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“自动控制原理”课程是一门理论性和工程实践性均较强的专业基础课。本课程教和学的难点在于这门课程具有理论性强、概念抽象及分析方法多、与数学联系紧密、理论和实践联系密切及结合难等特点。面对这样一门课程, 沿用传统的“课堂讲授与验证实验”的教学方法是无法解决问题的, 必须更新观念, 建立一套包括理论讲授、计算机辅助教学、实践教学和学术讨论相结合的全方位的课程教学新体系,充分调动教师和学生两方面的积极性,利用多种教学方法和手段,努力提高教学质量。为此,我们建立了一套包括理论讲授、计算机辅助教学、实践教学和强化训练在内的全方位的教学体系,并且利用各种教学方法和手段,充分调动教师和学生两方面的积极性,全面提高教学质量。
一、教学内容研究与实践
(一)课程体系的研究
纵观国内大多数高校控制原理的教学方式,多数按照先经典后现代分开讲授。根据我校目前的教学水平和生源状况,尽管仍将自动控制原理和现代控制理论两门课程分开讲授,但在教学体系上,我们则力图将两部分的内容融合在一起。这样在教学初期,我们就将经典控制和现代控制的部分有机地结合起来,并以此贯穿于整个课程的教学中。在讲解一些概念和理论方法时,不断地给学生交待和渗透经典控制和现代控制在此方面的联系和异同。
(二)抽象严谨是其本质属性
在教学实践中,我们在保证控制理论内容的严谨性和系统性的前提下,淡化一些繁杂的数学推导,着重于解释推导过程的思路,重点强调结论的正确内涵和直观的物理意义,突出问题的背景和提法,开设了少学时的数学建模课程。在理论阐述上力求严谨、简练和易懂,并通过例题和习题来巩固学习内容。
(三)教材和教学内容的重组和优化
为了适应控制理论教学的发展,需要优化教学体系、整合教学内容,授课内容以系统建模、系统分析、系统设计为重点,突出控制系统分析和设计的共性规律和基本方法,在具体内容讲解时注意以下几点:
1.加强对几种数学模型的介绍,并同时注意各数学模型之间的联系及其转化。
2.重点讲授一阶和二阶系统的时域响应、暂态性能计算。对于三阶及其以上系统,引入Matlab软件对其暂态性能进行分析。
3.频率特性部分重点讲解频率特性的概念;频率特性的几种图形表示方法;奈奎斯特稳定判据及其稳定裕度的概念和计算等。
4.线性系统校正一章重点讲解校正的概念、意义以及超前校正、滞后校正、滞后超前校正的Bode图法,结合工程实际阐述PID控制器工作原理。
5.非线性系统分析 ,重点介绍非线性系统的概念、特点和基本方法。
6.采样控制系统应详细分析采样系统和连续系统的异同,着重讲授采样系统具有个性的内容,如采样定理和保持器等。
(四)注意一些理论和方法间的联系
例如,在讲解系统稳定性时,首先要介绍李雅普诺夫稳定性定义以及系统稳定性的意义,之后讲解判断系统稳定性的方法:劳思提出的系统稳定性代数判据;伊文思提出的根轨迹图形法;奈奎斯特稳定判据;非线性系统采用描述函数和相平面法来判断系统的稳定性等。尽管这些内容在不同的章节,但是在授课时应当将它们联系起来,并指出各自判据产生的背景和特点等。
(五)教会学生利用数学工具,解决问题
“自动控制原理”中的微分方程、传递函数、方框图、根轨迹及Bode图等数学模型有着十分重要的意义,要注意代数描述与几何描述的关系和变换。例如,利用根轨迹图能直观形象地表示出闭环极点随K值的变化以及控制系统的动态性能;在控制系统的Bode图上,既表现了系统中的数量关系又表现了系统的性能优劣程度。通过这些内容的讲授,可以引导学生思考和学会如何利用数学工具,如何将实际问题与抽象描述相结合。
二、教学方法的研究与实践
(一)在课程之间合理安排教学内容
在教学计划中有《Matlab语言及应用》、《自动控制原理》、《计算机控制技术》、《现代控制理论》课程的学习,在整个系统性和阶梯性的课程体系中《Matlab语言及应用》主要学习Matlab的基本理论,但是在应用中主要是体现控制领域的内容。《自动控制原理》是电气工程及其自动化专业的必修课,《自动控制原理》课程理论性强,学生对基本概念的理解和掌握有一定的困难,为了帮助学生更直观、深入地理解理论概念,课程内容注意到了与《Matlab语言及应用》的衔接与配合,所以两者结合,用Matlab处理系统数学模型、应用Matlab于时域分析、根轨迹分析、频域分析以及系统校正与设计等各个章节,一方面加深对知识点的理解,巩固所学的理论知识;另一方面利用Matlab对系统的设计进行仿真。《现代控制理论》主要是研究控制系统状态的分析与综合的理论,它的学习是为大系统理论和智能控制理论的学习打下良好的基础。在Matlab与自动控制原理相结合的基础上,接下来学习以自动控制理论与计算机技术为基础的《计算机控制技术》,注意是了解计算机控制系统的分析方法,联系实际讨论计算机控制系统的实现方法(包括硬件和软件实现),并重点学习计算机控制系统的应用。在前面理论知识的基础上,充分运用所学的理论应用于实际工程中,达到理论和实践的结合,所以学生在学习过程中能深刻认识到系统性、阶梯性的课程体系结构中,逐渐把内容融合在一起,一方面是基础理论的深入理解;另一方面是交叉学科之间的融合,并能够利用所学的理论知识解决实际的工程问题,为将来的就业和工作打下坚实的基础。
(二)利用网络教学平台辅助教学
学院为了加强学生与教师之间的紧密沟通,为教师开设了“网络教学平台”教辅系统,教师参加了学校“网络教学平台”的使用培训,开始使用网络教学平台辅助教学。一方面把每一章节的内容发布在网络教学平台上,以加强学生笔记的完善和对重点、难点知识的理解;另一方面教师和学生可以通过网络进行网上的答疑和作业安排等事项;使用网络教学平台作为课堂教学的补充,极大地加强了老师和学生之间的互动。
(三)理论教学与实践教学相结合
在教学过程中,要注重实践理论和相结合。利用实验室资源,接触过程控制系统和电机拖动系统,组织学生参观工厂自动控制系统,体验实际的系统与控制。
四、结束语
通过教学改革和建设实践,极大地调动了学生学习《自动控制原理》的主动性,使学生由“被动式学习”转向“主动式”、“创新式”学习。学生能够主动学习,勤于思考,共同探讨问题,积极想办法解决问题。同时学生在动手实践和理论应用能力上,理论联系实践的能力,以及运用基本理论知识解决问题的能力都有所提高。
参考文献:
[1]吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].北京:中国大学教学,2005,(9).
[2]曲延滨.“现代控制理论”课程教学改革实践[J].上海:实验室研究与探索,2005,增刊.
一、教学内容研究与实践
(一)课程体系的研究
纵观国内大多数高校控制原理的教学方式,多数按照先经典后现代分开讲授。根据我校目前的教学水平和生源状况,尽管仍将自动控制原理和现代控制理论两门课程分开讲授,但在教学体系上,我们则力图将两部分的内容融合在一起。这样在教学初期,我们就将经典控制和现代控制的部分有机地结合起来,并以此贯穿于整个课程的教学中。在讲解一些概念和理论方法时,不断地给学生交待和渗透经典控制和现代控制在此方面的联系和异同。
(二)抽象严谨是其本质属性
在教学实践中,我们在保证控制理论内容的严谨性和系统性的前提下,淡化一些繁杂的数学推导,着重于解释推导过程的思路,重点强调结论的正确内涵和直观的物理意义,突出问题的背景和提法,开设了少学时的数学建模课程。在理论阐述上力求严谨、简练和易懂,并通过例题和习题来巩固学习内容。
(三)教材和教学内容的重组和优化
为了适应控制理论教学的发展,需要优化教学体系、整合教学内容,授课内容以系统建模、系统分析、系统设计为重点,突出控制系统分析和设计的共性规律和基本方法,在具体内容讲解时注意以下几点:
1.加强对几种数学模型的介绍,并同时注意各数学模型之间的联系及其转化。
2.重点讲授一阶和二阶系统的时域响应、暂态性能计算。对于三阶及其以上系统,引入Matlab软件对其暂态性能进行分析。
3.频率特性部分重点讲解频率特性的概念;频率特性的几种图形表示方法;奈奎斯特稳定判据及其稳定裕度的概念和计算等。
4.线性系统校正一章重点讲解校正的概念、意义以及超前校正、滞后校正、滞后超前校正的Bode图法,结合工程实际阐述PID控制器工作原理。
5.非线性系统分析 ,重点介绍非线性系统的概念、特点和基本方法。
6.采样控制系统应详细分析采样系统和连续系统的异同,着重讲授采样系统具有个性的内容,如采样定理和保持器等。
(四)注意一些理论和方法间的联系
例如,在讲解系统稳定性时,首先要介绍李雅普诺夫稳定性定义以及系统稳定性的意义,之后讲解判断系统稳定性的方法:劳思提出的系统稳定性代数判据;伊文思提出的根轨迹图形法;奈奎斯特稳定判据;非线性系统采用描述函数和相平面法来判断系统的稳定性等。尽管这些内容在不同的章节,但是在授课时应当将它们联系起来,并指出各自判据产生的背景和特点等。
(五)教会学生利用数学工具,解决问题
“自动控制原理”中的微分方程、传递函数、方框图、根轨迹及Bode图等数学模型有着十分重要的意义,要注意代数描述与几何描述的关系和变换。例如,利用根轨迹图能直观形象地表示出闭环极点随K值的变化以及控制系统的动态性能;在控制系统的Bode图上,既表现了系统中的数量关系又表现了系统的性能优劣程度。通过这些内容的讲授,可以引导学生思考和学会如何利用数学工具,如何将实际问题与抽象描述相结合。
二、教学方法的研究与实践
(一)在课程之间合理安排教学内容
在教学计划中有《Matlab语言及应用》、《自动控制原理》、《计算机控制技术》、《现代控制理论》课程的学习,在整个系统性和阶梯性的课程体系中《Matlab语言及应用》主要学习Matlab的基本理论,但是在应用中主要是体现控制领域的内容。《自动控制原理》是电气工程及其自动化专业的必修课,《自动控制原理》课程理论性强,学生对基本概念的理解和掌握有一定的困难,为了帮助学生更直观、深入地理解理论概念,课程内容注意到了与《Matlab语言及应用》的衔接与配合,所以两者结合,用Matlab处理系统数学模型、应用Matlab于时域分析、根轨迹分析、频域分析以及系统校正与设计等各个章节,一方面加深对知识点的理解,巩固所学的理论知识;另一方面利用Matlab对系统的设计进行仿真。《现代控制理论》主要是研究控制系统状态的分析与综合的理论,它的学习是为大系统理论和智能控制理论的学习打下良好的基础。在Matlab与自动控制原理相结合的基础上,接下来学习以自动控制理论与计算机技术为基础的《计算机控制技术》,注意是了解计算机控制系统的分析方法,联系实际讨论计算机控制系统的实现方法(包括硬件和软件实现),并重点学习计算机控制系统的应用。在前面理论知识的基础上,充分运用所学的理论应用于实际工程中,达到理论和实践的结合,所以学生在学习过程中能深刻认识到系统性、阶梯性的课程体系结构中,逐渐把内容融合在一起,一方面是基础理论的深入理解;另一方面是交叉学科之间的融合,并能够利用所学的理论知识解决实际的工程问题,为将来的就业和工作打下坚实的基础。
(二)利用网络教学平台辅助教学
学院为了加强学生与教师之间的紧密沟通,为教师开设了“网络教学平台”教辅系统,教师参加了学校“网络教学平台”的使用培训,开始使用网络教学平台辅助教学。一方面把每一章节的内容发布在网络教学平台上,以加强学生笔记的完善和对重点、难点知识的理解;另一方面教师和学生可以通过网络进行网上的答疑和作业安排等事项;使用网络教学平台作为课堂教学的补充,极大地加强了老师和学生之间的互动。
(三)理论教学与实践教学相结合
在教学过程中,要注重实践理论和相结合。利用实验室资源,接触过程控制系统和电机拖动系统,组织学生参观工厂自动控制系统,体验实际的系统与控制。
四、结束语
通过教学改革和建设实践,极大地调动了学生学习《自动控制原理》的主动性,使学生由“被动式学习”转向“主动式”、“创新式”学习。学生能够主动学习,勤于思考,共同探讨问题,积极想办法解决问题。同时学生在动手实践和理论应用能力上,理论联系实践的能力,以及运用基本理论知识解决问题的能力都有所提高。
参考文献:
[1]吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].北京:中国大学教学,2005,(9).
[2]曲延滨.“现代控制理论”课程教学改革实践[J].上海:实验室研究与探索,2005,增刊.