王翔宇

(東南大學 自動化學院， 江蘇 南京 210096)

0 引言

“自動控制原理”是自動化、電氣等相關專業(yè)本科生的一門主干課程，也是交通工程、儀器儀表、化工等許多非自動化類專業(yè)的重要選修課程。該課程的主要作用是使學生掌握自動控制的基本原理，建立較完善的知識體系，并在此基礎上，培養(yǎng)學生辯證思維的能力和理論聯(lián)系實際進而解決問題的能力。

針對“自動控制原理”的教學研究歷來都是自動化及相關專業(yè)教師的重要課題?；谠撜n題，眾多高校教師進行了大量的教學研究和實踐工作，并取得了豐富的成果[1,2]。然而，對于一些開設了 “自動控制原理”課程的非自動化類專業(yè)而言，由于學生缺乏相關的專業(yè)知識背景，加上課時安排有限(通常僅為32學時)，并不適合采用和自動化專業(yè)相同的教學模式。因此，在非自動化類專業(yè)該課程的教學過程中，需要結合本專業(yè)的特點和要求，因材施教，探索新型的教學模式。

本文基于筆者的親身教學經(jīng)歷和感悟，以非自動化類的交通工程專業(yè)為例，針對其“自動控制原理”課程教學模式進行初步的探討。

1 課程教學存在的問題

“自動控制原理”課程是自動化及相關專業(yè)的主干課程。該課程理論性較強，涉及知識面廣，因而要求學生在學習該課程之前需要具備相應的數(shù)學、電路以及信號與系統(tǒng)知識基礎。然而，筆者是面向交通工程專業(yè)學生進行授課，學生具有非自動化專業(yè)的特殊性。在教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要概括為以下四點：

1.1 學生相關基礎知識薄弱、學習積極性低

對于自動化專業(yè)的學生， “自動控制原理”課程的先修課程主要包括“高等數(shù)學”、“線性代數(shù)”、“電路原理”、“信號與系統(tǒng)”等。然而，由于交通工程專業(yè)屬于非電類專業(yè)，學生除了學習過“高等數(shù)學”中的一些知識外，在電路原理、數(shù)電、模電，以及信號與系統(tǒng)以及拉普拉斯變換、復變函數(shù)等知識方面，都很缺乏甚至沒有學習過。這些因素在客觀上造成學生較難理解和消化“自動控制原理”的課程內容，對課程教學的順利實施提出了挑戰(zhàn)。也正因為課程相關基礎知識比較薄弱，學生在課程學習過程中很容易因為畏難心理而提不起興趣、學習積極性低，甚至對課程學習產(chǎn)生排斥情緒。

1.2 適合非自動化類專業(yè)的教材少

國內各高校自動化專業(yè)“自動控制原理”課程使用的經(jīng)典教材有多種，以我院為例，使用的是由我院田玉平教授主編的《自動控制原理》一書[3]。該書是“十一五”國家級規(guī)劃教材，突破了傳統(tǒng)的編排方式，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合校正這三個控制理論的主要任務為主線，系統(tǒng)地介紹了自動控制的基本理論，內容翔實、思路清晰。然而，該教材中涉及了很多包括電路原理、信號與系統(tǒng)等在內的先修課程知識，對于自動化和相關專業(yè)的學生，該教材十分適用，但對于交通工程專業(yè)的學生，由于缺乏如上節(jié)所述的相關基礎知識，加上專業(yè)培養(yǎng)目標也有所不同，該書很難再作為主教材使用，需要選用其他適合的教材。

1.3 教學學時少引起的內容取舍和精簡

以我院為例，自動化專業(yè)學生的“自動控制原理”課程總共包括96個授課學時和若干實驗學時，其中經(jīng)典控制理論部分為48個學時，現(xiàn)代控制理論部分也是48個學時，學生有足夠多的學時系統(tǒng)地學習自動控制原理的相關知識。然而，交通工程專業(yè)的“自動控制原理”課程僅為32學時，而且沒有輔助的實驗學時，這就要求筆者要以較少的學時來完成自動控制原理知識的系統(tǒng)傳授。這意味著筆者必需要根據(jù)交通工程專業(yè)特點，對教學內容加以取舍和精簡，突出重點與特色。到底該突出哪些重點，又該刪減哪些內容，這便是筆者在授課時面臨的一個難題。

1.4 課程教學內容易與專業(yè)背景脫節(jié)

面向自動化類專業(yè)學生的“自動控制原理”課程與“電路原理”、“信號與系統(tǒng)”、“電機學”等都是密切相關的，課程中所列舉的很多實際例子也都是出自這些領域。但在面向交通工程專業(yè)學生講授該課程時，這些電路、信號、電機方面的控制對象實例不宜再用。再則，該課程本身以理論知識為主，注重理論推導和公式計算等，如果減少了這些控制實例后，容易導致該課程變成學生眼中的另一門“數(shù)學課”。實際上，在交通工程領域，也有很多自動控制的實例，如軌道交通的信號控制、高速公路ETC電子不停車收費系統(tǒng)等。如何在講授控制理論知識的同時，有機地結合交通工程專業(yè)背景實例，加深學生的理論和認識，避免把該課程上成數(shù)學課，避免教學內容和專業(yè)背景脫節(jié)，也是筆者面臨的實際問題。

上述四點問題均是筆者在實際教學過程中遇到的主要問題，這些問題都說明非自動化類專業(yè)的“自動控制原理”課程教學有其特殊性，不能把自動化類專業(yè)的教學模式生搬硬套過來。為提高教學效率和質量，達成教學目標，需要探索新的適合非自動化類專業(yè)的“自動控制原理”課程教學模式，筆者認為，可以具體從教材選取、基礎知識補充、教學內容編排、教學方式和考核方式改革這五個方面著手改革。

2 新型課程教學模式初探

2.1 選取適合非自動化類專業(yè)的教材

基于上述的四點主要問題，筆者查閱了多種“自動控制原理”教材。在比較了諸多教材后，筆者決定選用由浙江工業(yè)大學王萬良教授和趙燕偉教授編著的《自動控制原理(非自動化類)》一書作為課程教材[4]。該書深入淺出地介紹了自動控制的基本原理，沿著自動控制理論的發(fā)展歷程進行介紹，即先連續(xù)系統(tǒng)理論后離散系統(tǒng)理論，先線性系統(tǒng)理論后非線性系統(tǒng)理論的順序介紹，并分別采用不同的分析工具分析系統(tǒng)的性能指標，包括穩(wěn)定性、暫態(tài)行能和穩(wěn)態(tài)性能。該書內容難度適中，以概念和原理為主，沒有大量的公式推導和計算，適合非自動化類專業(yè)學生學習。此外，為了能夠把一些自動控制原理中的重點知識點講解得更透徹，筆者把我院田玉平教授主編的《自動控制原理》一書作為輔助教材。實際的教學效果表明，把《自動控制原理(非自動化類)》作為主教材并把《自動控制原理》作為輔助教材的多教材結合方式，既能保證教學內容體系的完整性，又能讓學生更容易接受和掌握相關的自動控制理論知識。

2.2 注重相關基礎知識的補充

根據(jù)1.1節(jié)中的分析，非自動化類專業(yè)的學生缺乏很多學習“自動控制原理”課程必備的基礎知識，包括電路、信號與系統(tǒng)以及相關的數(shù)學知識。因此，授課教師在教學中對相關基礎知識有意識地進行補充，是該課程教學能夠順利實施的重要保障。更重要的一個問題是如何補充基礎知識，是劃出專門的課時來講基礎知識，還是結合具體情況，在講解控制原理相關的知識點時，能夠有機地將相關基礎知識融合進去？筆者在授課時采用了后一種方式，達到了良好的效果：一方面，這樣不至于在教學初期把該課程上成數(shù)學課，從而避免使學生產(chǎn)生排斥心理；另一方面，將控制理論的知識點與相關基礎知識有機融合，能夠使學生充分體會到相關基礎知識在自動控制原理中的作用，以便更有效地吸收和掌握補充的基礎知識。

2.3 合理編排教學內容

基于選取的教材，結合交通工程專業(yè)的特點，并考慮到教學內容多而學時少的矛盾，筆者對課程教學內容進行了優(yōu)化編排，重點講授基本概念、原理、方法以及應用價值高的內容，少講或不講非基本知識點和實用價值較低的內容。在教學過程中，以概念和原理講授為主，強調對知識點的理解，推導和計算為輔。進一步地，在教學中強調理論聯(lián)系實際，編排、穿插與該專業(yè)相符合的控制系統(tǒng)實例，使學生能更容易地理解各重要知識點，提高授課和學習效率。

就交通工程專業(yè)的“自動控制原理”課程而言，具體教學內容包括：第1章為緒論，介紹自動控制的發(fā)展史和自動控制系統(tǒng)的基本概念；第2章為系統(tǒng)的模型，首先介紹了傅里葉變換和拉普拉斯變換兩類基本工具，然后從微分方程和傳遞函數(shù)兩個角度介紹建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基本方法。其中，以汽車緩震系統(tǒng)為例，分析了系統(tǒng)微分方程模型的建立過程，并以交通信號燈自動控制系統(tǒng)為例，講授了系統(tǒng)框圖的繪制方法；第3章為時域分析法，主要介紹分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的時域方法。其中，以火車自動開水機為例，分析了控制系統(tǒng)的各項性能指標；第4章為頻率法，也是“自動控制原理”課程的教學難點，主要介紹頻率特性的概念，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特圖，以及用于分析系統(tǒng)相對穩(wěn)定性和開環(huán)頻域指標的伯德圖；第5章為系統(tǒng)校正方法，目標為了解和掌握PID等用于改善系統(tǒng)性能的校正方法。其中，以交通信號燈控制為例，講授了PID校正方法的基本原理。由于在交通工程領域，較少涉及系統(tǒng)校正的根軌跡法，因而沒有安排根軌跡法的教學。

2.4 充分結合理論教學與實驗教學

在課程教學中，對于理論教學部分，筆者采用板書和PPT相結合的教學方式。對于實驗教學部分，即對一些需要通過編程來實現(xiàn)的控制系統(tǒng)問題，則使用Matlab/Simulink軟件進行課堂演示，以加深學生對知識點的理解，促進其對知識點的掌握。如1.1節(jié)所述，交通工程專業(yè)學生在電路、信號與系統(tǒng)等方面的知識比較匱乏，因而傳統(tǒng)的基于電路元件(如電阻、電感、電容、運算放大器等)的自動控制仿真實驗平臺并不適用。為此，筆者在教學中以交通信號燈自動控制系統(tǒng)等交通工程領域內涉及的典型自動控制系統(tǒng)為例，基于Matlab/Simulink軟件分別對系統(tǒng)建模，暫、穩(wěn)態(tài)性能分析以及系統(tǒng)校正等各環(huán)節(jié)進行了演示。在課堂演示過程中，充分與學生互動，使學生能夠在學習過程中吸收相關知識，并以小組為單位來合作，對仿真實驗例子進行復現(xiàn)，進而掌握基本的Matlab/Simulink軟件仿真實驗技術。

2.5 采用靈活多樣的課程考核方式

為避免出現(xiàn) “平時不學，考前突擊”的情況，筆者為該課程制定了較為靈活多樣的綜合考核方法，即在學生期末總成績中，平時作業(yè)和考勤占10%，二次課堂測驗共占40%，期末考試占50%。其中，二次課堂測驗替代了期中考試。一方面，二次課堂測驗能夠促進學生養(yǎng)成溫故知新的習慣，另一方面，也客觀上減輕了學生期末考試的負擔，調動了學生學習的積極性?？紤]到交通工程專業(yè)學生的實際情況，筆者在授課過程中以講授基本概念和原理為主，輔以恰當?shù)耐茖Ш陀嬎?，避免較為冗繁的數(shù)學運算。因此，在期末考試試卷中，并沒有安排需要較大計算量的題目。(王翔宇等文)

采取這種綜合考核方式的主要目的就是突出平時學習的重要性，并使得學生得到客觀的課程成績和總評。

3 結語

由于專業(yè)背景的特殊性，非自動化類專業(yè)“自動控制原理”課程教學不能直接照搬自動化類專業(yè)的課程教學模式。結合筆者在交通工程專業(yè)“自動控制原理”授課的教學經(jīng)驗，本文分析了該課程教學中存在的四點主要問題，并且有針對性地探討了一種新型教學模式。從教學過程看，該教學模式有效地解決了上述的幾點問題，取得了很好的教學效果，提高了學生學習的積極性和學習效率。