郭愛文?余亮英

摘要：從學生認知心理的特點和規(guī)律出發(fā)，圍繞工程應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，針對武漢大學核工程與核技術(shù)專業(yè)的“自動控制原理”課程進行教學的探索、改革與實踐，優(yōu)化課程的教學體系和教學內(nèi)容，采用啟發(fā)式、自學研討式和實例貫穿式等教學方法，指導學生建立良好的知識認知結(jié)構(gòu)，激發(fā)學生的學習興趣，從而有效地提高教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；核工程與核技術(shù)；教學改革

作者簡介：郭愛文（1974-），女，湖南雙峰人，武漢大學動力與機械學院，講師；余亮英（1976-），女，湖北新洲人，武漢大學動力與機械學院，講師。（湖北 武漢 430072）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0101-02

在世界經(jīng)濟發(fā)展的新形勢下，能源是影響各國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為應對氣候變化，更好地節(jié)能減排，確保生態(tài)平衡，低碳經(jīng)濟成為人類環(huán)保的共同目標。從2007年開始，國務院正式批準《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020年）》，明確了發(fā)展目標。中國核電的快速發(fā)展，勢必需要大量的核電人才，以應對核電產(chǎn)業(yè)鏈當中各個環(huán)節(jié)人才的短缺與需求，而核電人才培養(yǎng)也將成為加速中國核電事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。[1]為適應我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和核電的快速發(fā)展，武漢大學依靠自身強有力的師資水平和辦學實力，于2008年開設了核工程與核技術(shù)專業(yè)，并通過校企合作等培養(yǎng)模式，為中廣核等工程單位培養(yǎng)輸送了新鮮血液。

武漢大學（以下簡稱“我?！保┑暮斯こ膛c核技術(shù)專業(yè)主要研究核能安全利用、核電站運行優(yōu)化與自動控制。因此“自動控制原理”課程是動力與機械學院核工程與核技術(shù)專業(yè)的基礎課程之一，對學生學習后續(xù)課程“核電站儀表與控制”、“壓水堆核電站控制”以及大學生節(jié)能減排科技活動等都有著重要的影響?！白詣涌刂圃怼闭n程旨在研究自動控制系統(tǒng)的建模、分析與設計的基礎理論和方法，具有理論性強、概念抽象等特點。如何有效針對核工程與核技術(shù)專業(yè)的學生實際，將學生的數(shù)學基礎、專業(yè)理論及工程實踐有機地結(jié)合起來，提高教學質(zhì)量是筆者進行教學改革探索的目的。本文結(jié)合武漢大學核工程與核技術(shù)專業(yè)的建設，將“自動控制原理”課程在該專業(yè)教學和培訓中的應用進行了實踐與研究。

認知心理學是以信息加工為核心的心理學，它吸收了信息論、控制論、系統(tǒng)論和計算機科學等當代最新理論和科技成果的精華，用實驗方法和信息加工觀點研究心理過程。[2]核工程與核技術(shù)專業(yè)本身就是一門實踐性很強的學科，經(jīng)過近幾年的教學探索，筆者從學生認知心理的特點和規(guī)律出發(fā)，建立一套以互動—實踐—創(chuàng)新為主線的教學模式。一方面，采用形象化的教學手段，并結(jié)合核工程與核技術(shù)的專業(yè)實際，將控制系統(tǒng)理論進行深入淺出的剖析；另一方面，針對專業(yè)實際，合理優(yōu)化教學內(nèi)容，并以大學生節(jié)能減排大賽為契機，激發(fā)學生自主學習能力、實踐創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力，以適應社會對工程應用型本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

一、形象化教學手段

根據(jù)核工程與核技術(shù)專業(yè)的教學大綱要求，“自動控制原理”基礎課程開設在第4學期，而此時學生對于控制系統(tǒng)的概念幾乎沒有任何的感性認識，更沒有機會在實際現(xiàn)場親身體驗自動控制系統(tǒng)。針對這一特點，為了加強核工程及核技術(shù)專業(yè)對“自動控制原理”課程的認識，筆者對學生開設了1～2學時的“走進自動控制”的視頻感官認識課程，不僅可以激發(fā)學生對“自動控制原理”的感性認識，理解學有所用，同時還可以帶領學生梳理之前學過的基礎課程，如“電工學”等，讓學生回想此前學過的概念、理論和方法，給學生建立系統(tǒng)的觀念。

根據(jù)核工程與核技術(shù)專業(yè)發(fā)展需求，武漢大學建立了核電仿真研究中心。授課教師在教學過程中可以充分利用專業(yè)實驗室資源，讓課堂走進實驗室。教師利用虛擬仿真現(xiàn)實技術(shù)和多媒體設備，將復雜抽象的理論知識用多媒體進行展示，并通過編制三維動畫等方式來豐富課程內(nèi)容和表現(xiàn)形式，變常規(guī)的黑板教學為實體化教學，使過去因無法看到實物而抽象難學的內(nèi)容變得具體形象。例如，在“自動控制原理”課程中講解系統(tǒng)建模時，筆者利用核電站流程Flash動畫、實物圖等方式，[3]講解核島結(jié)構(gòu)，并以反應堆壓力容器的工作原理為例，利用虛擬仿真現(xiàn)實技術(shù)對反應堆壓力容器的工作過程進行三維模擬，學生不僅較好地掌握了系統(tǒng)建模過程，同時也更直觀、更形象、更全面地領會了控制系統(tǒng)的反饋原理。利用核電仿真研究中心這一平臺，筆者在講授過程中，將控制理論中的系統(tǒng)建模、反饋概念、方框圖等理論知識與壓水堆核電站中的溫度控制、燃料控制等工程實際相結(jié)合，引導學生對實際控制系統(tǒng)的各個組成部分進行分析。這種結(jié)合專業(yè)特色的“自動控制原理”教學手段不僅極大地激發(fā)了學生的學習熱情，也使學生更加深入地理解了“自動控制原理”課程中一些理論性非常強的知識點，對學生后續(xù)課程知識的學習奠定了良好的基礎。圖1為采用Flash動畫方式演示的核電站流程原理。

在講解時域分析、頻域分析和系統(tǒng)校正等重點難點內(nèi)容時，教師在課堂上直接應用Matlab/Simulink作為控制系統(tǒng)CAD。[4]在教學過程中適當?shù)噩F(xiàn)場演示由Matlab編程實現(xiàn)的各變換域分析結(jié)果，利用虛擬仿真對系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及性能指標進行計算，避免計算和繪圖中的錯誤。與此同時，教師選定適當?shù)慕虒W內(nèi)容，比如Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)部分，通過啟發(fā)式教學方式，學生通過參與式學習方式，鼓勵學生課外自主學習、自己編程、小組討論，最后選派代表上臺結(jié)合仿真圖形進行講解。對于學生講授中的不足之處，教師再加以補充完善。這種教學方式極大地調(diào)動了學生自主學習的積極性，化被動學習為主動學習，活躍了課堂氛圍，顯著地提升了課堂授課效率。

二、優(yōu)化教學內(nèi)容

1.數(shù)學基礎知識的補充

“自動控制原理”中包含許多數(shù)學基礎，主要是以復變函數(shù)和常微分方程為數(shù)學工具。針對核工程和核技術(shù)專業(yè)的課程設置中沒有開設復變函數(shù)課程這一特點，教師應該在引入傳遞函數(shù)概念之前，簡潔明了地介紹拉氏變換；在講解Nyquist曲線時，引入復變函數(shù)當中的保角映射等基本數(shù)學知識點，這樣有助于學生在“自動控制原理”課程當中對相應概念的理解和基礎知識的加深。

2.加強課程內(nèi)容之間的有機結(jié)合

“自動控制原理”課程的精髓是以“穩(wěn)、準、快”為主線。對于任何一個控制系統(tǒng)而言，穩(wěn)定是第一要義，這一點與核電工業(yè)生產(chǎn)當中的“安全穩(wěn)定”宗旨是不謀而合的。在課程學習的過程中，無論是時域分析、根軌跡分析、頻域分析都涉及到系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。對于初學者而言，往往將各個章節(jié)單獨學習，尚不能形成系統(tǒng)學習的概念。而實際上，“自動控制原理”中的連續(xù)控制系統(tǒng)各部分是相互關(guān)聯(lián)的。教師在教學當中應當引導學生不要孤立地學習各個部分，而應用系統(tǒng)、全局的觀點來學習和理解穩(wěn)定性分析，讓學生更深層次地理解時域、頻域、復域之間的相互轉(zhuǎn)換，深入剖析對“自動控制原理”課程中Routh判據(jù)、Nyquist判據(jù)等不同穩(wěn)定性判據(jù)之間的差異和內(nèi)在聯(lián)系。

3.精簡教學內(nèi)容，強化關(guān)鍵知識點

作為核工程與核技術(shù)專業(yè)的學生，“自動控制原理”課程的學時少（45學時），內(nèi)容多，因此不可能也沒有必要像自動化專業(yè)學生一樣對所有的知識點面面俱到。針對專業(yè)特點，筆者主要講授線性定常系統(tǒng)的分析和綜合，重點放在連續(xù)系統(tǒng)，兼顧離散系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)部分讓學生課外補充。對于基礎性和學生必須掌握的關(guān)鍵內(nèi)容，如時域系統(tǒng)、頻域系統(tǒng)中穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)性能指標的計算等進行重點講授。

三、教學與科研相結(jié)合

動力與機械學院每年都組隊參與全國大學生節(jié)能減排大賽，并屢有斬獲。這一比賽與核工程與核技術(shù)專業(yè)密切相關(guān)，教師根據(jù)往屆學生獲獎節(jié)能減排課題，將其中有關(guān)的控制理論知識進行提取，將理論知識與實踐進行有機結(jié)合。利用課余時間邀請往屆參與節(jié)能減排大賽的學生現(xiàn)身說法，讓學生進一步了解“自動控制原理”在行業(yè)領域中的應用，對學生進行科研基礎知識儲備，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，提高學生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語

為了適應核工程與核技術(shù)專業(yè)工程應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，獲得良好的教學效果，筆者結(jié)合學生認知心理的特點和規(guī)律，對“自動控制原理”課程的教學方法、教學內(nèi)容等方面做了一系列的改革嘗試。筆者結(jié)合專業(yè)特點將教學內(nèi)容以動畫、現(xiàn)場虛擬仿真演示等現(xiàn)代教育技術(shù)手段表現(xiàn)出來；結(jié)合科研活動，將自動控制理論與專業(yè)實際相融合，激發(fā)學生的學習熱情，以提高教學質(zhì)量。

參考文獻：

[1]趙珥希，劉曉芳.加強核電人才素質(zhì)教育芻議[J].華北電力大學學報（社會科學版），2011，（1）：136-140.

[2]王志堅.認知心理學的學習理論對課堂教學的啟示[J].中國教育學刊，1997，（2）.

[3]韓永華，陳劍.動態(tài)形象化教學在圖像處理類課程中的應用[J].電氣電子教學學報，2011，33（1）：101-103.

[4]張正強，王艷霞.“現(xiàn)代控制理論”課程的教學探討[J].電氣電子教學學報，2009，31（5）：31-32.

（責任編輯：王意琴）