河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 李珊珊 孔德剛 弋景剛 袁永偉 劉江濤

引言

自動(dòng)控制原理是電氣與自動(dòng)化專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程在內(nèi)容體系中起著承上啟下的作用。主要介紹討論了單輸入—單輸出定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題，講授經(jīng)典控制理論的三大分析方法——時(shí)域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法，自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合與校正的一般方法和非線性系統(tǒng)等內(nèi)容，課程具有一定的抽象性，包含大量的數(shù)學(xué)內(nèi)容和復(fù)雜計(jì)算。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生系統(tǒng)掌握自動(dòng)控制的基本原理和基本方法，并能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量計(jì)算和綜合設(shè)計(jì)。學(xué)生普遍反映難以理解，內(nèi)容枯燥。基于此，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行更新，在教學(xué)中引入了MATLAB編程語(yǔ)言。

1 現(xiàn)代教育理念

1.1 以學(xué)生為中心

美國(guó)人本主義心理學(xué)家卡爾·羅杰斯于1952年提出“以學(xué)生為本”的教育理念，主張促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展、人格完善和潛能發(fā)揮，使他們能夠愉快地、創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)和工作。目前，這種教育理念仍然作為一種基本的現(xiàn)代教育理念。

1.2 創(chuàng)新發(fā)展的理念

黨的十八屆五中全會(huì)提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”五大發(fā)展理念，其中創(chuàng)新被置于首位。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識(shí)更新?lián)Q代速度加快，對(duì)復(fù)合創(chuàng)新型人才的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，人才培養(yǎng)要摒棄傳統(tǒng)的知識(shí)灌溉模式，應(yīng)將教學(xué)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到重視研究方法學(xué)習(xí)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神上。

1.3 OBE教育理念

OBE為“Outcomes-based Education”的縮寫，OBE教育理念即基于成果導(dǎo)向的教育理念。美國(guó)的Spady在《基于產(chǎn)出的教育模式：爭(zhēng)議與答案》一書(shū)中把OBE定義為“關(guān)注和組織教育體系，以確保學(xué)生在未來(lái)的生活中獲得實(shí)質(zhì)性的成功經(jīng)驗(yàn)”。OBE教育理念強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)結(jié)果的重要性，教學(xué)者要規(guī)劃學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，根據(jù)學(xué)生的具體情況和現(xiàn)代社會(huì)需求保證學(xué)習(xí)目標(biāo)的順利達(dá)成。

上述這些教育理念歸根結(jié)底都要以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，要求培養(yǎng)出的學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。而MATLAB語(yǔ)言的引入就是以學(xué)生為中心，為學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的發(fā)展提供了空間。

2 MATLAB軟件及其特點(diǎn)

MATLAB編程語(yǔ)言是20世紀(jì)80年代美國(guó)MathWorks公司推出的一種教學(xué)軟件，具有開(kāi)放的環(huán)境、強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力和圖形繪制功能，數(shù)據(jù)可視化性強(qiáng)。工作區(qū)包括矩陣運(yùn)算、圖形渲染、數(shù)據(jù)處理、各種工具箱以及類似“草稿紙”的多種模塊。MATLAB編程語(yǔ)言作為一種工程計(jì)算軟件已成為許多高校自動(dòng)控制課程的教學(xué)工具。具有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.1 強(qiáng)大廣泛的應(yīng)用

MATLAB的基本單位是語(yǔ)言矩陣，可用于各種矩陣操作。MATLAB在自動(dòng)控制、語(yǔ)言處理、圖像信號(hào)處理及建筑、航空航天、機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)中都有廣泛應(yīng)用，工程人員可以借助該語(yǔ)言提供的工具箱解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)態(tài)仿真，并顯示計(jì)算結(jié)果。

2.2 編程效率高，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔高效

MATLAB是一種簡(jiǎn)潔的高級(jí)語(yǔ)言，可以用數(shù)學(xué)語(yǔ)言編寫程序，用MATLAB編寫程序更接近于書(shū)寫計(jì)算公式的思維方式，好像在草稿紙上列出公式與求解問(wèn)題，編寫簡(jiǎn)單、編程效率高，初學(xué)者易于掌握。此外，MATLAB編程語(yǔ)言提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，用戶編程時(shí)可以根據(jù)需要直接調(diào)用，也可以根據(jù)自身需要擴(kuò)展新的庫(kù)函數(shù)，從而大大提高了編程速度和編程效率。

2.3 圖形功能強(qiáng)大便捷

MATLAB編程語(yǔ)言提供了圖形手柄上的低級(jí)繪圖操作和基于低級(jí)繪圖操作構(gòu)建的高級(jí)繪圖操作兩個(gè)級(jí)別。使用圖形處理功能可對(duì)圖形元素執(zhí)行各種操作。

2.4 自動(dòng)控制工具包功能齊備

MATLAB是控制行業(yè)常用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，在控制領(lǐng)域幾乎所有研究都有相應(yīng)工具箱。如控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)識(shí)別工具箱、魯棒控制工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱等，這些工具箱構(gòu)成了強(qiáng)大的自動(dòng)控制工具。

3 教學(xué)現(xiàn)狀及改進(jìn)方法

“自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容抽象分散、理論性強(qiáng)，有大量的公式和數(shù)學(xué)運(yùn)算，要求學(xué)生前期需要掌握許多物理學(xué)和高級(jí)數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，而這些內(nèi)容對(duì)于絕大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)屬于薄弱環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的以教師為主的多媒體與板書(shū)相結(jié)合的滿堂灌式教學(xué)方式讓學(xué)生普遍覺(jué)得內(nèi)容抽象、枯燥乏味、理解困難，學(xué)生很難對(duì)教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生興趣，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果和課程設(shè)置目標(biāo)?；诖?，為了改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，教研組在課程中引入了MATLAB編程語(yǔ)言，進(jìn)而激發(fā)和提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)興趣。

4 MATLAB在自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)課程理論知識(shí)，介紹的內(nèi)容主要包括控制系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)分析及控制系統(tǒng)綜合標(biāo)定和設(shè)計(jì)三大部分。建模部分主要是使用MATLAB編程語(yǔ)言在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)各種模型的輸入以及形式轉(zhuǎn)換和繪制不同的響應(yīng)曲線，MATLAB軟件提供了有理分式傳遞函數(shù)模型、零極點(diǎn)增益模型、狀態(tài)方程模型等線性系統(tǒng)的多種數(shù)學(xué)模型函數(shù)，學(xué)生使用MATLAB語(yǔ)言可以進(jìn)行根軌跡分析、頻率特性分析、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等分析。

“MATLAB及其應(yīng)用技術(shù)”作為選修課與“自動(dòng)控制原理”在同一學(xué)期開(kāi)設(shè)，學(xué)生在學(xué)習(xí)完MATLAB后可以在自動(dòng)控制原理中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，更好地掌握軟件知識(shí)，將抽象內(nèi)容以學(xué)生易于了解、掌握的形式呈現(xiàn)出來(lái)。在課堂教學(xué)中，學(xué)完理論知識(shí)后，抽出一定時(shí)間介紹MATLAB相關(guān)內(nèi)容，主要介紹關(guān)鍵語(yǔ)句、簡(jiǎn)短模擬程序，以及如何利用特定語(yǔ)言輔助學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，要求學(xué)生利用課后時(shí)間練習(xí)一些句子和程序，進(jìn)而完成數(shù)學(xué)模型、響應(yīng)曲線、根軌跡圖、頻率特性曲線等的建立。通過(guò)兩門課程內(nèi)容相互融合、驗(yàn)證的形式，學(xué)生可以更深入系統(tǒng)地了解和掌握軟件應(yīng)用方法，拓展知識(shí)面。

5 MATLAB應(yīng)用于課程改革的成效

自動(dòng)控制系統(tǒng)性能主要通過(guò)圖形進(jìn)行分析，繪制系統(tǒng)響應(yīng)曲線通常需要花費(fèi)大量時(shí)間，引入MATLAB語(yǔ)言后，利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能，學(xué)生可以快速輕松地繪制系統(tǒng)曲線，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，觀察曲線的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。此外，MATLAB在課程中的應(yīng)用活躍了課堂氛圍，使學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制不再有恐懼感，對(duì)所學(xué)知識(shí)有了深刻了解，聽(tīng)課效率和學(xué)習(xí)效果有了顯著提高。同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐能力，便于學(xué)生在實(shí)踐操作中鞏固理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。

6 結(jié)語(yǔ)

MATLAB的引入從根本上改變了自動(dòng)控制原理的傳統(tǒng)教學(xué)模式，使其從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c實(shí)際工程控制案例緊密結(jié)合的生動(dòng)教學(xué)，使許多抽象的知識(shí)形象具體化，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，基于自動(dòng)控制原理課程的自身特點(diǎn)，部分理論推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程依賴于傳統(tǒng)教學(xué)方式，便于學(xué)生掌握。因此，課程采取傳統(tǒng)教學(xué)和MATLAB應(yīng)用教學(xué)相結(jié)合的模式，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。