掌握，這也為后續(xù)課程的學習打下了良好的基礎。但教學方面還有很多問題需要繼續(xù)探索與完善，教學方法必須不斷改進、不斷總結(jié)、不斷創(chuàng)新，達到進一步提高學生的學習主動性，增強學生的學習創(chuàng)新能力、實踐能力的培養(yǎng)目標。

參考文獻：

[1]王偉，申愛明.“控制工程基礎”課程教學改革研究與探索[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2007，（2）.

[2]王輝，張段芹，馬軍等.基于MATLAB的機械工程控制基礎教學與實踐[J].山西科技，2013，（6）.

[3]劉建群.“機械工程控制基礎”課程教學改革的思考與實踐[J].廣東工業(yè)大學學報：社會科學版，2006，（S1）.