李青青++楊揚(yáng)++王小鵬

【摘要】在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中，《自動(dòng)控制原理》是一門比較重要的主干課程，本文圍繞社會(huì)對應(yīng)用型人才知識(shí)、能力和素質(zhì)的要求，并結(jié)合自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)的教師-黑板-學(xué)生的這種教學(xué)模式，遵循理論聯(lián)系實(shí)踐的原則，通過采用有效的教學(xué)方法，對于理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合Matlab軟件來解決實(shí)際的理論問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和注意力，使學(xué)生對所學(xué)知識(shí)有進(jìn)一步的理解和掌握，從而實(shí)現(xiàn)既加強(qiáng)教學(xué)深度，提高教學(xué)質(zhì)量的目的，又能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制原理 多媒體教學(xué) 教學(xué)改革 Matlab軟件

【中圖分類號】TP13-4；G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0026-02

在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的諸多專業(yè)課程中，自動(dòng)控制原理是一門基礎(chǔ)專業(yè)課程，對于測控技術(shù)、自動(dòng)化專業(yè)、電子技術(shù)等一些相關(guān)專業(yè)而言，該課程也是一門重要的基礎(chǔ)課程。目前，對于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的發(fā)展，自動(dòng)控制理論也起著至關(guān)重要的作用。

因此，對于應(yīng)用型本科院校，我們要想培養(yǎng)出具有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能和實(shí)踐應(yīng)用能力的高級本科人才，對于自動(dòng)控制原理這門課程，我們迫切需要對這門課程的教學(xué)方法，教學(xué)模式以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的改革措施，使得學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，這樣一方面可以加深學(xué)生對所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)更好的理解和掌握，另外也可以掌握一定的專業(yè)技能，培養(yǎng)一定的動(dòng)手能力，從而為社會(huì)培養(yǎng)出具有較高素質(zhì)和較強(qiáng)專業(yè)能力的應(yīng)用型高級本科人才。

一、自動(dòng)控制原理課程教學(xué)體系現(xiàn)狀

《自動(dòng)控制原理》是電氣類專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，而且與后續(xù)的其他專業(yè)課程有著至關(guān)重要的聯(lián)系。相對于其他課程而言，該課程教學(xué)內(nèi)容相對比較穩(wěn)定，介紹的主要內(nèi)容具體包括控制理論的一些基本概念和基本原理；反饋系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的理論和相對應(yīng)的一些分析方法；以及這些控制系統(tǒng)所涉及的綜合設(shè)計(jì)等。該課程的主要特點(diǎn)是具有一般方法論。 除此之外，“自動(dòng)控制原理”課程理論性強(qiáng)，涉及內(nèi)容廣泛，與機(jī)械、數(shù)學(xué)、生物等很多學(xué)科都有交叉，而且內(nèi)容相對比較抽象，是一門具有一定深度和難度的課程。在教學(xué)效果上，學(xué)生只是機(jī)械地記住了若干公式定理，面對具體問題的時(shí)候，不知如何運(yùn)用相應(yīng)的知識(shí)去解決實(shí)際問題[1]。

對 “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，我們進(jìn)行了一些調(diào)研，在現(xiàn)有的教學(xué)體系中我們發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)主要問題：

1.存在的傳統(tǒng)教學(xué)模式

目前，在自動(dòng)控制原理這門課程中，我校所采用的教學(xué)模式仍然是理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的單一教學(xué)模式，這種教學(xué)模式導(dǎo)致我們課程中的理論教學(xué)部分和實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分完全分開，致使學(xué)生理解理論知識(shí)困難，而且在實(shí)驗(yàn)過程中，又不能很好的把理論知識(shí)應(yīng)用進(jìn)去，從而使理論學(xué)習(xí)和專業(yè)技能的提高加大了難度，不能把實(shí)驗(yàn)的作用充分的發(fā)揮。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式簡單

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)基本上都是在實(shí)驗(yàn)室中的控制理論的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)以進(jìn)行單臺(tái)實(shí)驗(yàn)為主，而且試驗(yàn)中所使用的一些常用外圍器件基本上都是以模塊化的形式集成在實(shí)驗(yàn)箱上，實(shí)驗(yàn)箱上資源有限，所以學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可擴(kuò)展的條件很差，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力根本沒有機(jī)會(huì)施展[2]。

二、該課程對教學(xué)方法和手段的改革

1.結(jié)合多媒體采用啟發(fā)式教學(xué)方法

在自動(dòng)控制原理課程的理論授課過程中，結(jié)合一些相關(guān)知識(shí)的專業(yè)實(shí)例，有效的采用啟發(fā)式教學(xué)方法，對教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)問題著重突出，引起學(xué)生足夠的重視，從而加深理解。比如，在自動(dòng)控制理論的緒論部分，內(nèi)容枯燥，學(xué)生不易集中精力，對于這一部分，可以通過選用一些專業(yè)相關(guān)的典型示例，把所涉及到的開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及反饋等基本理論概念引出，從而使學(xué)生能夠意識(shí)到該課程在實(shí)際生活中的重要性，引起他們對這門課的重視，另外也可以使學(xué)生理解自動(dòng)控制理論在專業(yè)發(fā)展中的作用。除此之外，在課堂上，還可采用問答和課堂討論的方式，讓學(xué)生積極投入到課堂中，成為課堂的參與者或是主人，另外，在教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)換時(shí)可以提出問題或是質(zhì)疑，并留出適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，讓學(xué)生通過思考和討論自己解決問題，然后在對新知識(shí)進(jìn)行講解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并且能夠加強(qiáng)學(xué)生對該部分知識(shí)的理解，較深記憶，使得整體的教學(xué)質(zhì)量提高。

2.控制原理課程教學(xué)中采用思維導(dǎo)圖法

根據(jù)自動(dòng)控制原理課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，把思維導(dǎo)圖與自動(dòng)控制原理的教學(xué)加以有機(jī)的結(jié)合，能明顯提高授課效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量[3]。為實(shí)現(xiàn)常規(guī)語義網(wǎng)絡(luò)的圖表化表達(dá)，英國心理學(xué)家、教育家Tony Buzan在20世紀(jì)70年代初提出了思維導(dǎo)圖（Mind Mapping）概念[4]。思維導(dǎo)圖通過顏色、圖像、關(guān)鍵詞、曲線等要素構(gòu)成信息點(diǎn)框架，能有效激發(fā)大腦的創(chuàng)造力與記憶力潛能[4]。

（1）思維導(dǎo)圖法的作用

目前，在國外思維導(dǎo)圖法得到了十分廣泛的應(yīng)用，該方法在教學(xué)過程中使用，能起到很大的作用，其功能如下：一方面通過思維導(dǎo)圖法，可以使課程的知識(shí)體系做成框架，更加形象具體，在整個(gè)教學(xué)六中的設(shè)計(jì)中，也顯得更加系統(tǒng)，教學(xué)方法相比較而言顯得科學(xué)有效，便于學(xué)生整體掌握。另一方面使用思維導(dǎo)圖法，在課堂中可以提供師生互動(dòng)的圖形化界面，從而提高學(xué)生的注意力和積極主動(dòng)性，便于師生溝通，使得學(xué)生容易加入課堂，提高課堂效率。最后利用思維導(dǎo)圖法，教師可以根據(jù)學(xué)生的思維導(dǎo)圖作品，對每個(gè)學(xué)生所掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)有所了解，掌握每個(gè)學(xué)生對該課程的理解和認(rèn)識(shí)程度，從而可以根據(jù)每個(gè)學(xué)生的情況不同，來實(shí)現(xiàn)因材施教。

（2）思維導(dǎo)圖法的教學(xué)設(shè)計(jì)

在自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中采用思維導(dǎo)圖法，對各個(gè)章節(jié)所講授的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)思路以及提問的相關(guān)內(nèi)容等利用思維導(dǎo)圖，分別標(biāo)注出，然后再在所標(biāo)出的每一個(gè)子標(biāo)題下面，列舉出相關(guān)的一些關(guān)鍵字及教學(xué)素材，最后根據(jù)各個(gè)小知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，組織構(gòu)建出整體的知識(shí)系統(tǒng)，使得知識(shí)層次清楚，有條理，同時(shí)也提高了教師的備課效果。如圖1所示，自動(dòng)控制原理緒論部分知識(shí)點(diǎn)的思維導(dǎo)圖教學(xué)設(shè)計(jì)。

圖1 第一章緒論導(dǎo)圖

利用思維導(dǎo)圖法的教學(xué)方式，可以加強(qiáng)學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)一步理解和整體把握，而且對于學(xué)生的一些獨(dú)特的見解，也可以增加到知識(shí)框架中，使得師生共同學(xué)習(xí)，拉近了師生的關(guān)系，也能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和積極性。所以在教學(xué)過程中采用思維導(dǎo)圖法，可以使課堂知識(shí)傳授的效率的到明顯的提高和改善；另外這種教學(xué)方式使得課堂互動(dòng)變得容易，對于課堂上師生的交流和溝通顯得自然，從提高課堂的氣氛和課堂效率，進(jìn)一步加深學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

3.采用Matlab軟件和多媒體教學(xué)相結(jié)合

由于自動(dòng)控制原理課程中很多知識(shí)點(diǎn)涉及到大量的公式和繪圖，而且對于準(zhǔn)確度的要求也比較高，因此很多教師都是采用多媒體教學(xué)，采用多媒體教學(xué)方式存在這樣的不足，會(huì)到時(shí)學(xué)生只能聽，而沒有時(shí)間做筆記，從而使課堂上師生交流成為困難，學(xué)生不能及時(shí)的回應(yīng)老師。在這里我們選擇一方面采用傳統(tǒng)的板書的教學(xué)方式，可以給學(xué)生留有足夠的時(shí)間理解掌握，同時(shí)對于一些出現(xiàn)很多圖表和公式，有很多曲線的知識(shí)點(diǎn)，對這樣的教學(xué)內(nèi)容，采用現(xiàn)代的多媒體教學(xué)方法進(jìn)行講解，比如傳遞函數(shù)、根軌跡法、頻率特性等知識(shí)點(diǎn)。

（1）結(jié)合Matlab軟件的課堂教學(xué)

在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)過程中，我們可以充分利用 Matlab軟件來輔助教學(xué)，把自動(dòng)控制原理課程中的部分教學(xué)內(nèi)容，比如一些曲線圖、控制系統(tǒng)等，可以利用Matlab軟件工具，非常迅速而準(zhǔn)確的獲得比較理想而且直觀的曲線圖，并且大大的提高了課堂教學(xué)效果。比如對于時(shí)域分析知識(shí)部分，通過利用Matlab軟件分析系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的分布情況，進(jìn)而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過Matlab軟件仿真系統(tǒng)中典型的信號響應(yīng)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征顯得清晰易懂。

如圖2，利用simulink仿真線性系統(tǒng)的時(shí)域分析：

圖2 simulink仿真線性系統(tǒng)的時(shí)域分析

其仿真結(jié)果：

通過仿真結(jié)果分析：比較兩條仿真曲線，可以看出閉環(huán)零點(diǎn)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響為：減小峰值時(shí)間，使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量增大。這表明閉環(huán)零點(diǎn)會(huì)減小系統(tǒng)阻尼。

（2）結(jié)合Matlab軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自動(dòng)控制原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不應(yīng)該是單純的驗(yàn)證理論知識(shí)，而應(yīng)該讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)中的主體地位。實(shí)驗(yàn)過程不僅是學(xué)生從實(shí)踐中掌握理論知識(shí)的過程，而且還要成為學(xué)生從理論到實(shí)踐的一個(gè)汲取知識(shí)和體驗(yàn)創(chuàng)新的過程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再是單純的教師傳授知識(shí)、學(xué)生獲得知識(shí)的傳遞過程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則應(yīng)該重點(diǎn)看學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的過程，在實(shí)驗(yàn)中能否發(fā)現(xiàn)問題，以及如何解決實(shí)際問題的能力。

對于自動(dòng)控制原理課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用Matlab 軟件仿真完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程改革過程中一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。一方面，該教學(xué)模式有利于學(xué)生對所學(xué)理論的理解與深化，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題； 另一方面，該教學(xué)模式有利于鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和邏輯分析能力[5]。

如線性系統(tǒng)的根軌跡實(shí)驗(yàn)

在自動(dòng)控制原理課程中，開環(huán)系統(tǒng)的增益K取得的就是根軌跡這個(gè)參數(shù)。在本科教材中介紹的描繪根軌跡的方法都是采用手工繪制方法，但是手工繪制并不準(zhǔn)確，只能繪制根軌跡草圖。如果利用Matlab軟件中仿真工具，就可以非常方便的把根軌跡的圖繪制出來，而且還可以改變參數(shù)，通過觀察參數(shù)變化對特征根位置的影響。比如已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)■，利用Matlab繪制該系統(tǒng)的根軌跡。其根軌跡如圖3（a）所示。

若要繪制K在（1，10）的根軌跡圖，則此時(shí)利用Matlab的調(diào)用格式，對應(yīng)的根軌跡如圖3（b）所示。

a）完整根軌跡圖形 （b）特定增益范圍內(nèi)的根軌跡圖形

圖3 系統(tǒng)的根軌跡圖形

4.采取答疑質(zhì)疑相結(jié)合的輔導(dǎo)方式

在課程教學(xué)中，答疑和質(zhì)疑是教師輔導(dǎo)學(xué)生的兩種比較重要的形式。對于一般的本科學(xué)生，在自動(dòng)控制原理課程的學(xué)習(xí)過程中，對該課程知識(shí)的掌握能力相對比較差，甚至是根本跟不上教師的進(jìn)度，而且不懂也不主動(dòng)問。針對這樣的情況，我們可以采用答疑與質(zhì)疑相結(jié)合的方式對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，教師主動(dòng)對知識(shí)點(diǎn)提出質(zhì)疑，給學(xué)生一定的壓力，這樣對學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)起到了督促作用。對于絕大多數(shù)學(xué)生所存在的共性問題，我們可以采取集體輔導(dǎo)的形式，進(jìn)行統(tǒng)一解答，或是展開專門討論，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，老師引導(dǎo)學(xué)生找到答案，解決問題。

三、結(jié)束語

本文只是作為自動(dòng)控制原理這門課程在其教學(xué)改革道路上的一種嘗試和探索，我們通過改進(jìn)教學(xué)方法、拓展教學(xué)思路，并把Matlab軟件工具科學(xué)合理的利用在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使得教學(xué)質(zhì)量明顯提高。使得學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)了對相應(yīng)的專業(yè)技能和應(yīng)用動(dòng)手能力，也使得學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能力增強(qiáng)，加強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)。促進(jìn)了該學(xué)科往應(yīng)用型人才培養(yǎng)方向的發(fā)展。但是該課程的教改創(chuàng)新過程，還需要下更多的功夫深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振龍，喬俊飛，孫亮等.自動(dòng)控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法探討[J].教學(xué)研究，2009.3（2）：66-68.

[2]張璃成，王福斌.自動(dòng)控制原理課程立體化教學(xué)體系研究與實(shí)踐[M].試驗(yàn)技術(shù)與管理，2013.9（9）：181-182.

[3]劉良兵，彭曉芳等.思維導(dǎo)圖法在自動(dòng)控制原理課程中的應(yīng)用研究[G].中國科技創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012（16）：59

[4]鄧明珍，汪德蓮.圖文關(guān)系視角下對思維導(dǎo)圖的再定義—— 以The Freedom Givers的思維導(dǎo)圖為例[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào)， 2011（4）：23～ 25.

[5]劉中，袁少強(qiáng)，張軍香. 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）： 403-406.