交通與汽車類自動控制原理教學改革實踐

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摘要：自動控制原理是自動化專業(yè)的核心基礎課，也是工科專業(yè)的學科基礎課程。要求非自動化專業(yè)學生系統掌握這門理論性較強的課程不切實際。文章主要闡述“自動控制原理”課程的特點，并從優(yōu)化課程內容與啟發(fā)式教學的運用兩個方面探討交通與汽車類專業(yè)自動控制原理教學改革的策略。

關鍵詞：交通與汽車類專業(yè)；自動控制原理；教學改革

一、“自動控制原理”課程特點

“自動控制原理”是自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，也是控制理論與控制工程專業(yè)碩士入學考試專業(yè)科目。該課程的學習需要較為深入的數學基礎，需要系統學習復變函數、模電、數電、電路等相關前置課程。課程設置一般為六七十個學時，詳細介紹時域分析、根軌跡、頻域分析等經典的控制系統分析方法。對于除自動化之外的理工科專業(yè)，通常將控制原理作為學科基礎課，結合各專業(yè)自身的學科背景，開設“機械工程控制基礎”“汽車控制技術基礎”等課程，一般只有二三十個學時。傳統的自動控制原理課程包含的內容多且復雜、理論性強，讓非自動化專業(yè)的學生系統地學習這門課程不切實際也沒有必要。故而針對非自動化專業(yè)開展精簡或新形式的控制原理教學有非常重要的現實意義[1]。開展針對交通與汽車類專業(yè)控制理論的教學要重視學生專業(yè)背景與前置課程基礎特征。在專業(yè)背景方面，該類專業(yè)主要面向汽車工業(yè)與交通領域培養(yǎng)專門人才，學生對汽車構造、汽車理論、交通工程學等課程有較為系統的學習。學習控制原理的意義也是在于開展汽車以及交通方面的控制器設計。故而課程內容應盡量包含交通及汽車領域的各種控制實例，設計例如懸架、巡航、跟馳模型等針對性較強的控制系統實例能夠很好地激發(fā)學生興趣?？刂葡到y的分析與控制器的設計可以利用計算機仿真來實現，加大相關軟件的實際操作培訓。交通與汽車類專業(yè)的學生普遍有C語言的課程基礎，且隨著計算機的普及，本科生普遍具備使用筆記本電腦的條件。具有專業(yè)性的控制實例結合計算機仿真試驗能夠有效調動學生的學習熱情。在前置課程基礎方面，對于交通與汽車類的學生來說，課程基礎與自動化專業(yè)的學生有較大的區(qū)別。汽車與交通類專業(yè)大一大二對微積分、理論力學等課程有了較為系統的學習，但是對于控制領域常用的拉普拉斯積分變換并沒有系統學習過，這對于理解經典控制理論中利用傳遞函數分析控制系統性能有較大的障礙。故而需要在課程內容的設計上針對授課對象補齊必要的基礎知識，在介紹傳遞函數之前補充拉普拉斯積分變換的相關知識。構建仿真模型還涉及到數值計算方法的相關內容，為了便于學生理解仿真的計算過程，還可以適量補充數值方法相關內容。筆者結合自己的學科專業(yè)背景，總結了課題組十余年針對交通與汽車類專業(yè)在控制理論課程內容設計方面的經驗，提出了關于教學內容和教學方法的改革舉措，在多年的教學實踐中取得了較好的效果。

二、針對專業(yè)背景優(yōu)化課程內容設計

傳統的控制原理包含系統建模、時域分析、根軌跡等系統的經典分析方法，但是對于非自動化專業(yè)的學生，對控制原理的學習并不需要全面掌握控制系統的分析方法，而是需要根據自身專業(yè)的特點，從本專業(yè)常見的控制問題入手，介紹系統構建及分析方法，以能夠解決本專業(yè)的控制問題為目標。

（一）以“反饋”為核心的課程內容設計非自動化專業(yè)控制原理講授內容多是刪減版的自動控制原理，主體框架依照國內主流的自動控制原理教材，講授時域分析、根軌跡、頻域分析等內容，然而對于非自動化專業(yè)的學生，該門課程的學習時間有限，過于細致的理論講解容易使學生覺得枯燥無味。針對交通與汽車類的理工科學生，控制課程的內容應該圍繞反饋[2]、穩(wěn)定性等控制的核心思想，介紹適量的理論分析，再結合自身專業(yè)的仿真實例加深原理及概念的理解，可以起到較好的教學效果?！蹲詣涌刂疲悍答伒牧α俊褂肕ATLAB》是一本創(chuàng)新性地介紹自動控制的課本，由塞奧德•E.特費斯所著，西安交通大學出版社譯制出版。本書主要討論“反饋”的基本概念，并表明如何用它來設計自動控制器。以該教材的內容編排為主體，結合交通、汽車類專業(yè)的學科特點，設計的新的課程安排如表1所示。八個章節(jié)的內容可分為兩個部分，前四章重點介紹系統建模，除了基本的理論建模，還包含運用仿真軟件建模方法的介紹，再結合本專業(yè)常見的系統模型，可以有效提高學生的興趣和動手能力，使建模不僅僅停留在理論層面。后四章重點講述系統分析方法，以“反饋”為核心思想，運用傳遞函數分析反饋是如何提升系統的穩(wěn)定性，如何運用PID控制器設計閉環(huán)系統的控制方法。該課程內容的設計雖然舍棄了諸如時頻分析、根軌跡等經典的分析方法，但是內容設計淺顯易懂，主線清晰，能夠較好提升學生的興趣，通過工程實例引導學生獨立思考。

（二）結合汽車模型的MATLAB仿真練習MATLAB是優(yōu)秀的仿真編程軟件，控制系統分析及構建的很多工作都可以在該軟件平臺上完成，尤其是Simulink在汽車控制系統開發(fā)領域應用廣泛。利用MATLAB軟件輔助課堂教學，幫助學生理解抽象的控制理論[3]。基于MATLAB軟件的課堂練習分別包含文本編程和圖形化編程方法。第三章數值計算運用文本編程，即M語言編程。由于工科學生廣泛具備C語言的學習基礎，在理解數值計算原理的基礎上能夠利用循環(huán)語句構建迭代求解方法。第四章構建車輛系統模型，Simulink來實現建模仿真，雖然多數學生此前并未接觸過圖形化編程方式，但是圖形化編程形象生動，較比相對枯燥的文本編程易于掌握。多輪次的教學效果表明，絕大多數學生都更喜歡選用圖形化編程方式。

三、啟發(fā)式教學的運用

教學方法的選擇應該豐富多樣，除了傳統的課堂講授，還應該引入更加豐富的教學手段。由于課程時長的限制，控制原理的很多經典課程并不能夠在課堂上逐一講授，那么如何調動學生的學習興趣引導大家課后自學是關鍵。啟發(fā)式教學即引導學生積極參與課堂討論，結合本專業(yè)領域知識，設計控制系統，自學未能完全展開的理論知識，進一步提升教學效果。

（一）課堂網絡實時互動的運用傳統課堂由于一對多的教學模式很難使每一個學生都參與課堂互動，想讓大多數學生都參與到課堂發(fā)言勢必占用大量的課堂時間。隨著智能手機及網絡的普及，師生可以利用QQ、微信等即時聊天工具建立課程溝通群，在群內發(fā)言參與課堂互動。以系統穩(wěn)定性分析為例，課堂練習給出若干控制系統框圖，讓學生根據閉環(huán)系統傳遞函數判斷系統的穩(wěn)定性，學生將求解過程各自拍照發(fā)送至課程群，教師及時發(fā)現多數學生易出現的問題并在課堂上及時糾正。該方法不僅可以提高溝通效率，方便每一位學生參與到課堂提問，還便于教師了解學生的理解情況，實時根據課堂大部分學生的反饋情況調整授課進度。另外，軟件的發(fā)言頻次統計結果還可以作為出勤的考核依據之一。

（二）實施開放式課程答辯傳統的課程考試雖然能全面考察學生關于理論知識的掌握情況，卻往往容易使課程變成機械的應試教育。課程答辯是一種開放性課程考核辦法，要求學生結合自身專業(yè)知識完成一項控制系統設計，并在結課后開展統一的答辯環(huán)節(jié)。運用課程答辯的考核形式不僅可以檢驗學生對理論知識的掌握水平，也能夠啟發(fā)學生結合自身專業(yè)特點，通過查閱文獻、模型構建、系統分析完成一個完整的控制系統構建。多年的教學成果顯示，有相當一部分學生能夠運用課堂所學完成一項控制系統的設計。開放式的課程答辯不僅能夠鞏固課上講授的理論知識，更能夠啟發(fā)學生學習本課程自學大綱以外的理論知識。

四、結論

本文探討了交通與汽車類專業(yè)控制原理的教學改革與實踐問題，重點針對課程內容和教學方法兩方面提出了改革的意見和建議。針對交通與汽車類專業(yè)的工科學生，需要設計合理的教學內容，以控制的核心思想———“反饋”為主線設計教學內容，再結合自身專業(yè)特點設計仿真實例加深理論的理解。另一方面，運用網絡通信以及答辯環(huán)節(jié)等形式多樣的啟發(fā)式教學方法能夠很好地激發(fā)學生興趣，引導學生自主學習，起到事半功倍的效果。

參考文獻：

[1]李霞.非控制專業(yè)“自動控制原理”課程教學方式探討[J].科教文匯：上旬刊，2012，（11）.

[2]薛健.《自動控制原理》課程中“反饋概念”在教學改革中的應用[J].才智，2019，（26）.

[3]王艷，浮宗霞.基于MATLAB的自動控制原理教學改革的探討[J].教育現代化，2017，（7）.

作者：林楠 施樹明 單位： 吉林大學