禹柳飛

摘要：在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，分析了多年《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)中存在的問題，提出該課程教學(xué)改革的思路；在教學(xué)改革實(shí)施過程中采用了以工程實(shí)例為中心與問題式驅(qū)動(dòng)教學(xué)的教學(xué)方法，實(shí)踐證明改進(jìn)的教學(xué)方法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的分析與解決問題的能力，教學(xué)改革取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：CDIO；工程項(xiàng)目；自動(dòng)控制原理；工程教育；仿真教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ？搖文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）09-0037-02

2000年10月，美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家理工學(xué)院等4所大學(xué)組成的工程教育改革研究團(tuán)隊(duì)提出了全新的CDIO（Con2ceiving-Designing-Implementing-Operation）工程教育理念即構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行。該理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的能力培養(yǎng)為目標(biāo)，并于2004年成立了CDIO國(guó)際合作組織，迄今已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO組織。通過國(guó)際合作的方式，多個(gè)國(guó)家、大學(xué)、專業(yè)可并行探索，大大加快了改革步伐。廣東石油化工學(xué)院自2008年開始在部分工科專業(yè)探索CDIO工程教育模式的改革，在取得了一定成效后，2010年電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)申報(bào)了以CDIO工程教育改革為目標(biāo)的廣東省特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)項(xiàng)目點(diǎn)并獲得立項(xiàng)，該專業(yè)由此開始全面實(shí)施CDIO工程教育模式的改革。《自動(dòng)控制原理》課程是電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是《過程控制工程》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》等專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程和將來(lái)工作奠定了理論基礎(chǔ)。為提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，該課程自2010年開始著手CDIO工程教育模式的改革。

一、以工程項(xiàng)目做引導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

《自動(dòng)控制原理》課程主要是介紹如何應(yīng)用數(shù)學(xué)方法來(lái)分析與設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，課程內(nèi)容涉及大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算與推導(dǎo)，部分學(xué)生學(xué)了一段時(shí)間后覺得很枯燥，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性嚴(yán)重受挫，按部就班采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，教學(xué)效果不理想；而開設(shè)《自動(dòng)控制原理》課程是在第五學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了二年的基礎(chǔ)課程，對(duì)專業(yè)知識(shí)、工程項(xiàng)目非常向往，而該課程是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，本身具有堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)，基于此該課程的第一個(gè)教學(xué)改革實(shí)踐為第一堂課安排在過程控制工程實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，以真實(shí)的雙容水箱為對(duì)象，介紹自動(dòng)控制中的基本概念，說明雙容水箱水位、壓力和流量自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出如果讓學(xué)生自己來(lái)設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)該如何著手，在教學(xué)過程中提出了《自動(dòng)控制原理》課程要重點(diǎn)解決的問題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)是不是應(yīng)該先了解控制對(duì)象，性能達(dá)不到要求該如何解決，是不是該對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，通過這樣的引導(dǎo)，加深學(xué)生對(duì)控制理論基本概念的理解，進(jìn)而說明要提高系統(tǒng)性能必須了解系統(tǒng)，就引導(dǎo)學(xué)生明白系統(tǒng)分析的重要性，而系統(tǒng)分析不是目的，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生理解學(xué)習(xí)本課程的目的是系統(tǒng)的綜合與設(shè)計(jì)，這樣教師結(jié)合工程實(shí)例分析清楚了課程明晰的邏輯關(guān)系，為學(xué)生以后在學(xué)習(xí)和工作時(shí)分析與解決控制問題上提供了思路，從而無(wú)形之中提高了學(xué)生分析與解決問題的能力。

二、圍繞工程實(shí)例組織教學(xué)內(nèi)容

《自動(dòng)控制原理》課程內(nèi)容主要包括自動(dòng)控制基本概念的介紹、系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、根軌跡分析、頻率分析、系統(tǒng)綜合與校正、離散系統(tǒng)分析等，在近三年的教學(xué)實(shí)踐中所有教學(xué)內(nèi)容都緊緊圍繞過程控制工程實(shí)驗(yàn)室的雙容水箱水位、壓力、流量控制系統(tǒng)進(jìn)行，與學(xué)生一起測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室水箱的截面積、進(jìn)水出水管道的口徑等參數(shù)，通過機(jī)理建模型方法推導(dǎo)出了單容（一階對(duì)象）、雙容水箱（二階對(duì)象）的數(shù)學(xué)模型，有了水箱的數(shù)學(xué)模型可以對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析，了解一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的時(shí)域性能，也可以對(duì)其進(jìn)行根軌跡分析、頻域分析，實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身就是一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也為離散控制系統(tǒng)的分析提供了一個(gè)很好的實(shí)例；通過具體的教學(xué)說明，以工程實(shí)例組織教學(xué)，可以讓學(xué)生不再面對(duì)大量枯燥的數(shù)學(xué)公式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更加明確學(xué)習(xí)該課程的目的，為將來(lái)從事工程實(shí)踐提供了方法和思路。

三、引入仿真教學(xué)手段，幫助學(xué)生消化教學(xué)內(nèi)容

MATLAB語(yǔ)言在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用，它帶有豐富的函數(shù)庫(kù)，只需要幾條指令就可以將系統(tǒng)的輸出、根軌跡、頻率特性用一條或幾條曲線表示出來(lái)；從圖上還可以看出系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)性能的變化情況；MATLAB軟件本身帶有電氣控制系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)的實(shí)例，通過運(yùn)行DEMO實(shí)例，讓學(xué)生既掌握了系統(tǒng)的控制過程，又明確了改進(jìn)系統(tǒng)性能的方法；仿真教學(xué)的應(yīng)用有效地幫助了學(xué)生理解控制系統(tǒng)的基本概念，消化教學(xué)內(nèi)容，也引導(dǎo)學(xué)生思考如何運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)來(lái)分析現(xiàn)實(shí)問題，大大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

四、合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備由ACT-I實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)構(gòu)成，為一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，模擬部分由運(yùn)算放大器與RC電路組成，在開設(shè)該課程實(shí)驗(yàn)前學(xué)生已做過電路實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)，對(duì)用這樣的設(shè)備來(lái)做實(shí)驗(yàn)興趣不大，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容顯得尤為重要，為了培養(yǎng)學(xué)生初步的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，要求學(xué)生自主結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這就促使學(xué)生考慮該如何去選取模擬模塊，如何去推導(dǎo)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，如何去設(shè)計(jì)PID控制器，實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間均有要求，系統(tǒng)的因阻尼比大于1系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，促使學(xué)生去改造對(duì)象，加入校正環(huán)節(jié)。通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為學(xué)生以后從事工程實(shí)踐提供了思路，知道該如何應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能達(dá)不到要求等問題。

五、回歸工程鞏固所學(xué)課程知識(shí)

在完成了該課程的全部教學(xué)內(nèi)容后，安排二次回歸工程課，一次安排在過程控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，再提出本課程第一次課所學(xué)內(nèi)容，通過演示實(shí)驗(yàn)說明系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過程，鞏固學(xué)生所學(xué)的基本概念，在演示過程中合理調(diào)整控制器PID參數(shù)，通過觀察輸出信號(hào)的響應(yīng)曲線，說明控制器在系統(tǒng)中所起的作用，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生回憶所學(xué)的如何提高系統(tǒng)性能的課程內(nèi)容；教學(xué)中承上啟下開始提出系統(tǒng)集成的概念，點(diǎn)出這才是專業(yè)的落腳點(diǎn)，說明要設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)不是一件簡(jiǎn)單的事情，需要學(xué)好檢測(cè)技術(shù)、控制儀表、控制原理及控制工程等課程的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的欲望；另一次安排參觀自來(lái)水廠的控制系統(tǒng)，自來(lái)水廠工藝簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，學(xué)生可以從現(xiàn)實(shí)工程中了解所學(xué)知識(shí)，深化所學(xué)知識(shí)，提升學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣和樂趣。

以CDIO教育理念對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程進(jìn)行教學(xué)改革已歷經(jīng)三屆學(xué)生，從學(xué)生對(duì)教學(xué)的反饋與學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)來(lái)看取得了一定的成效，但還有待于進(jìn)一步深入開展下去，還有待于與其他課程結(jié)合起來(lái)，以期取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO：汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008，（1）.

[2]陶勇芳，商存慧.CDIO大綱對(duì)高等工科教育創(chuàng)新的啟示[J].中國(guó)高教研究，2006，（11）.

[3]楊蒙召，顧澤元，劉文強(qiáng).CDIO理念在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2010，（12）.

[4]張慧平，戴波，劉娜，張立新，王鳳全，魏文淵.基于CDIO教育理念的自動(dòng)化課程的改革與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（9）.