《控制工程基础》课程教学的改革探索

《控制工程基础》课程教学的改革探索 摘要：本文简要介绍了《控制工程基础》课程的特点、性质及其在传统教学过程中存在的弊端。为改善其教学效果，提高教学质量，详细阐述了在《控制工程基础》课程教学方法、教学手段、教学内容、实验教学、考核方式等方面的教学改革探索与实践。 关键词：控制工程基础；教学方法与手段；教学内容；实验教学；教学改革 中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）02-0025-02

《控制工程基础》是机械电子工程本科专业一门重要的专业基础课，它以控制理论为基础，研究在工程实践基础上抽象出来的问题，这些问题均是分析与设计控制系统的共性问题，不仅为后续机电类课程的学习提供理论基础，而且为学生运用控制理论的基本原理和思想方法解决机电工程中的实际技术问题奠定了基础，对工程实践具有重要的指导意义。但是，由于该课程理论性强，涉及数学、力学、电学、MATLAB软件应用以及机械工程等方面的知识，信息量大、概念比较抽象。传统教学过程中缺少分析与应用的工程实际对象与载体，缺乏学习支点，很难提高学生的学习主动性与学习兴趣，束缚了学生思维的发展，不能很好地引导学生学以致用，也少有机会引导学生学会独立思考，以致在学生的知识应用能力、综合分析能力与创新能力的培养上有很大的弊端。 为了提高《控制工程基础》课程教学质量，笔者在该课程的教学方法、教学手段、教学内容、实验教学、考核方式等方面进行了多年的探索与实践，教学效果有了不断的改善。本文就取得的教学经验做一简要的归纳与总结。 一、探索教学方法，激发学生兴趣 该课程传统的课堂教学方法以教师单向讲授为主，学生在课堂中大多处于被动接收的状态。如何提高学生的学习兴趣，增强学习主动性，对于提高教学质量显得尤为重要。在该课程的教学改革探索中，积极采用启发与互动式教学方法贯穿整个教学过程。例如在讲到控制系统与非控制系统的概念时，启发学生思考在日常生活与生产实践中自己所熟悉系统（如电扇、空调、饮水机、洗衣机、搅拌机、数控机床进给系统等）的类型，并用讨论的方式让学生讲述各种系统的工作目的与实现的方式，最后教师进行点评与归纳。这样启发与互动式教学极大地调动了学生的学习积极性，并将相关知识点与实践应用很好的结合。再例如在讲到反馈控制系统工作原理时，首先启发学生用自己的感性思维分析日常生活中抽水马桶的工作过程与原理，然后引导学生结合教材上提到的液面自动调节器的反馈控制原理进行系统分析，并激励学生在课外运用“测偏与纠偏”的反馈控制原理大量分析生活与生产实践中各种熟悉的控制系统工作原理，在大量消化吸收各种控制系统巧妙设计思路的基础上不断培养学生进行系统设计的创新思维。又例如，很多学生在接触超调量与调整时间等概念时，始终觉得很抽象与枯燥。针对这种现象，启发学生在学习相关知识点之前，讨论自己对乘坐不同类型汽车的感受，然后引导学生认识汽车的性能与乘车时感觉是否平稳以及颠簸之后恢复平稳的时间长短密切有关，而这些性能均可通过控制理论中超调量Mp与调整时间ts来进行量化分析与设计。另外，在教学中，注意从回忆旧知到逐渐引入新知，以帮助学生建立起连贯、整体的概念，教师要及时归纳总结教学内容，帮助学生全面把握相关知识点。 二、丰富教学手段，提高教学质量 丰富的教学手段也是提高教学质量、实现教学目的的重要方法。根据《控制工程基础》课程的特点，在长期的教学实践中总结体会到，多媒体课件与MATLAB仿真技术相配合，并配以适当的传统板书教学手段是一种较理想的方案。利用多媒体课件教学手段，使课堂教学更加生动、形象、直观，信息量大大增加。如在讲到控制理论是目前最实用最有发展前途的理论之一，用传统的教学手段很难展现与引导学生理解，而在多媒体课件教学中配以大量的控制理论在工业、农业、日常、道路交通、军事与高科技等领域应用的图片、视频材料，会很轻松地让学生认识到自动控制对国家发展的深远影响与重要作用，从而有效激发了学生的学习兴趣与主动性。在《控制工程基础》的时域分析法中常常需要绘制时间响应曲线进行分析，在频域分析法中需要绘制Bode图和Nyquist图分析系统，传统手工绘图方法耗时较长，且不准确，分析的结果可靠性不足，鉴于此，在《控制工程基础》中引入MATLAB仿真软件作为教学工具，采用MATLAB语言只需几条简单指令就可得到相应分析图形，同时能方便地观察参数的变化对控制系统稳定性、动态特性的影响，提高了教学效率和效果。但在《控制工程基础》课程中，对于一些理论性较强的数学推导与公式，以及习题解答这样的教学内容，采用传统的黑板板书推导，用循序渐进的方式边推导边讲解，学生更容易理解与接受。因此，在教学过程中，针对不同的教学内容特点，将现代与传统教学手段结合起来，可以使课堂教学更加科学合理。 三、优化教学内容，加强实验教学 合理编排和及时更新教学内容，保持课堂内容的先进性是教学改革的重要举措。通过《控制工程基础》的课堂教学，主要培养学生学会运用控制理论的基本原理和思想方法，掌握用系统的、反馈的、控制的方法来分析研究工程实际问题。在课堂教学内容的选取上，始终把握以“数学模型”为基础，以“基本性能要求”（稳定性、快速性、准确性）为灵魂，以分析为前提，树综合设计为目标的精神，课堂教学内容重点放在控制理论的基本概念、线性定常系统数学模型、时间响应分析、频率特性分析、稳定性分析及系统性能校正几部分。但实际应用中，大多数系统是非线性的，所以对机械电子系统中常见的非线性关系，对非线性系统的线性化处理方法等仍要讲透，而对线性离散系统分析以及系统辨识等内容只做概括性的总体阐述。另外，由于PID控制在工业控制系统中应用非常广泛，所以在教学内容中加大了对PID调节器原理与应用的讲解，不仅讲授P、I、D各参数的作用及参数自整定方法，而且在实验环节中让学生亲手搭建PID调节器，基本熟悉PID调节器参数调节方法及工程应用。《控制工程基础》课程理论性较强，利用实验教学使学生强化理论知识的深入理解与把握就显得尤为重要，而且实践教学不仅是对理论知识的验证，更是培养学生实验技能、基本科研能力和创新能力的重要环节。根据《控制工程基础》课程特点，采用MATLAB/SIMULINK仿真工具进行该课程的实验教学。一般安排4~6个实验，涉及典型环节的阶跃响应、二阶系统阶跃响应及其性能分析、系统稳定性分析、系统频率特性测试、系统校正、PID调节器等课程重点内容，其中PID调节器实验为设计性实验，更注重学生创新意识和思维能力的训练，为学生提供充分发展个性和施展才能的机会。实验中利用机电专业实验室现有的XY工作平台，在该平台上开设一个闭环控制系统的实验，理解系统的组成，掌握PID控制参数的含义与正确用法，学生编写PID控制算法，在XY工作台上开展实验，同时利用MATLAB软件对该闭环控制系统进行建模和仿真，在仿真曲线中分析KP、KI、KD各参数对XY工作平台运动控制系统性能的影响，是学生真正理解了闭环控制PID算法，通过使用时机机电系统与MATLAB软件仿真结合来理解与掌握PID控制，不仅加深了学生对控制理论知识的掌握，并使其学以致用，极大调动了学生的学习兴趣。 四、改革考核方式，合理评价机制 在理论课程学习中，考核方式一直是教学模式和方法的指挥棒，长期以来，仅凭期末考试一张试卷来评价学生的学习情况是导致应试教育的根源，在面向素质教育，培养工程应用型人才的今天，课程考核方式的改革也是影响教学效果的一个重要环节。为了强调与加强学生综合素质与能力的培养，合理评价学生的学习过程与效果，笔者在《控制工程基础》的考核方式上进行了必要的改革，将考核成绩分为平时作业成绩、实验成绩、考试成绩。其中每次平时作业老师都认真评阅，发现作业抄袭者给以0分，并进行警告与教育，平时作业成绩占总分的15%；实验成绩根据实验考勤、实验态度、动手能力、创新能力、实验报告等来综合评分，实验成绩占总分的20%；考试采用开卷考试方式，避免学生花大量时间死记硬背公式与定义，试题以主观应用型题目为主，着重考核学生对知识的深入理解与灵活应用，考试成绩占总分的65%。 五、结束语 教学改革的目的是提高教学效果，培养学生学习的主动性与积极性，从而达到培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生的创新意识和创新能力。笔者在长期的《控制工程基础》教学中不断总结教学经验，坚持进行教学改革，教学质量得到了持续改善，适应对工程应用型人才的培养需求。 参考文献： [1]周先辉.面向工程能力培养的《机械工程控制基础》课程教学方法探索[J].高教论坛，2010，（01）：81-83. [2]刘建群.“机械工程控制基础”课程教学改革的思考与实践[J].广东工业大学学报（社会科学版），2006，（S1）： [3]郑明军，刘希太，王海花.《机械控制工程基础》课程教学改革研究与实践[J].中国科技信息，2009，（06）：257-258. [4]梁康养，张世亮，施锡鹏.Matlab在《机械工程控制基础》实验教学中的应用[J].广西轻工业，2009，（12）：35-36.

作者简介：王晓梅（1972-），女，硕士，讲师，研究方向：测控技术，数控技术。