基于应用型本科院校《自动控制原理》课程教学改革
基于应用型本科院校《自动控制原理》课程教学改革
【摘要】在电气工程及其自动化专业中，《自动控制原理》是一门比较重要的主干课程，本文围绕社会对应用型人才知识、能力和素质的要求，并结合自动控制原理课程的特点，打破了传统的教师-黑板-学生的这种教学模式，遵循理论联系实践的原则，通过采用有效的教学方法，对于理论教学和实验教学环节结合Matlab软件来解决实际的理论问题，提高学生的学习兴趣和注意力，使学生对所学知识有进一步的理解和掌握，从而实现既加强教学深度，提高教学质量的目的，又能培养学生的专业素养和实践能力。
【关键词】自动控制原理多媒体教学教学改革Matlab 软件
【中图分类号】TP13-4；G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）09-0026-02
在电气工程及其自动化专业的诸多专业课程中，自动控制原理是一门基础专业课程，对于测控技术、自动化专业、电子技术等一些相关专业而言，该课程也是一门重要的基础课程。目前，对于现代工业自动化应用的发展，自动控制理论也起着至关重要的作用。
因此，对于应用型本科院校，我们要想培养出具有较强
的专业知识、专业技能和实践应用能力的高级本科人才，对于自动控制原理这门课程，我们迫切需要对这门课程的教学方法，教学模式以及实验实践环节进行必要的改革措施，使得学生所学的理论知识与实验实践相结合，这样一方面可以加深学生对所学的知识点更好的理解和掌握，另外也可以掌握一定的专业技能，培养一定的动手能力，从而为社会培养出具有较高素质和较强专业能力的应用型高级本科人才。
一、自动控制原理课程教学体系现状
《自动控制原理》是电气类专业的主干专业基础课程，而且与后续的其他专业课程有着至关重要的联系。相对于其他课程而言，该课程教学内容相对比较稳定，介绍的主要内容具体包括控制理论的一些基本概念和基本原理；反馈系统、离散系统和非线性系统的理论和相对应的一些分析方法；以及这些控制系统所涉及的综合设计等。该课程的主要特点是具有一般方法论。除此之外，“自动控制原理”课程理论性强，涉及内容广泛，与机械、数学、生物等很多学科都有交叉，而且内容相对比较抽象，是一门具有一定深度和难度的课程。在教学效果上，学生只是机械地记住了若干公式定理，面对具体问题的时候，不知如何运用相应的知识去解决实际问题[1]。
对“自动控制原理”课程教学体系和实验实践环节，
我们进行了一些调研，在现有的教学体系中我们发现存在以
下几个主要问题：
1.存在的传统教学模式
目前，在自动控制原理这门课程中，我校所采用的教学模式仍然是理论教学和实验教学的单一教学模式，这种教学模式导致我们课程中的理论教学部分和实验教学部分完全分开，致使学生理解理论知识困难，而且在实验过程中，又不能很好的把理论知识应用进去，从而使理论学习和专业技能的提高加大了难度，不能把实验的作用充分的发挥。
2.实验教学方式简单
实践教学环节基本上都是在实验室中的控制理论的实验箱，学生做实验时以进行单台实验为主，而且试验中所使用的一些常用外围器件基本上都是以模块化的形式集成在实验箱上，实验箱上资源有限，所以学生在实验中可扩展的条件很差，学生的实践创新能力根本没有机会施展[2]。
二、该课程对教学方法和手段的改革
1.结合多媒体采用启发式教学方法
在自动控制原理课程的理论授课过程中，结合一些相关知识的专业实例，有效的采用启发式教学方法，对教学重点和教学难点问题着重突出，引起学生足够的重视，从而加深理解。比如，在自动控制理论的绪论部分，内容枯燥，学生不易集中精力，对于这一部分，可以通过选用一些专业相关的典型示例，把所涉及到的开环控制、闭环控制以及反馈等
基本理论概念引出，从而使学生能够意识到该课程在实际生活中的重要性，引起他们对这门课的重视，另外也可以使学生理解自动控制理论在专业发展中的作用。除此之外，在课堂上，还可采用问答和课堂讨论的方式，让学生积极投入到课堂中，成为课堂的参与者或是主人，另外，在教学内容转换时可以提出问题或是质疑，并留出适当的时间，让学生通过思考和讨论自己解决问题，然后在对新知识进行讲解，提高学生学习的主动性，并且能够加强学生对该部分知识的理解，较深记忆，使得整体的教学质量提高。
2.控制原理课程教学中采用思维导图法
根据自动控制原理课程的内容和特点，把思维导图与自动控制原理的教学加以有机的结合，能明显提高授课效率和学习质量[3]。为实现常规语义网络的图表化表达，英国心理学家、教育家Tony Buzan在20世纪70年代初提出了思维导图（Mind Mapping）概念[4]。思维导图通过颜色、图像、关键词、曲线等要素构成信息点框架，能有效激发大脑的创造力与记忆力潜能[4]。
（1）思维导图法的作用
目前，在国外思维导图法得到了十分广泛的应用，该方法在教学过程中使用，能起到很大的作用，其功能如下：一方面通过思维导图法，可以使课程的知识体系做成框架，更加形象具体，在整个教学六中的设计中，也显得更加系统，
教学方法相比较而言显得科学有效，便于学生整体掌握。另一方面使用思维导图法，在课堂中可以提供师生互动的图形化界面，从而提高学生的注意力和积极主动性，便于师生沟通，使得学生容易加入课堂，提高课堂效率。最后利用思维导图法，教师可以根据学生的思维导图作品，对每个学生所掌握的知识结构有所了解，掌握每个学生对该课程的理解和认识程度，从而可以根据每个学生的情况不同，来实现因材施教。
（2）思维导图法的教学设计
在自动控制原理课程的教学设计环节中采用思维导图法，对各个章节所讲授的主要内容，设计思路以及提问的相关内容等利用思维导图，分别标注出，然后再在所标出的每一个子标题下面，列举出相关的一些关键字及教学素材，最后根据各个小知识点之间的逻辑关系，组织构建出整体的知识系统，使得知识层次清楚，有条理，同时也提高了教师的备课效果。如图1所示，自动控制原理绪论部分知识点的思维导图教学设计。图1 第一章绪论导图
利用思维导图法的教学方式，可以加强学生对知识点的进一步理解和整体把握，而且对于学生的一些独特的见解，也可以增加到知识框架中，使得师生共同学习，拉近了师生的关系，也能提高学生学习的动力和积极性。所以在教学过程中采用思维导图法，可以使课堂知识传授的效率的到明显
的提高和改善；另外这种教学方式使得课堂互动变得容易，对于课堂上师生的交流和沟通显得自然，从提高课堂的气氛和课堂效率，进一步加深学生对知识点的理解和掌握。
3.采用Matlab软件和多媒体教学相结合
由于自动控制原理课程中很多知识点涉及到大量的公
式和绘图，而且对于准确度的要求也比较高，因此很多教师都是采用多媒体教学，采用多媒体教学方式存在这样的不足，会到时学生只能听，而没有时间做笔记，从而使课堂上师生交流成为困难，学生不能及时的回应老师。在这里我们选择一方面采用传统的板书的教学方式，可以给学生留有足够的时间理解掌握，同时对于一些出现很多图表和公式，有很多曲线的知识点，对这样的教学内容，采用现代的多媒体教学方法进行讲解，比如传递函数、根轨迹法、频率特性等知识点。
（1）结合Matlab软件的课堂教学
在自动控制原理课程教学过程中，我们可以充分利用Matlab软件来辅助教学，把自动控制原理课程中的部分教学内容，比如一些曲线图、控制系统等，可以利用Matlab软件工具，非常迅速而准确的获得比较理想而且直观的曲线图，并且大大的提高了课堂教学效果。比如对于时域分析知识部分，通过利用Matlab软件分析系统闭环极点的分布情况，进而判断系统的稳定性；通过Matlab软件仿真系统中典型的信
号响应，使系统的动态特征显得清晰易懂。
如图2，利用simulink仿真线性系统的时域分析：
图2 simulink仿真线性系统的时域分析
其仿真结果：
通过仿真结果分析：比较两条仿真曲线，可以看出闭环零点对系统动态性能的影响为：减小峰值时间，使系统响应速度加快，超调量增大。这表明闭环零点会减小系统阻尼。
（2）结合Matlab软件的实验教学
自动控制原理课程的实验教学不应该是单纯的验证理
论知识，而应该让学生成为实验中的主体地位。实验过程不仅是学生从实践中掌握理论知识的过程，而且还要成为学生从理论到实践的一个汲取知识和体验创新的过程。实验教学不再是单纯的教师传授知识、学生获得知识的传递过程，实验教学则应该重点看学生实际动手的过程，在实验中能否发现问题，以及如何解决实际问题的能力。
对于自动控制原理课程中的实验教学，利用Matlab 软件仿真完成相应的实验教学是该课程改革过程中一个比较
重要的环节。一方面，该教学模式有利于学生对所学理论的理解与深化，能够及时发现问题，解决问题；另一方面，该教学模式有利于锻炼学生的实际动手能力，有利于培养学生的创新思维和逻辑分析能力[5]。
如线性系统的根轨迹实验
在自动控制原理课程中，开环系统的增益K取得的就是根轨迹这个参数。在本科教材中介绍的描绘根轨迹的方法都是采用手工绘制方法，但是手工绘制并不准确，只能绘制根轨迹草图。如果利用Matlab软件中仿真工具，就可以非常方便的把根轨迹的图绘制出来，而且还可以改变参数，通过观察参数变化对特征根位置的影响。比如已知系统的开环传递函数■，利用Matlab绘制该系统的根轨迹。其根轨迹如图3（a）所示。
若要绘制K在（1，10）的根轨迹图，则此时利用Matlab 的调用格式，对应的根轨迹如图3（b）所示。
a）完整根轨迹图形（b）特定增益范围内的根轨迹图形
图3 系统的根轨迹图形
4.采取答疑质疑相结合的辅导方式
在课程教学中，答疑和质疑是教师辅导学生的两种比较重要的形式。对于一般的本科学生，在自动控制原理课程的学习过程中，对该课程知识的掌握能力相对比较差，甚至是根本跟不上教师的进度，而且不懂也不主动问。针对这样的情况，我们可以采用答疑与质疑相结合的方式对学生进行辅导，教师主动对知识点提出质疑，给学生一定的压力，这样对学生的主动学习起到了督促作用。对于绝大多数学生所存在的共性问题，我们可以采取集体辅导的形式，进行统一解
答，或是展开专门讨论，充分发挥学生学习的自主性，老师引导学生找到答案，解决问题。
三、结束语
本文只是作为自动控制原理这门课程在其教学改革道路上的一种尝试和探索，我们通过改进教学方法、拓展教学思路，并把Matlab软件工具科学合理的利用在理论教学和实验教学中，使得教学质量明显提高。使得学生在学习理论知识的同时，加强了对相应的专业技能和应用动手能力，也使得学生学习的自主能力增强，加强了创新意识。促进了该学科往应用型人才培养方向的发展。但是该课程的教改创新过程，还需要下更多的功夫深入研究。
参考文献：
[1]李振龙，乔俊飞，孙亮等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J].教学研究，2009.3（2）：66-68.
[2]张璃成，王福斌.自动控制原理课程立体化教学体系研究与实践[M].试验技术与管理，2013.9（9）：181-182.
[3]刘良兵，彭晓芳等.思维导图法在自动控制原理课程中的应用研究[G].中国科技创新导刊，2012（16）：59
[4]邓明珍，汪德莲.图文关系视角下对思维导图的再定义――以The Freedom Givers的思维导图为例[J].佳木斯教育学院学报，2011（4）：23～25.
[5]刘中，袁少强，张军香. 自动控制原理实验课的改革
与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：403-406.