新工科背景下《自动控制原理》课程的教学改革研究

作者:未知

  摘 要:为了应对新一轮科技革命和产业革命的挑战,加快工程教育事业发展,高校正积极探索新的教学方法以提升创新型人才培养质量。本文通过分析高职本科轨道交通信号与控制专业《自动控制原理》课程的教学现状,针对该课程教学中存在的问题,从整合教学内容、增加MATLAB应用、改进考核体系三个方面出发,研究与新工科建设相适应的教学和人才培养模式。
  关键词:自动控制原理;新工科;教学改革
  文献标识码:A
  Abstract:In order to respond to the challenges of the new round of scientific and technological revolution and industrial revolution,and accelerate the development of engineering education career,colleges are actively exploring new teaching methods to improve the quality of innovative personnel training.Based on the analysis of the current teaching situation of the course《Principle of Automatic Control》for the undergraduates majoring in signal and control of rail transit in Higher Vocational College,aiming at the problems existing in the teaching of the course,this paper studies the teaching and personnel training mode required by the construction of new engineering from four aspects:adjusting the teaching targets,updating the teaching contents,optimizing the teaching methods and improving the evaluation system.
  Key words:Principle of Automatic Control;new engineering;teaching reform
  为推动新时代中国特色社会主义经济建设,促进经济转型升级,政府相继实施“一带一路”、“中国制造2025”等重大强国战略,这对工程领域技术人员的素质和能力提出了更高的要求,对工程教育的改革和发展提出了更新的期望。自动控制技术作为20世纪发展最快、21世纪最重要的高新技术之一,在工业机器人、航空航天、军事等领域起着关键作用,也是智能制造领域的核心技术。自动控制原理作为自动化相关专业的主干课程,阐述了自动控制的共同规律,通过学习该课程使学生具备初步的系统分析和设计能力,为后续课程的学习以及从事相关技术工作奠定基础。而在《自动控制原理》的教学中,传统的课堂讲授法教学法已不能适应现代教育教学的需要,也无法满足新工科建设要求,因此改革势在必行。
  一、自动控制原理的教学现状
  《自动控制原理》课程有着理论性强、内容抽象、关联性强的特点,传统的课程教学模式强调以书本和黑板为中心,重视数学推导而忽视物理概念,重视纯理论内容的介绍而忽视工程应用和对学生能力素质的培养。
  (一)教学内容繁多
  《自动控制原理》课程从方法论的角度研究了控制系统的建立、分析和设计,其内容包括两个部分:经典控制理论和现代控制理论。本课程涉及的知识点丰富,既有微分方程的求解、拉普拉斯变换、矩阵分析的数学知识,也有力学、热学的物理知识,还牵涉电路理论、电机与拖动、模拟电子技术等专业课程的内容,并要求具备一定的数学建模能力和运用综合知识解决实际问题的能力。由此,该课程信息量大、覆盖面广,使学生难以及时吸收所学知识,也影响了教学效果。
  (二)教学手段单调
  多媒体教学作为现今高校教师主流的教学手段,以其便捷、高效、直观的特点,为教学改进注入了活力,对教学的辅助作用有目共睹。通过多媒体教学可将冗长的概念、抽象的原理、复杂的计算以简明扼要、易于接受的形式表现出来。但针对《自动控制原理》这样理论性较强的课程,对多媒体课件单一教学形式的依赖不仅容易使学生产生疲惫感,也不利于青年教师成长。例如在讲到自动控制系统的数学模型时,为了得到系统的传递函数,需要将一个实际的物理系统按照物理规律通过构建微分方程、取零初始条件下的拉氏变换的方式过渡到数学系统,从而得到数学模型,对于此部分内容纯课件式的讲授方式无法集中学生的注意力,不利于他们对知识的理解和掌握。
  (三)缺乏实践环节
  实践教学环节是新工科能力培养的重要环节,对于提高学生实践能力和创新能力具有重要意义。而在《自动控制原理》课程的教学中,更多的是对于理论的讲解,学生感觉内容枯燥乏味,难以激发学习的兴趣和动力。同时,理论和实践相脱节不利于学生深入理解所学知识,也有违应用型本科院校与高职院校联合办学初衷。
  二、课程改革初探
  经过以上论述分析,本文针对在《自动控制原理》课程教学实施过程中存在的问题提出几点改革建议:
  (一)整合教学内容
  根据新工科对应用型人才培养的要求,通过研究分析教材和大纲,对《自动控制原理》课程的教学内容进行整合,重视理论内容的实际应用,多讲原理少讲计算,对于公式的推导证明以及大纲要求了解性的内容不讲或略讲,对于抽象繁杂的内容可适当降低难度,但注重前后衔接。以此为指导将自动控制原理课程内容分为五大項目模块。   項目一:自动控制系统概述。包括自动控制系统构成、自动控制系统的相关概念。
  项目二:自动控制系统的数学模型。包括如何建立系统的数学模型、系统的传递函数、框图等效变换。
  项目三:自动控制系统的性能分析。包括系统的稳态和动态性能分析。
  项目四:分析自动控制系统性能常用的方法。包括系统的响应特性。
  项目五:校正。包括校正的意义和常用方法的。
  在每个项目中设置若干教学任务,帮助学生建立自动控制系统的基本概念,掌握自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法。
  (二)增加MATLAB应用
  将MATLAB软件与自动控制原理课程相结合,借助于MATLAB语言和Simulink模块对线性连续控制系统的性能进行编程仿真分析,丰富了课堂教学形式,提高了本课程的实践性和工程应用价值,使学生掌握一定的计算机辅助分析和设计能力,为今后进一步学习和工作打下良好基础。下面以一道题为例介绍如何通过MATLAB语言绘制典型二阶系统的单位阶跃响应曲线。
  例1.已知典型二阶系统的传递函数为G(s)=4s2+s+4,试绘制该二阶系统的单位阶跃响应曲线。
  MATLAB程序如下:
  num=4;
  den=[1 1 4];
  sys=tf(num,den);%生成传递函数模型
  step(sys);%绘制单位阶跃响应曲线
  title('单位阶跃响应曲线');%添加标题
  由左图可知,响应曲线呈现收敛状态,系统稳定。
  (三)改进考核体系
  课程考核是人才培养过程中的重要环节,一个完善的教学体系离不开合理、科学的考核方式。我校高职本科轨道交通信号与控制专业《自动控制原理》课程的考核方式以笔试为主,占比情况为笔试成绩(70%)+平时成绩(30%),针对考试形式单一、考试结构单调的问题,将各项目模块的MATLAB仿真分析也纳入考核体系,不仅考核学生对基本概念和原理的掌握,也检测他们的实践能力和运用计算机软件分析解决问题的能力,调整之后总评成绩由笔试成绩(60%)+平时成绩(20%)+MATLAB仿真分析成绩(20%)构成。
  三、结语
  《自动控制原理》是自动化相关专业承上启下的一门课程,内容广泛,有很强的理论性,又同实际应用紧密相连。从多方面研究探索该课程如何通过改革创新激发学生的求知欲、获得更好的教学成效对于新工科课程建设有着积极的推动作用。
  参考文献:
  [1]周磊.MATLAB在自动控制原理教学中的应用[J].中国现代教育装备,2010,13.
  [2]姜鸣.新工科背景下《自动控制原理》课程改革探索与实践[J].科学大众·科学教育,2018,4.
  [3]许瑶.浅谈项目化教学在高职自控原理课程中的应用[J].求知导刊,2017,12.
  作者简介:沈陆(1988-),男,硕士研究生,主要研究方向:先进控制理论与应用。
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