[摘要]針對“自動控制原理”課程的教改問題，首先從應用背景、理論性、直觀性和雙語教學等幾方面分析了“自動控制原理”課程的特點，闡述了教學改革的必要性;然后從設立基礎平臺課、優(yōu)化課程內容、實施雙語教學、進行課外模擬實驗等四個方面提出了教學改革與創(chuàng)新嘗試;接著敘述了這種教改的成效;最后給出了教學改革的一些展望。

[關鍵詞]自動控制原理;教學方法;教學改革

[中圖分類號]TP13[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2010)01-0063-04

0引言

“自動控制原理”是自動化專業(yè)和電氣專業(yè)的重要基礎理論課。它是學習“現(xiàn)代控制理論”、“過程控制”等本科后續(xù)課程的基礎，也是學習“線性系統(tǒng)理論”、“自適應控制”等研究生課程的基礎，還是工業(yè)過程控制與優(yōu)化設計的理論依據[1，2]。

各相關高校對“自動控制原理”課程的教學相當重視。他們通過精選教育部指定教材或自編教材、精選授課教師、創(chuàng)建國家級或省市級或校級精品課程、制作多媒體課件等多種手段，進行了大量的教學改革和實踐工作，取得了豐碩的教學研究成果[3~7]。

緊跟教學改革的大潮，東華大學信息科學與技術學院對“自動控制原理”課程的教學進行了大膽地改革和創(chuàng)新，從培養(yǎng)目標到教學計劃、從師資隊伍建設到教材建設、從重點基礎課程到校級和市級精品課程建設、從理論教學到實驗實踐等方面進行了全方位的探索，取得了比較顯著的成效[3~5]。

本文將結合東華大學“自動控制原理”課程的教改實踐，分別闡述“自動控制原理”課程教學改革的必要性、教學改革的幾點舉措、教學改革的成效及教學改革的展望等。

1課程教學的特點及教學改革的必要性

1.1課程教學的特點

“自動控制原理”課程的特點之一是它要求有直觀的工程背景。目前，自動控制在工業(yè)、農業(yè)、軍事、航空和社會科學等各個領域都得到了廣泛地應用。學生在學習此課程時，盡管教材中介紹了一些應用背景，但還沒有感性認識，更沒有將所學知識用于實踐的機會。這樣勢必造成理論與實踐的相對脫節(jié)。

“自動控制原理”課程的特點之二是它牽涉的理論知識較多。在建立控制系統(tǒng)的數學模型和各個知識點的應用時既要有力學、電學、光學和熱學等物理知識，又要有電路、電機、電力電子等知識，還要有較強的建模能力和靈活運用知識解決實際問題的能力。另外，扎實的數學功底是學習該課程的基礎。基礎數學中的微積分、復變量函數論、矩陣論等知識始終貫穿全課程。這就要求學生具有較好的數學素養(yǎng)。

“自動控制原理”課程的特點之三是它所包含的圖形多。比如工程應用原理圖、根軌跡圖、極坐標圖和對數坐標圖等。圖形可使教學的直觀性增強，但它給教學帶來一定的耗時。

若使用雙語教學并選用英文教材，其另一個突出的特點是專業(yè)英語的說與聽、讀與寫、英文教材與中文參考書的對照等形成較為突出的矛盾。學生在學習該課程時，本來就感覺到知識的難度，再加上對英文聽與讀的不適應，真有點難上加難的味道。而教師為了使學生基本能聽懂，不得不使用漢語和英語交替使用的方式，而且用英文板書時其板書的長度和速度以及使用英語的不習慣使得耗費的時間較長。

1.2課程教學改革的必要性

鑒于以上特點，如果采用傳統(tǒng)的方法進行“自動控制原理”的教學，則勢必帶來時間緊、內容多、知識點難而不能達到應有的教學效果的問題。

因此，為了使學生較好地掌握“自動控制原理”的基本知識，為學生考研或今后的相關工作打下堅實的理論基礎，為了較好地解決教與學、理論學習與實驗實踐、中文教材與英文教材等問題，必須進行“自動控制原理”的教學改革與實踐。而且教學改革要從教學目標、教材、教學方法和手段、實驗實踐等全方位實施相應的舉措。

2教學改革的幾點嘗試

圍繞“自動控制原理”及“信號與系統(tǒng)”等主干課程的教學與實踐，東華大學信息科學與技術學院開展了一系列教學改革活動。這些活動主要有:東華大學第三期教改項目“電氣信息類專業(yè)學科基礎平臺課教學改革研究”、東華大學第三期教改項目“電氣信息類專業(yè)教學改革研究”、東華大學第三期教改項目“電氣信息類專業(yè)實踐教學體系改革”，以及“自動控制原理”2009年上海高校市級精品課程?，F(xiàn)將這些嘗試性的工作分述如下。

2.1設立基礎平臺課

構建“4+3+1”教學課程體系，創(chuàng)建“自動控制原理”基礎平臺課程。這里的“4”即大學階段前4個學期學生選修相同的基礎平臺課程，“3”即大學階段的第5至第7個學期學生按專業(yè)方向分流，學習3個學期的專業(yè)課，“1”即大學階段的第8學期各專業(yè)學生在同一大平臺上選擇畢業(yè)設計課題，為實現(xiàn)學科交叉與滲透創(chuàng)造了條件。“自動控制原理”一直是東華大學自動化和電氣工程類專業(yè)的必修課。自2004年起，根據“加強基礎、淡化專業(yè)、拓寬知識面、注重工程實踐”的教學指導思想，東華大學信息科學與技術學院開設的自動化、電氣工程及其自動化、通訊工程、電子信息工程等四個本科專業(yè)按電氣信息大類招生，并設立相應的四個課程模塊。學生入學后前兩年學習共同的基礎課程和電氣信息學科大類的專業(yè)基礎課程，稱之為基礎平臺課程，第三年起按課程模塊選學相關專業(yè)課程。畢業(yè)時，學校根據學生所選專業(yè)課程模塊發(fā)放相應專業(yè)的畢業(yè)證書和學士學位證書。

2.2優(yōu)化課程內容

“自動控制原理”和“信號與系統(tǒng)”均為電氣信息大類專業(yè)的基礎平臺課程。這兩門課程同時在第四學期上，都為48學時。“自動控制原理”由原來的64學時縮減為48學時?！白詣涌刂圃怼睂嶒炚n不再夾雜在“自動控制原理”課程中設置，而是放在第四學期后的短學期單獨開設?！白詣涌刂圃怼焙汀靶盘柵c系統(tǒng)”這兩門課程在內容上存在一定的重復。比如，線性系統(tǒng)的方框圖、信號流圖、傳遞函數，Laplace變換和Z變換，系統(tǒng)響應的典型測試信號，線性定常系統(tǒng)的零極點及穩(wěn)定性判斷等在這兩門課中共同出現(xiàn)。要將這兩門課的內容有機地結合在一起，達到一加一大于二的效果，就必需對這兩門課程的內容進行優(yōu)化，統(tǒng)籌安排教學內容，改進教學方法，融合課堂實驗教學，使電氣信息大類的學生在有限的學時內，建立控制思想，掌握控制理論的基本概念、基本原理和基本方法，創(chuàng)新能力得到較大的提高。

“信號與系統(tǒng)”和“自動控制原理”是不同性質的專業(yè)基礎課。雖然它們在有些內容上存在一定的重復，但在思想體系及出發(fā)點上卻大不相同。自動控制系統(tǒng)是一般系統(tǒng)的一類子系統(tǒng)，而“自動控制原理”是信號與系統(tǒng)在自動控制領域的應用與發(fā)展。正是由于這個原因，信號與系統(tǒng)偏重于理論，在內容上主要側重于數學分析和運算，很少涉及應用。而“自動控制原理”則側重于控制理論在實際中應用。因此在“自動控制原理”的教學過程中，注重對基本概念、基本理論和基本方法的闡述，使學生在頭腦中形成一定的工程應用概念。在選用例子時，盡量選用實際控制系統(tǒng)的例子，這樣能夠使學生在很少的時間內理解一般系統(tǒng)的控制規(guī)律，掌握控制系統(tǒng)的有關概念。而在講述數學模型中的信號流圖，線性系統(tǒng)中的Laplace變換和微分方程的求解等內容時，由于這部分內容與“信號與系統(tǒng)”中的部分內容相重復，就可簡單講解。在“自動控制原理”中不重點講述的脈沖響應函數和卷積的概念，在“信號與系統(tǒng)”中作為重點進行闡述，這樣可以提高學生的理論水平，幫助學生解決相關的自動控制知識。在理解自動控制系統(tǒng)概念的基礎上，重點講授控制系統(tǒng)的動態(tài)響應分析和穩(wěn)定性分析，用根軌跡法分析系統(tǒng)的性能，用頻率響應法分析系統(tǒng)的性能，以及用系統(tǒng)的根軌跡圖、極坐標圖和對數坐標圖進行系統(tǒng)的校正與設計等內容。

另外，由于控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間法是現(xiàn)代控制理論的基石，而現(xiàn)代控制理論是一門后續(xù)課程，所以在“自動控制原理”中暫不介紹狀態(tài)空間法。同樣的，離散系統(tǒng)控制也將是后續(xù)課程“計算機控制系統(tǒng)”要重點而集中講授的內容，因此在“自動控制原理”中對此部分也不作介紹。

再者，任課教師已達成了一個共識，那就是設置本課程教學的目的并不在于使學生僅僅多學一些知識，而是通過該課程的學習，在學生頭腦中形成一種穩(wěn)固的控制理念，并使他們自己學會找出與本專業(yè)的實踐結合點，培養(yǎng)一種對知識的應用和創(chuàng)造的能力。在教學過程中筆者重點講述基本概念、基本原理和基本方法。通過典型示例，引出自動控制，反饋校正等基本概念。通過強化物理概念，使學生看到的不僅是一個個方框圖、眾多的傳遞函數，更是看到了方框圖背后所代表的物理系統(tǒng)，這樣在進行系統(tǒng)的分析和設計時就有了明確的物理概念。

2.3開展雙語教學

為了適應高等教育國際化的需要，東華大學自2003年以來在本科自動化專業(yè)中開展了雙語教學，對作為電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎平臺課“自動控制原理”，進行了雙語教學的實踐與改革。在雙語教學中，筆者選用在北美許多大學被廣泛使用的英文原版教材《Modern Control System》(Richard.Dorf Robert.Bishpo)。教師根據課程教學目標和任務及原版教材內容，撰寫雙語教學大綱，制作雙語教學課件，編寫簡明的教學輔導講義，通過網上公布或郵件將輔導講義、課件、習題參考答案等發(fā)給學生，方便學生課前預習和課后復習。在“自動控制原理”課堂教學中，筆者融入Matlab實驗教學內容，引入Matlab語言，使課程中一些繁瑣的數學計算得以解決，使學生從花大量的時間去做習題中解脫出來，能夠抓住重點，掌握基本概念，基本理論和基本方法，提高綜合分析能力。結合原版教材的特點，注重培養(yǎng)學生用英語思考和解決專業(yè)問題的能力，增強學生了解世界科技最新成果和向國外發(fā)表學術成果的能力。結合課程性質采用多媒體課件，充分發(fā)揮現(xiàn)代教學手段的優(yōu)勢。

要改變學生以會做題目作為學習的宗旨的觀念，須對現(xiàn)有考試內容和考試方法進行改革。筆者采取試卷用英文命題，根據學生實際水平安排一定比例題目用英語答題。在考試內容中適當增加一些考察學生對基本概念掌握程度的概念題，以判斷對錯，或簡答等形式出現(xiàn)，以增強學生對概念的重視程度。同時增加綜合性內容，利用所學的本課程知識，了解學生對本課程的融會貫通能力和綜合分析能力，從中發(fā)現(xiàn)一些具有獨立思考，分析問題有獨到見解的優(yōu)異生，為各專業(yè)的深化培養(yǎng)提供信息。參考平時課堂討論、書面作業(yè)，綜合表現(xiàn)給出最終成績。這樣既能反映學生的真實水平，也客觀反映了教學效果。

2.4開展課外模擬實驗

為了更好地掌握“自動控制原理”課程的基本內容，實驗是必不可少的一個環(huán)節(jié)。盡管在“自動控制原理”課程中沒有夾雜安排實驗實踐課時，但將它納入平時的課外模擬實驗和第四學期后的短學期的課程設計之中。

筆者充分利用先進的實驗設備、實驗方法對實踐教學內容進行整合，形成了適用于不同層次教學需求的實驗教學體系，包括以模擬機搭建模型的模擬實驗，基于Matlab的仿真實驗，以Quanser公司雙容水槽為對象的研究性、創(chuàng)新性實驗。

課外模擬實驗的主要內容有:使用運算放大電路模擬典型環(huán)節(jié)，二階系統(tǒng)動態(tài)響應，超前校正等。這些實驗的重點是加強學生對理論問題的理解和培養(yǎng)學生系統(tǒng)仿真的能力?；贛atlab的仿真實驗包括:控制系統(tǒng)的時域分析，根軌跡分析，頻域分析，超前、滯后校正， PID校正等綜合性、設計性實驗。這些實驗要求學生掌握基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)分析和設計的基本方法，編寫M程序或畫Simulink仿真圖，以完成原版教材后的部分Matlab習題。以Quanser公司雙容水槽為對象的研究性、創(chuàng)新性實驗，以耦聯(lián)水罐為被控對象，數據采集卡、電源/功放模塊、工控機構成控制系統(tǒng)，采用實時控制軟件QuaRC，讓學生將Matlab編寫的控制算法用于對實際水罐液位的控制，不僅完成常規(guī)的PID控制，還可實現(xiàn)自適應PID，模糊控制等先進控制策略。本層次實驗可充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)新性，要求學生獨立完成非線性對象的建模，控制方案設計，控制程序的編寫、調試、系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調等工作。通過本層次的實驗，提高了學生將所學控制理論知識用于解決實際問題的能力，為今后進行實際系統(tǒng)的過程控制打下了良好的基礎。

實驗設備主要來源于與著名的自動化廠商合作建立的貝加萊和施耐德自動控制實驗室和以從Quanser公司購進的雙容水槽為代表的過程控制實驗室。這些實驗室具有先進的可控制實驗平臺，完全可滿足學生課外實驗的需要。

3教學改革的成效

作為電氣信息大類專業(yè)基礎平臺課的“自動控制原理”，要對每年十幾個班，四百多名學生授課，教學工作量大，任務繁重，并且該課程教學質量的好壞將直接影響學生選擇專業(yè)。通過六年的不懈努力和實踐，東華大學“自動控制原理”課程在校精品課程建設的基礎上申報并獲批2009年度上海高校市級精品課程。四年的教學實踐表明，學生對該課程的滿意度較高，學生選擇自動化與電氣工程及自動化專業(yè)的比例逐年增加，也有許多非自動化專業(yè)的學生選擇運動控制或過程控制作為畢業(yè)設計的選題。通過數年的課堂教學和課外模擬實驗的改革和實踐，東華大學自動化專業(yè)學生的創(chuàng)新意識和能力有了明顯提高。學生積極參加全國大學生電子設計競賽、智能汽車競賽、機器人競賽等各種競賽和科技活動，并取得了良好的成績。

4結束語

“自動控制原理”是有關自動化專業(yè)的一門基于實踐的理論基礎課。各個相關高校都非常重視這門課的教學改革與創(chuàng)新，并取得了很大的成績。但在教學中還存在著諸如學生的學習積極性和實驗條件的限制等問題。特別是如何提高雙語教學的教學質量的問題值得進一步思考。隨著時代的進步，知識的更新、教學手段的更新也會與時俱進。只有不懈地努力，堅持創(chuàng)新理念、堅持理論與實踐相結合的原則、堅持以培養(yǎng)學生的解決實際問題的能力為基準，就一定能進一步提高教學質量，將“自動控制原理”的教學改革推向縱深。

參考文獻

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