自动控制原理课程建设总结报告-数字大学城

《自动控制原理》精品课程建设总结报告

“自动控制原理”课程组

一、项目立项背景

《自动控制原理》是自动化专业及相关的电类专业的主干专业基础课程。该课程是后续专业课程的龙头，也是自动化专业研究生必考课程之一。

《自动控制原理》在本专业自1979 年开课以来，经历了30多年的磨练，该课程的教学组先后为自动化及相关专业本科、专科、研究生、夜大、函授开设该门课程。自动控制理论课程是具有一般方法论特点的技术基础课，主要讲授单输入输出定常反馈控制系统、离散系统以及非线性系统理论和分析方法。由于是专业基础课程，教学内容相对稳定。

近几年来，本课程开始使用现代化教育手段，普遍采用多媒体教学，同时对实验手段进行了改革，在使用传统的模拟实验装置的同时，结合现代计算机仿真软件MATLAB，利用计算机实现对控制系统的设计和分析，帮助学生理解自动控制理论。

二、建设思路及总体目标

在总结课题组已取得的教学成果的基础上，进一步在教育思想、教学内容、教学方法、教学手段、教材、实验和课程设计以及教师队伍建设等方面进行建设，重点是要开展教学内容、教学方法、教学手段、实验和课程设计的改革。通过精品课程建设，不断整合、优化教学内容，进一步理顺本课程和相关课程的知识联系，同时教学内容要兼顾我校的行业特色，充分考虑船舶行业对自动控制原理的要求；坚持使用现代教学手段，包括多媒体教学、视频教学和基于网络平台的教学，将所有的教学资源放置在网络平台上，真正实现交互式双向教学；继续探索实施“双语”教学的方法；继续革新实验教学和课程设计内容，不断提高学生理论联系实际的能力，以及创新能力。

总之，通过精品课程建设，要达到提高教学质量，培养合格的专业人才的目标。本课程所面向的主要专业－－自动化专业为省级特色专业、国家特色专业在建项目。课题组决心以这次精品课程建设为契机，充分调动教师的积极性，使本

课程在原有基础上不断创新和提高，力争使教师队伍、教材、教学方法和网络教

学的建设达到省内领先水平。

三、方案制定及实施情况

课程建设实施过程：

自2008 年精品课程立项以来，在学校、学院各级领导、专家的关心和支持下，经过项目组成员二年时间的不断努力，精品课程的建设工作在教学团队建设、教材建设、课程内容设计与组织、教学方法和教学手段、网络教学、实践教学改革与创新能力培养等方面取得了较好的阶段性成果。在整个建设过程中，根据年度分解目标，积极组织实施，将各项任务落实到项目组成员，并及时进行阶段性小结，不断修改和完善建设材料，最后进行归类、整理与总结。

解决的关键问题：

1. 教学采用我校主编出版的统一教材，并编写了具有特色的教学辅助教材

本课程是一门专业基础课，理论性强，学生学习的难度较大，教学过程易枯燥。改革目前的教学内容，以突出控制理论的物理概念及工程背景，淡化数学证明为原则。在学校各校区教学中统一采用我校李道根老师主编的《自动控制原理》（中英文对照），该教材已由哈尔滨工业大学出版社作为高等学校“十一五”规划教材正式出版。

编写了《自动控制理论学习指导》新辅助教材，突出工程应用与船舶行业特色，体现控制理论在实际工程和船舶自动化中的应用。

2．课堂教学采用先进的教学方法与现代化的教学手段

利用MATLAB 软件辅助课堂教学，帮助学生理解抽象的控制理论；利用典

型示例和启发式的课堂教学,培养学生的学习兴趣；结合科研实践和专业发展讲

授课本内容；结合双语教材，继续开展“双语”教学实践活动。

坚持使用现代化的教学手段，提高教学效果，包括采用统一的自行研制的多媒体教学课件和基于网络平台的教学，将所有的教学资源放置在网络平台上，真正实现交互式双向教学。此外，完善了自行研制的试题库，实现了教考分离。

3．实践教学改革与创新能力培养

修订实验教学和课程设计大纲，将模拟实验与数字仿真实验有机地结合起来，采用MATLAB 语言作为控制系统的仿真平台，扩大实验内容，增加具有设计性、综合性以及创新性的项目，提高实验的质量，提高学生的综合设计能力，培养学生的创新思维。

学院筹建了的“现代综合测控系统实验室”和“船舶综合电力系统实验室”（船电自动化特色）和创新实验基地，为学生学习船舶自动化装置的设计、分析，提供必要的实验条件，这对于突出专业教学的船舶行业特色，提高学生创新能力，

将起到很大的作用。

四、主要建设成果

1．形成了一支结构层次合理、具有较高学术水平和教学水平的师资队伍，青年教师的培养取得了一定的成效。其中教授3 名，博士后3 名，博士4 名。2．教材建设取得了一定成果。正式出版高等学校“十一五”规划教材1 部，校内出版自编教材2 部。

3．教学改革与教学研究取得了一定成果。正式发表与课程相关的教研论文7 篇；

承担与课程相关的高教研究项目10 项。

4．教学方法和教学手段改革取得良好成绩，获全国多媒体课件大赛优秀奖。5. 利用学校提供的网络平台，建立了较完善的课程网站。

6．大学生创新能力培养取得了一定成果，获全国大学生“挑战杯”课外科技作品

三等奖1项。

大赛全国三等奖1项，江苏省第三届大学生机器人大

赛

五、教学改革创新与实践

1、选用或编写合适的教材

按照内容的编排程序，教材可分为教本教材和学本教材两类。教本教材强调教材内容的系统性和内在逻辑性，适合于教师教；学本教材是按照学生的学习心理、认知规律编排教材内容，以“学”为本。显然，与教本教材相比，学本教材在内容的组织上由浅入深、由易到难，更利于学生的自主学习。目前，国内外有关课“自动控制原理”程的教材很多。这些教材有的以介绍控制理论为主甚至纯粹介绍理论，有的则把控制理论与实际生产过程中常用的、典型的自控系统相结合进行编写。而船舶电气类专业学习课“自动控制原理”程重在应用,因此应选择结合控制理论与实际系统的学本教材。目前这样的教材还不多,因此，结合本校船舶电气类学生的实际，教本教材选用了本校教师编写的哈尔滨工程大学出版社出版的《自动控制原理》(李道根主编)；而学本教材选用的是国防出版社出版的《自动控制原理》(胡寿松主编)。此外，编写了《自动控制理论学习指导》辅助教材，突出学习指导、习题讲解和在工程与船舶自动化中的应用。

2 、教学内容改革

《自动控制原理》课是自动化专业、电气工程及其自动化、测控技术等专业

的学科基础课程。《自动控制原理》课程是一门理论与实践并重，工程性、综合性、方法性、实践性很强的课程。从优化课程设置总体的角度出发，为了恰当地解决好“基础与应用”、“理论与实践”、“重点内容与知识面”等矛盾，使自动控制原理基础系列课程内容体系具有系统性、科学性、先进性、实用性，我们对课程体系进行了改革，确立了以系统分析、系统建模、系统综合为自动控制原理课程的主线，

构建了由时域分析、复域分析、频域分析、系统校正4 个模块构成的知识体系。

对教学内容改革，以突出控制理论的物理概念及工程背景，淡化数学证明为原则，在现有的基础上，继续整合、优化课程内容，进一步明确课程体系结构、组织方式，理顺本课程和相关课程的知识联系；进一步完善课程教学大纲和实验大纲，使教学内容能够为培养学生的创新能力服务。

在教学内容上，将注意突出船舶行业特色，体现控制理论在船舶行业中的应用。通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术，弥补课堂教学时数的限制与教材的滞后。

2.1 以系统建模、系统分析和综合设计为课程主线强调工程背景

自动控制原理是一门理论性、实践性和综合性强的课程，内容多，概念抽象，涉及面广,学生普遍感到有一定的难度。如何在有限的课时内让学生熟练掌握控制理论的基础原理，加强能力的培养，成为本课程改革的关键。笔者的教学思路是:从课程的体系出发，以系统建模→系统分析→综合设计作为课程主线，强调船舶工程背景，突出能力的培养。数学模型是描述系统内部各物理量(或变量) 之间关系的数学表达式，建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。在讲述这部分的内容时，注意选取有一定工程背景的系统，讲清楚模型参数的物理意义，使得学生正确理解实际模型与抽象数学模型的区别和联系。从不同的角度对系统进行建模，有助于学生加深对这方面内容的理解。例如对于船舶电气类专业的学生可用船舶上的电机调速系统为例，通过建立它的微分方程、传递函数、结构图、信号流图这些不同的数学模型，来建立各模型的联系。

系统分析方法是控制系统综合设计的基础，这部分的内容主要包括时域分

析法、根轨迹法、频域响应法，是控制理论教学的重点。在控制系统中，稳定性、快速性和准确性是对控制系统的基本要求，也是衡量系统性能的重要指标，控制系统不同的分析问题方法都是紧紧围绕这三个方面展开的。只要抓住这个特点，就抓住了系统分析的关键，有助于学生加深对不同方法的理解。系统设计是综合利用理论知识使系统的性能指标全面满足要求的过程，对培养学生的分析、综合能力及创新能力十分重要，也是教学的难点。我们的做法是：选取控制工程中的典型范例，突出工程背景，从实际控制系统中去了解系统的结构特征、工作原理和设计要求，拓宽学生的视野，激发他们的创新欲望。例如以我军某军舰上的雷达定位系统为例，假设给定目标信号，要求学生设计控制器使系统在给定输入下跟踪指定目标最小且抗干扰性最好。这些生动的工程实例大大激发了学生的兴趣，使学生感受到了控制理论的魅力，深刻理解了“学以致用”意义，在分析问题、解决问题的过程中,使课程的学习达到知识和能力两方面的目标。

2.2 结合控制理论的发展更新教学内容

近年来，控制理论得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展。这就要求教师对本学科发展有一个较好的把握,注意处理好经典的基本理论和新技术的关系，从中选取一些比较符合课程要求的理论知识，在讲课过程中及时介绍给学生，以保持课程内容的先进性。例如每章结束后都开设一个专题，介绍本学科的发展动态，这种方法扩大了学生的知识面，培养了他们探索科学技术的兴趣，深受同学们的欢迎。

结合船舶电气的发展而言，近几年来，随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在船舶上的广泛应用，船舶电气自动化程度大大地提高。新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，取得了突破性的进展，船舶设备进一步向高可靠、节能型方向发展，对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革；可编程序控制器和单片机已逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。自动控制原理课程虽然是电专业的基础专业课程，但是一般学时安排也不十分充裕。要想在有限的时间内把这门理论性和工程应用性都很强的课程教好，必须针对不同专业合理组织教学内容。必须以课程教学大纲为依托，根据专业的特点和实际需要，重点

讲授基本概念、基本原理和基本方法。另外，可通过讲座的形式向学生介绍自动

控制发展的最新动向、最新技术，弥补课堂教学时数的限制和教材的滞后，每届

学生安排2－3 次主题为“先进控制理论与应用”的讲座。

3、采用有效的教学方法和手段

3.1 采用启发式教学方法

对于自动控制原理课程，充分运用了启发式教学方法，注意突出教学重点、

难点问题,尽量结合专业实例。例如在课程绪论部分，通过与专业相关的典型示例，引出控制、开环控制、闭环控制以及反馈等基本概念，使学生认识到学习本课程

的重要性，并对控制理论在专业发展的作用有了一定的了解。另外，还可采用课堂问答和课堂讨论的方式，以及在教学内容转换时适当留一些悬念，让学生通过思考和讨论自己解决问题，提高了学生学习的主动性。

3.2 传统教学方式和现代化教学手段结合

自动控制原理课程由于公式多、绘图量大且准确度要求高，很多内容非常适合多媒体授课方式。但是，采用多媒体教学方式会使学生来不及做笔记，并且也减少了教师和学生的课堂交流。我们的做法是将传统的板书教学方式和现代化的多媒体相结合，对于传递函数方框图化简、根轨迹法、频率特性法等存在大量图表、公式和曲线的教学内容，采用多媒体授课方式。采用基于MATLAB 软件

辅助的课堂教学是一种比较实用的方法。把MATLAB作为一种基本工具与教学内容有机结合，利用MATLAB 可以快捷的得到理想的结果和直观的曲线图，教学效果和效率均有明显提高。例如，在时域分析中，通过分析系统的闭环极点的分布来判断系统的稳定性以及通过分析系统的典型信号响应来分析系统的动态特征。在MATLAB 软件包中，提供了求连续系统的单位阶跃响应函数step，单位脉冲响应函数impulse，零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数等。在绘制根轨迹图时，人工绘制计算量大且结果不精确，而利用MATLAB 绘制系统根轨迹十分方便。直接调用MATLAB 软件包中的函数rlocus( num, den) ，此时增益K 自动被确定；或者调用函数rlocus( num, den, k) ，直接调用给定的增益向量k，最后利用plot ( rlocus,‘’)可以得到根轨迹图。而利用MATLAB 软件绘制系统的频率特性图，则是指绘制Bode (伯德)图，Nyquist (奈奎斯特)图，

Nichols(尼克尔斯)曲线，所用的函数主要是Control System Toolbox中的bode、nyquist、nichols 等函数。

3.3 采取答疑质疑相结合的辅导方式

答疑和质疑是教师辅导学生自学的两种重要形式。电类专业学生在学习自动控制原理课程过程中，大多数对课程的掌握能力较差，或跟不上教师的讲课进度，平时主动找老师答疑的情况较少。笔者采用答疑质疑相结合的辅导方式,以主动质疑为主，给学生一定的压力，起到了督促学生学习的作用。对于学生存在的共性问题,采取集体辅导的形式统一解答或进行专门讨论。

3.4 其他教改举措及效果

（1）利用典型示例、启发式的课堂教学,培养学生的学习兴趣；结合科研实践和专业发展讲授课本内容。书本上的知识同实际应用是有一些差距的，结合科研实践讲解比就书本传授知识，更容易打开学生的思路，激发的创造性思维；

（2）实施灵活的实验教学方法，因材施教，对基础较差、能力较弱同学给定实验题目进行实验；对学有余力的学生鼓励他们自己开发实验；为学生开辟第二课堂，利用创新实验基地，结合“挑战杯”、全国足球机器人比赛等活动，培养学生的创新能力。

（3）采用丰富多彩的教学方式，对不同的教学内容进行组织，如通过控制系统建模比赛提高学生的专业综合能力；通过参观工厂体验实际的工业控制系统，等等。

4 实践教学与创新能力培养

实践教学是工科院校重要教学环节。本课程理论性很强，要使学生理解课程内容，必须设置相应的实验、上机等实践性教学，我们设置8 学时实验和上机教学环节，同时还安排了2 周的课程设计，既有物理性模拟实验，同时又借助于计算机仿真软件MATLAB 进行系统设计和分析，开展综合性设计实验，辅助学生理解深奥的理论知识，提高学生分析、解决问题的能力。

修订实验教学和课程设计大纲，将模拟实验与数字仿真实验有机地结合起来，采用MATLAB 语言作为控制系统的仿真平台，扩大实验内容，增加具有设计性、综合性以及创新性的项目，提高实验的质量，提高学生的综合设计能力，

培养学生的创新思维。

多层次实验教学体系的研究实践，为学生提供了不同的实验手段，加深和拓宽了实验内容和实验层次，增强了实验的灵活性，有利于培养学生的实验动手能力和创新能力，能够满足专业人才培养需要。

4.1 课内实验与课程设计改革

自动控制原理课程不但有独立的理论和方法，而且有相当强的实践性和应用性。因此，在课内实验内容设置上应充分发挥学生的优势，紧密结合专业，以实际应用为主，为此安排了典型环节模拟研究、二阶系统阶跃响应分析、线性系统稳态误差分析、频率特性测试等实验项目。在实验中，减少验证性的实验内容，增大设计性、综合性和研究性的实验内容；在实验指导书中，只提实验要求，改变过去学生按照实验指导书提供的步骤做实验的状况；在每个实验设计中，都增加一些加宽、加深的内容，希望那些基础好、动手能力强的学生学到更多知识。在实验教学方法上，重点是实行开放式教学。以往实验教学由于按课表安排上课,时间比较紧，又不灵活，主要是由教师带着学生做或按实验指导书一步一步按部就班地做，学生的依赖性很大，严重束缚了他们的创造性思维和自我发展。目前在新建的现代控制实验室和高级过程控制实验室已经实现了开放式教学，首先学生在校园网上选课，在预约的时间到实验室做实验，主要以学生为主，教师则主要是检查和指导。目前已达到教学时间、教学内容和教学设备的开放。

在课程设计方面，首先将MATLAB仿真语言贯穿控制类课程设计体系整过程，跟踪国际与国内重点大学的主流教学体系；其次结合新型实验教学设备，重点加强了综合性、设计性项目的开出，提高综合性设计项目的比例；最后，结合新的实验设计教学体系与内容，实施更加开放式的教学，从而更加突出对学生创新实践能力和综合素质的培养。

4.2 创新能力培养

课程创新能力培养方面，我们主要采取两方面的在学生的“自动控制原理”

措施：

（1）新建创新实验室，开设创新型的开放式实验教学项目。例如开设“倒立摆”

实验，该实验是在我校现代控制技术实验室的倒立摆实验装置(该装置是由中国科技大学开发的XZ2II 型旋转式倒立摆) 上进行极点配置综合设计性实验。具体安排是先对倒立摆实验装置进行数学建模, 然后采用MATLAB 语言仿真设计，最后在实际的实验装置上调试。

（2）新建“现代综合测控实验室”，体现船电自动化特色，突出控制理论在船电自动化中的应用。例如该实验室中建设的“船舶电力推进实验装置”以及“可调浆控制与实验装置”等都是船舶电气化类的实验装置。通过对这些实验装置的学习和架设，学生的创新实践能力可得到进一步的提高。

六、教学条件

1、教材使用与建设情况

《自动控制原理》课程采用我校李道根老师主编的《自动控制原理》（中英文对照）。该教材出版前已试用过2届，通过问卷调查，学生评价较高。目前已由哈尔滨工业大学出版社作为高等学校“十一五”规划教材正式出版，并已在06、07、08 级自动化、电气工程及其自动化专业的教学中作为中文教材使用，效果良好。

为了能更好地适应或满足我校相关专业的教学需求，编写了《自动控制原理学习指导》辅助教材，目的是对知识点进行归纳总结，突出重要理论、方法、定理和公式的理解与应用，并通过精选例题分析和测试题练习，加强重点与难点的辅导，在工程应用上注重与专业相结合，帮助不同专业的学生有针对性的学好该课程。该辅助教材预计明年正式出版。

2、相关文献资料指定与利用情况

课程教学的第一课时就会给学生指定教学参考书目，网络课堂或学校网络均提供教学参考书目。学生根据自身的情况，购买或在图书馆借阅参考书。从教学实际过程中注意到：选择该课程作为考研入学考试的同学或者不考研但成绩较好的同学使用参考书的情况较多，学习困难的同学几乎不看参考书。

3、配套实验教材的教学效果

根据自动控制实验室软件和硬件条件，编写了《“自动控制原理”实验指导书》、

多媒体实验课件和标准实验报告，保证了课程实验教学的顺利进行，并且结合自

动化技术的发展和专业建设的进程，对实验内容和实验指导书进行不断的修改、

补充和完善。实验开出率均达到100％。目前，项目组正在进一步建立了硬件实

验和软件实验相结合的多层次、立体化实验教学体系，加强学生实验动手能力和

创新能力的培养，不断提高实验教学效果。

4、实践性教学条件与教学效果

目前实验室硬件设备较为完善，除了拥有自动控制原理实验装置外，还拥有

现代控制技术实验室，能够应用MATLAB 开展控制系统计算机辅助分析与设计。为了培养学生的创新能力和动手能力,充分利用MATLAB 语言中的控制系统仿真工具箱，我们开发了包括《自动控制理论》、《现代控制理论》、《系统辨识》、《智能控制》等数门课程的实验，实现了软、硬件的结合。此外，筹建的“现代综合测控系统实

验室”和“船舶综合电力系统实验室”（船电自动化特色）和创新实验基地，将为学生学习船舶自动化装置的设计、分析，提供必要的实验条件，这对于突出专业教学

的船舶行业特色，提高学生创新能力，将起到很大的作用。

5、网络教学环境、资源与作用的发挥

2010 年以前，本课程建设有自己的课程网站。2010年以后，根据学校的要求

和提供的网络教学平台，我们在该平台上又建设了《自动控制原理》校精品课程

网站。目前网上已有课程介绍、课程负责人、课程特色、教学大纲、互动教学、教

学档案、课件与教案和立体化教学等资源。网络教学为学生提供了新的学习途径

和学习方法，使学生能够巩固与拓展课堂教学内容，及时方便地与教师进行信息

交流。在以后的教学中，本课程将进一步丰富和完善网络教学资源，将网络教学

作为一种重要的教学手段和教学场合。

七、经费使用情况

支出科目及金额（元）：

八、课程特色、存在不足与进一步建设的目标

1、课程特色

（1）结合自动化国家特色专业建设，以船电自动化为主要特色，培养学生的实践创新能力

重点通过教学内容、实验和课程设计改革等教学环节，通过开放实验室、建立大学生创新基地、充分利用特色专业实验室等条件和手段，加强课程教学的船舶行业特色，培养学生的动手实践能力。

（2）编写特色教材、建立网络教学平台、采用多种现代教学手段

结合教材和专业特色，开发课程多媒体课件，制作课程视频资料，建立和完善课程教学网站，依托网络教学平台，采用看录像、办讲座、开展创新比赛等多种形式的教学活动。

（3）“双语”教学

根据教师选拔、学生志愿的双向选择原则，挑选一部分学习成绩优秀的学生，开展“双语”教学实践活动。

2、存在不足之处

本课程1979 年开设，经过若干年的发展，目前已形成了一支年轻而又合理的教学梯队。目前的几位主讲教师具有丰富的控制系统与自动化装置的实际经验。长期以来本课程的教学十分注重理论紧密联系生产实际，重视实验和课程设计实践性环节，培养的学生既具有扎实的控制理论基础，又具备了较强的实践动手能力，获得了用人单位的广泛好评。与其他兄弟院校相比，本课程在船电自动化应用领域具有一定的实践优势。

存在不足之处：

（1）本课程已经具备了一定的船舶行业特色，但特色还不够鲜明，在教材、教学内容、实验等方面还须再进一步突出行业特色。

（1）现有的多媒体课件和教材还不完全配套，同时本课程的教学内容较多，应

该在哪些章节使用多媒体课件才能取得较好的教学效果，这些方面所做的探讨还不够；此外，虽然建立了专业教学网站，但还不够完善，网站的很多功能发挥得还不够。

（3）缺乏省级以上的的教学成果和教研教改项目。

（4）教学水平和实验水平有较大的提高，但与重点大学相比，还存在不足。应该加快多层次、立体化的实验教学体系的建设。

3、进一步的建设目标

（1）进一步加强教学队伍建设，提高教学水平；

（2）进一步优化课程内容、在自动化技术中体现最新的科技前沿；

（2）实验条件和实验水平还可以进一步提高。