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面向机电类专业的《自动控制原理》课程教学改革探讨
面向机电类专业的《自动控制原理》课程教学改革探讨
张春慧，葛丽娟，宗哲英
（内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特010018）
摘要：本文针对高校机电类专业在《自动控制原理》课程教学过程中存在的几个问题，提出了从教学内容、教学手段、实验教学三方面的改革措施和方法，从而培养机电类专业学生的学习兴趣，进而加深对该课程基本内容的理解和掌握，并最终运用到工程实践当中。
关键词：机电类专业；自动控制原理；教学改革
基金项目：内蒙古农业大学机电工程学院课程建设与教学改革项目（JDKCJS201303）
通讯作者：葛丽娟。
作者简介：张春慧（1979-），女，讲师，研究方向为控制理论与控制工程。
一、引言
《自动控制原理》具有理论严谨、系统性强、富有工程性等特点，是工科院校重要的专业基础课，然而，由于其具有大量抽象概念、复杂的数学推导以及烦琐的计算和作图，学习难度较大，而对机电类专业的学生，《自动控制原理》课程的学习又存在其特殊之处：第一，相比控制类专业的学生，机电类专业学生在前期数学知识的学习中常常会有知识缺失或者侧重不够等问题，因此会影响到课程的教学效果；第二，无法满足专业的需要，不能培养学生的工程实践能力，学生容易忽视这门课程的工程应用，把重点放在如何做题以应对考试上，学习兴趣不浓。传统的教学方法，很难解决机电类学生在学习本课程中存在的问题，因此，针对机电类专业，对《自动控制原理》进行课程教学改革，是十分重要和必要的。
二、自动控制原理教学改革
1.教学内容的改革。（1）精选教学内容。目前，在《自动控制原理》的教学中，存在着内容多、学时少的矛盾。对于机电类专业的学生，要结合其专业特点，以及后续所设置的专业课程，合理设计教学大纲，来确定对教学内容的取舍。针对数学知识缺失的问题，在教学中要对相关数学知识进行必要的补充，以保证教学的顺利进行。对于其他已学的基础课程，如电工学、电子技术，要建立起与本课程的联系，并将学生所熟悉的工程实例，如数控机床位置控制系统，作为切入点来介绍控制论的基本原理，从系统建模到系统性能分析再到系统的校正与设计，不但可以使学生更好地理解和掌握控制系统的特点与性质，又可以将理论和工程实际联系起来，激发学生的学习兴趣。（2）更新教学内容。随着科学技术的飞速发展，自动控制技术也得到了迅猛的发展，智能控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制等在工程中的应用取得了重要的成果。因此，在《自动控制原理》的授课过程中，要注意处理经典控制理论与现代控制理论以及新理论之间的关系，并将当前控制理论在机电工程领域的最新研究成果、最新科技发展动态穿插在授课内容中，让学生理解其重要作用，并把国外优秀教材作为主要参考资料推荐给学生，以拓宽学生的知识面。
2.教学手段的改革。（1 ）运用问题式的教学。第一，为充分调动学生学习该课程的主动性、积极性及自觉思维，《自动控制原理》课堂教学要从实际出发，按照提出问题、解决问题的方式进行教学；例如第一节课就可以通过生活中汽车驾驶的实例引入控制理论的相关概念，并合理设疑，让学生参与到课堂教学中，体会到这些抽象的概念并不难理解，而且控制理论其实渗透在我们生产生活的方方面面。第二，课后留思考题，例如对于机电类专业的学生，可以将“如何把课程内容应用到本专业的工程实践中”作为思考题，学生通过查阅资料文献，讨论分析，在思考的同时，其查阅资料、知识归纳以及表达方面的能力，也会有所提高。（2）教学手段的改进。充分发挥传统教学和现代教学方式的优点，优势互补，多媒体能够将《自动控制原理》中比较烦琐的公式或者模型的动态过程以动画的形式展现给学生，便于学生理解与掌握抽象的理论知识，同时利用多媒体，以图片、视频等方式让学生了解现代控制技术以及智能控制理论在工程实践中应用，多媒体的图形演示与教师的讲授相结合，使教学内容形象化、具体化和生动化，从而增进学生的理解；对于重点和难点的内容，比如公式的推导和证明，可以借助于传统板书进行，老师一边写，一边讲解，学生可以有一个思考和接受的过程。
3.实验教学的改革。实验教学是《自动控制原理》课程的重要组成部分，目前本课程的实验基本上是对基本理论的验证和复现，学生在模拟实验台上接线，通过示波器观察其输出曲线，从而分析系统的性能，并验证所学理论，该方式无法满足机电类工程专业的需要，不能培养学生的工程实践能力，因此需要对现有的实验模式进行充实、完善。
第一，虚拟实验的运用。（1）MATLAB在《自动控制原理》课程中的运用。MATLAB软件集数值分析、矩阵运算、信号处理和绘制图像显示于一体，构成一个方便的、界面友好的用户环境，已成为多个领域的基础应用软件。《自动控制原理》中的三种分析方法———时域分析、复域分析（根轨迹绘制）、频率分析，利用MATLAB软件来处理，可以节省大量的计算时间，也可以加深对抽象理论的理解。对于机电类专业的学生，在授课过程中，可以结合其专业特色，选择熟悉的实例，利用MATLAB进行分析。例如，介绍时域分析法时，可利用直流伺服电机来举例讲解，其数学模型为：
利用MATLAB软件可轻松地绘制其单位阶跃响应曲线，并从稳定性、快速性和准确性三方面分析其性能，如图1所示：
SIMULINK是一种用于实现计算机仿真的软件工具，是MATLAB的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。利用SIMULINK，通过搭建系统模块，可以方便地调节各种控制参数，使学生直观了解参数变化对控制系统动态特性的影响。图2为利用SIMULINK搭建的电力系统自动发电控制的仿真图，可通过调节PID的参数来实现较好的控制效果。
（2）虚拟实验系统的建立。MATALB图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），是由窗口、图标、菜单、文本等对象构成的用户界面。利用MATLAB的GUI建立《自动控制原理》虚拟实验系统，可以完成计算、仿真与分析，课堂上通过虚拟实验平台让学生了解实验过程中参数如何选择，了解实验参数改变的依据，直观地看出参数变化对系统的影响，可提高实验效率，取得良好的实验效果。图3为基于MATLAB GUI创建的PID参数设定界面，可以在此界面上实现参数的设置和调整。
第二，综合型实验室建设。在完成为基本教学内容所设置的验证型实验后，实验室建设可以向综合型发展，包括设计综合型和专业拓展型，引导学生将《自动控制原理》的基础知识与工程技术应用相结合，让学生根据自己的专业以及兴趣，自主设计实验，在确定目标的同时独立思考，制定实验计划和手段，实验室对学生开放，在实验过程中，老师给予指导和支持，让学生在实验过程中能发现问题、解决问题，从而提高学生的科研能力与创新能力。
三、总结
为提高机电类专业人才的综合能力，作为专业重要的基础课程，《自动控制原理》的课程教学改革必将走上一个新的台阶，通过对课程的教学内容、教学手段、实验教学不断加以改进，不断探索行之有效的教学方法，来提高教学质量，适应新形势发展的需求。
参考文献
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