试议教学改革“自动制约原理”课程教学革新探索与实践

更新时间:2024-03-21 点赞:8158 浏览:25621 作者:用户投稿原创标记本站原创

摘要:分析了“自动控制原理”课程在电气信息类专业中的重要地位及教学现状;结合地方院校人才培养目标、学生生源和该课程的实际情况,对该课程的教学改革做出了积极的探索和有益的实践。从教学内容的精心设计、启发互动式与MATLAB辅助式教学、开放式实验的建立与科研课题的研究等方面阐述了该课程教学的特色,从而实现“以学生发展为本,培养自主分析和创新能力,强化实践能力,提高学生的综合素质”的教学理念。
关键词:自动控制原理;教学改革;教学体系;教学方法
作者简介:张正江(1982-),男,江西乐平人,温州大学物理与电子信息工程学院,讲师;郑崇伟(1951-),男,浙江温州人,温州大学物理与电子信息工程学院,教授。(浙江 温州 325035)
基金项目:本文系2012年温州大学教改项目(项目编号:12jg51B)的研究成果。
1007-0079(2013)17-0053-02

一、教学现状及改革思路

“自动控制原理”是理论与工程实践相结合的一门课程,是高等学校电气信息类专业的专业基础课程,是本科生后续课程及研究生课程的基础。该课程的主要任务是通过对控制理论知识的学习,培养学生对控制系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。 [1,2]
“自动控制原理”课程的特点是内容丰富且理论性强,涉及知识面广且信息量大,很多概念较抽象,习题类型较多且难度较大。该课程具有一定理论深度和学习难度,大部分学生感到难学,教师也感觉比较难教。[3,4]如果沿用传统的课堂填鸭式讲授与验证性实验相结合的教学方法,则难以提高教学效果。传统的教学方法有效地传授了理论知识,而忽视了培养学生的创新意识和创造才能 。[5-7]在大力提倡素质教育、强化创新意识和提高创新能力的教育形式下,迫切需要建立包括理论授课、计算机辅助教学、实践与科研教学在内的课程教学新体系,并充分调动教师和学生的积极性。如在学习方法上,设计以小组为单位的学习新模式,促进互助型主动学习。这有利于培养学生的合作精神,提高学生的自主学习和自制能力,激发学生的创造性。[8]
近年来,控制理论在非线性控制、鲁棒控制、智能控制、复杂系统的控制及控制与优化一体化等方向上取得了重要进展。[9]如果沿用以前的内容一成不变地讲授,则不能保持课程内容的先进性。这就要求对控制学科的发展有较好的把握,在讲课过程中应选取一些与课程相关的最新理论与新技术介绍给学生,保持本课程内容的先进性。
温州大学(以下简称“我校”)是浙江省一所地方性院校,位于中国民营经济发展的先发地区与改革开放的前沿阵地——温州市,学校的本科生是地方经济与社会发展的生力军。我校生源主要来自于浙江省各地区,大部分学生毕业后一般都选在浙江省内尤其在温州市经济较发达的地区工作。电气信息类专业的毕业生相对集中在电力电子、电子装备与系统集成、家电、智能建筑等行业工作。这些行业急需大量基础理论知识扎实、动手实践能力强、敢于创新、脚踏实地的高素质应用型人才。[10]
“自动控制原理”课程是我校物理与电子信息工程学院电气工程及其自动化专业的专业基础课,也是电子信息工程、电子信息科学与技术专业的专业选修课。因此,根据地方院校人才培养目标、学生生源和本学院这门课程的实际情况,对该课程的教学改革做出了积极的探索和有益的实践。从教学内容的精心设计、启发互动式与MATLAB辅助式教学、开放式实验的建立与科研课题的研究等方面阐述了该课程教学的特色,充分调动教师和学生两方面的积极性,从而实现学院“以学生发展为本,培养自主分析和创新能力,强化实践能力,提高学生的综合素质”的教学理念。

二、教学内容的精心设计

精心设计教学内容是所有课程教学的关键,提高教学质量的核心。对自动控制中的基本概念、基本原理和基本方法应详细深入讲解,结合学生所熟悉的具体实例或工程案例进行小组讨论、师生研讨,在学生对基本概念、基本特点有了深入理解之后,再适当地引入复杂的综合应用实例,用来扩充学生的知识面,提高学生的知识综合与融会贯通能力。把当前实际应用较少的内容设定为教学大纲中的了解内容,少讲或者让学生去自学,锻炼学生的自学能力。[11]
为了让学生能够在限定学时内熟练地掌握控制的理论并能够对较复杂的控制系统进行综合分析与设计,需要加强综合实践与应用能力的培养。在课程的讲解过程中应结合实际的工程实例,对控制系统的理论及分析与设计方法进行综合讲解。在控制系统的工程应用实例中理解控制系统的结构特征、工作原理及分析与设计方法等。
例如针对电气工程及自动化专业的学生,我们以光伏并网发电系统(图1)与调速控制系统(图2)作为工程实例,通过这些复杂系统的模块划分,采用不同的方法建立系统的多种数学模型。通过不同方法的建模,有助于学生将不同数学模型的建立过程、相互间的联系与优缺点等多方面内容融会贯通。对所建的模型采用不同的分析方法来分析系统的稳定性,进一步地设计不同的控制策略来改善系统的性能。让学生能系统理解和掌握控制系统的分析与设计方法。通过这些典型的工业应用示例,让学生系统地理解本课程的主线:从控制系统建模方法到控制系统分析方法,再到控制系统的综合设计,拓宽学生的视野,激发了学习兴趣。

三、启发互动式教学与MATLAB辅助式教学

启发与互动式教学首先通过学生自己动脑、动口、动手来获取知识,激发学生积极、主动学习,促进学生积极思维,发挥学生的潜力,提高学生的综合分析与应用能力;其次通过课堂上师生的互动,使学生能在教师的引导下,围绕重源于:大学生毕业论文www.618jyw.com
点与难点内容相互交流意见,共同探索解决问题的方法。例如在讲解控制系统的基本概念和特点后,让学生列举日常生活中控制技术的应用实例。针对列举的实例,讨论如何用方框图来直观地描述其基本工作原理,如何针对具体的实例采用不同的建模方法建立其数学模型。这样能够有效地激发学生积极、主动学习,促进学生积极思维,发挥学生的潜力,提高学生的综合分析与应用能力。 每章小结后,教师可以抽出时间设计综合性问题,让学生在课堂上分小组进行讨论,有利于培养学生的合作精神,提高学生的自主和自制能力,激发学生的创造性。例如,在讲解完频率法分析时,设计有源网络电路系统,如图3所示。要求学生画出系统的方框图并求解系统的开环与闭环传递函数,计算系统的不同输入信号的稳态误差,并采用频率法分析系统的稳定性。通过综合习题的讨论不仅能让学生掌握和应用本章的知识要点来解决实际问题,还可以培养学生对已学知识的融会贯通能力。同时,调动了学生团队合作意识和学习的积极性,提高了学生的知识归纳、总结和表达的能力,可取得比较好的教学效果。
根据本课程的特点,为满足新形势下的教学要求,在课程的教学中应引入计算机辅助的教学工具,如MATLAB软件中的Simulink模块,通过仿真软件的动态演示使得原本抽象与难学的一些理论与概念变得更加通俗易懂。通过对控制系统的分析对设计中具体运动过程图形的观察与分析,使学生更深刻地认识和掌握复杂难学的控制理论与方法。通过课堂上的实际演示,使学生能够更好地掌握如何采用计算机辅助工具进行控制系统的分析与设计,同时可以节省根轨迹、奈氏曲线、Bode图等曲线手工绘图的大量时间。
在教学过程中,充分地利用现有较好的仿真软件平台,即MATLAB软件中的Simulink模块,针对具体控制系统(如图4所示惯性加时滞环节的控制系统),引入P控制器、PI控制器及PID控制器,通过改变各控制器的参数,观察控制系统的仿真结果,比较采用不同的典型控制器对系统性能的影响,使学生能够直观地认识到这几种典型控制器对控制系统暂态和稳态性能的影响,从而有利于理解、学习及设计改善系统性能的控制方法。

四、开放式实验的建立与科研课题的研究

本课程具有很强的理论性与实践性。在学生掌握基础理论知识较好的情况下,为了进一步提高学生的基础理论与实际应用相结合的能力,同时培养学生的自主创新摘自:学报论文格式www.618jyw.com
能力,结合学院实验室具体条件,本课程拟采用开放式实验或科研课题模式来进行实践与科研教学。实验室对学生全面开放,教师通过申请开放式实验项目及其他项目的形式,指导学生开展开放式实验与课题研究。
根据教师的科学研究课题,让感兴趣的学生加入课题组并指导他们进行研究。通过申请面向学生科研的我校实验室开放式项目、学生科研项目及浙江省新苗人才计划项目,让感兴趣的学生参与到科学研究课题中,体会学以致用,从而培养学生综合能力和素质,锻炼学生独立思考和自主创新的能力。
在上述科研项目中,提炼出几个综合性、设计性的开放式实验。在本校现有的实验平台上,让学生组成小组团队的形式,开展综合性、设计性的开放式实验,同时进行研究性学习。让学生在确定整体实验目标的同时,通过独立思考与团队协作,自主制订综合性实验的步骤与计划,最后,实施计划并以项目验收的形式进行总结和陈述,从而培养出具有扎实的基础理论知识、动手实践能力与创新能力强的高素质应用型人才。
五、总结
综上所述,本课程教学通过课程组内部成员的讨论及调查研究,精选“自动控制原理”课程的教学内容,划定重点内容和了解内容。针对不同的授课对象,建立相应的工程实例库,结合具体的工程背景进行讲授。掌握控制理论的发展过程和目前的发展现状。
根据本课程的知识体系,设计综合性较强的讨论题库,通过启发与互动式教学培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。建立以MATLAB为平台的仿真实例库,通过仿真演示使得本课程中的抽象理论与概念能通俗易懂地表示出来,进一步加深学生对理论知识的认识。
组织基础知识综合应用能力强、对自动控制感兴趣的学生申报面向学生的校实验室开放式项目、学生科研项目及浙江省新苗人才计划项目,并指导学生进行研究性学习。在科研项目中,提炼并建立综合性、设计性的开放式实验及实验题库,从而锻炼学生独立思考和自主创新的能力。
上面谈了一些本课程组在“自动控制原理”课程教学中的认识和经验,仅供同行参考。实际上,教学中教师可根据具体的教学对象选择合适的教学方法。
参考文献:
颜文俊,陈素琴,林峰.控制理论CAI教程[M].第2版.北京:科学出版社,2006:1-10.
胡寿松.自动控制原理[M].第5版.北京:科学出版社,2007:1-15.
[3]方晓柯,王建辉,郑艳,等.《自动控制原理》教学改革的探索与实践[J].科学决策,2008,(11):101-102.
[4]梅雪,罗益民,夏美娟.基于MATLAB 的“自动控制原理”课程建设[J].电气电子教学学报,2005,27(2):22-24.
[5]袁新娣.自动控制原理课程教学改革与实践[J].宜春学院学报(自然科学),2006,28(6):67-69.
[6]张烈平.提高自动控制原理课程理论教学质量的几点体会[J].高教论坛,2004,(1):70-72.
[7]唐超颖,姜斌.自动控制原理课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报,2007,29(6):91-93.
[8]徐晓丽.“自动控制原理”反馈控制教学思想探讨[J].中国电力教育,2013,(4):53-54.
[9]王万良.“自动控制原理”课程教学中的几个关键问题[J].中国大学教学,2011,(8):48-51.
[10]谢莉萍,陈玮,章云.精品课程“自动控制原理”的教学改革与实践[J].广东工业大学学报(社会科学版),2008,8(2):31-32.
[11]徐颖秦,潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(2):152-155.
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