“控制技术与系统”绪论课的教学设计与实践
时间：2020-03-23 05:07:14 来源：千叶帆 本文已影响人
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（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）
摘 要：“控制技术与系统”是测控技术与仪器专业的必修课程之一，绪论课是整个课程教学的先导，具有非常重要的作用。本文就该课程绪论课的教学设计、内容组织和教学方法进行探讨。重点介绍该课程的主线和常用的研究方法，激发学生主动学习的积极性，使学生了解所学主要内容以及各章节的作用和联系，对教材内容有一个整体理解，便于抓住重点，熟悉其研究方法。教学实践表明，该绪论课教学设计极大地激发了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。
关键词：控制技术与系统；绪论课；教学设计
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）05-0075-03
Abstract： "The course， Control technology and System" is one of the main courses for measurement and control technology and instrument specialty. The teaching of introduction class is the first step of the whole course and plays an important role. This paper presents discussions on the teaching design， content organization and teaching method for introduction class of control technology and system. The outline and control methods in the teaching of introduction class is emphasized to arouse the students" enthusiasm of studying this course and attempt to make students know the primary contents ， the purpose of each chapter and the relationship between the chapters， and understand the emphasis and general research method of the course. The favorable effect has been obtained in the practice teaching.
Keywords： control technology and system； introduction class； teaching design
引言
测控技术与仪器专业（测控专业）以精密测试技术为平台，应用电子技术、控制技术、信息技术和精密机械设计与制造技术研究开发适应于现代化工业发展自动化和智能化工业检测系统和成套装备[1]。“控制技术与系统”是测控专业一门重要的专业必修课程，该课程是从系统的角度阐述控制系统分析与设计方法以及在信息技术主导下的控制系统结构体系， 并注重学生實际工程设计能力的培养。也正是因为本课程的综合性和内容的交叉性，要完成课程授课大纲规定的授课任务，使学生充分理解和掌握本课程的知识内容，相对其他专业课程也更具有特殊性与复杂性。
作为“控制技术与系统”的第一堂课，绪论课对学生有先入为主的作用，对整个课程具有重要的引导作用[2]。作为“控制技术与系统”教师，在第一个课堂上如何激发学生的学习兴趣，如何调动学习积极性，让学生快速地明白这门课学什么，显得非常重要。本文主要就“控制技术与系统”绪论课的教学设计、内容组织和教学方法进行研究和探索。同时在绪论课教学过程中不断地进行反思和探索，对绪论课精心设计并付诸实践，经过几年的教学实践，取得了良好的教学效果。
一、明确本课程绪论课的教学目的
“控制技术与系统”是测控专业一门重要的专业必修课程，具有很强的理论与实践性。在本课程教学中，作者选用东南大学黄惟一教授、合肥工业大学胡生清教授主编的《控制技术与系统》（第2版）作为本门课程的主要参考教材[3]，教材内容主要包括了执行元件、控制技术、顺序控制、过程控制、控制系统仿真技术与控制技术的设计等部分内容。它的授课内容涵盖了控制电机、计算机控制技术、过程控制和控制系统仿真等多门课程的内容，该课程的设立为学生提供了一个从理论到实践、多门课程知识综合运用的平台[4]。绪论课的内容很丰富， 但教学时数有限， 因此教师讲课一定要精选绪论课的内容。
绪论课除了对该课程进行综合性的概括和介绍，使学生有一个总体的、大概的认识，绪论课还要解决三个问题：为什么学？学什么？怎么学？教学重点是让学生掌握本门课程的知识点、课程的学习内容及学习本课程的方法。教学难点在于激发学生对该学科的学习兴趣和学习动机并掌握有效的学习方法。
二、教学内容的设计与组织
在本绪论课的教学中，主要围绕“为什么学”，“学什么”，“怎么学”这样的教学过程设计教学内容，并组织教学。本课程教学中我们通过周边大量的控制技术应用实例，使学生认识到本门课在专业学习中的重要性，以“恒温箱温度自动控制系统”为例，学生在复习之前学习的“自动控制原理”知识的同时也不断了解将要学习的本门课程相关的教学内容，并引导学生掌握本门课程的学习方法。具体的教学设计与组织如下：
1. 提出问题，引入本课程。为什么要学习本门课程是绪论课首要回答的问题。通过日常生活中大量控制技术在许多领域里的广泛应用，吸引学生对控制技术的兴趣。如冰箱精确的温度控制，地空导弹的准确飞行，足球机器人高超的球技，月球车的位姿控制等，这些都离不开精准的控制技术。控制有很多成功的案例，也有失败的惨剧。以2011年中国长征三号甲火箭的成功升天，与2013年俄罗斯“质子M/DM-3”组级火箭坠毁的实例来说明掌握并能正确应用控制技术，具有很大的重要性，激发学习学好控制技术的学习兴趣，从而引出本门课程“控制技术与系统”。
2. 介绍本课程绪论课的主要教学安排。如控制系统的基本概念，控制技术的发展历程，控制系统的基本形式和构成，主要学习内容、学习方法及要点，学习本课程的主要参考书目等，从而使学生初步了解本节课要介绍的内容。
3. 控制技术的发展历程介绍和控制系统的相关基本概念。通过对控制技术发展历史的介绍，使学生对本课程的结构有一定的认识，同时在教学中阐明学习该课程的目的和意义。控制理论和技术的发展历史共分3个阶段：经典控制理论阶段、现代控制理论的发展、大系统及智能控制理论阶段。简要介绍这3个阶段的发展过程，及其主要的控制原理和方法，使学生重温之前学过的“自动控制原理”课程，同时也让学生明白控制技术的发展趋势。控制理论随着时代的发展而不断发展，所以“控制技术与系统”绪论课的讲授内容必须能够体现该学科的发展。
4. 阐述控制系统的方式。在学生明确了为什么学的基础上，使学生对控制系统有了一定的了解。通过电热炉恒温自动控制系统介绍一般自动控制系统的组成，介绍自动控制系统的主要组成部分：控制对象与控制装置。控制系统主要分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。教学中给出复杂控制系统的结构图如图1所示，并进行分析。
通过电热炉恒温自动控制系统分别介绍这3种控制方式的组成和结构形式，介绍各自的特点。开环控制系统控制效果差，闭环控制系统提高了控制精度，当要求实现复杂且精度较高的控制任务时，可将开环控制系统和闭环控制系统适当的结合起来，组成一个比较经济且性能较好的复合控制系统。
5. 本课程内容的介绍，主要向学生阐述通过本门课程学什么的问题。把课程知识进行整理，形成比较系统完整的知识体系，让学生对课程知识范围一目了然。通过对图1复合控制系统一般框图来分析，其中参考输入变换装置、比较装置、受控对象和补偿装置我们可以利用先前学习的“自动控制原理”、“电工学”和“检测技术”课程的知识来总结和实现。测量装置部分主要可以参考我们专业的专业课“传感器技术”与“检测技术”来实现。图1中的控制器和执行机构以及整体性能分析和系统设计将由本课程“控制技术与系统”介绍。为此，我们加强了课程主线的建立，主线很清楚地表示出各章节的作用，以及各章节之间的联系。展开成图2所示的本课程的课程内容体系结构。
本课程的第1章为绪论部分。执行机构将由本书的第2章执行元件进行详细讲解。本书的第3、4、5章将详细讲解控制器的设计，分别为模拟、数字控制技术、顺序控制和过程控制系统。本书的第6章将介绍使用仿真工具如何对系统进行仿真并进行性能分析。在充分掌握前面章节的内容后，引出本书的最后一章第7章，介绍控制系统的设计，详细介绍设计思想，设计指标和方法，以实例的形式展示控制系统设计的全过程。
6. 怎么学好这门课。针对本课程特点给出的恰当的学习方法。引导学生讲究学习的系统性，注意重温自动控制原理课程及前面刚介绍的其他课程的相关内容，特别是S、Z变换。本课程40学时，上课时突出基本概念，基本控制技术及方法，部分将与实例相结合。要学好Matlab，特别是要熟练掌握Simulink仿真技术，进行相关控制系统仿真与分析。课后安排作业，强调基础知识和基本能力。同时要注意本门课程的工科的实用性，要求学生结合一些课程设计、生产实习及工厂实习系统的设计，联系学习与实践的内容，进行相关控制系统的设计，积极参与实践应用。只有这样，才能巩固所学的知识，将知识转化为能力。
最后对课程的教学安排、考试成绩评价和相關教育教学参考资料进行说明，让学生通过自己的搜集、加工、整理和消化与课堂教学相关的知识，同时也培养学生独立进行教育教学研究的能力。
三、综合运用各种教学方法
（一）采用多媒体教学手段
通过对绪论课的教学设计与内容组织，作者制作了CAI 多媒体课件。多媒体教学可以演示大量传统控制和现代控制技术应用的实例， 使学生形象直观的理解控制系统的组成和基本的结构。在激发学生的学习兴趣和活跃课堂气氛的同时， 又可在较短的时间内给学生较大的信息量， 开阔学生的眼界。
（二）增加参观实验和实物演示
本课程属于专业技术课，学生在学习本门课程时对部分控制元器件及部分执行元件还缺乏感性认识。为此，在讲授几个重要基本概念时，结合实物模型进行讲解，感性认识和理性认识同时进行，这样既节约了时间，又使知识变得形象化和具体化，很容易给学生留下深刻的印象。主要是各种低压电器，如继电器、接触器、开关、电磁阀等，部分电机（同步、异步电机、测速电机等），结合PLC，使学生有个感性的认识。
四、结束语
“控制技术与系统”的绪论课是整门课教学的第一课，绪论教学使学生能快速对这门课的学习内容，整本教材的结构有一个大概了解，绪论课将影响到学生对这门功课的学习。
作者按照上述绪论课教学设计对2009级、2010级、2011级本科测控专业学生进行了绪论课教学实践，实践结果表明，利用参考教材的教学内容，同时结合学生的实际情况进行精心组织教学内容，合理安排教学顺序，教学效果非常明显。与往届学生相比，作者深切体会到课堂气氛较以往活跃，学生对本课程有了全面的了解，对课程的教学内容有了整体的认识并且产生了浓厚的兴趣，良好的开端对后续教学活动也产生了积极的影响。
总之，在“控制技术与系统”绪论课的教学过程中，只有不断努力地研究，不断地更新教学设计与内容组织，以学生为中心，以传道授业解惑为已任，总结经验，才能在实践教学中不断提高教学水平和教学效果。
参考文献
[1]刘文文，吴晔，洪占勇，等.测控专业控制类课程群建设与实践[J].南京：电气电子教学学报，2011，33（1）：13-14.
[2]蔡立红.关于绪论课教学的思考[J].南宁：广西教育学院学报，2007，22（6）：87-88.
[3]黄惟一，胡生清.控制技术与系统（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2006，2.
[4]吴涓，祝学云，温秀兰.“控制技术与系统”课程教学实践与探讨[J].南京：电气电子教学学报，2007，29（6）：51-53.
基金项目：安徽省教育厅教研项目（编号：2014jyxm039，2015jyxm028），合肥工业大学课程规划设计研究项目（编号：XJKC201411）资助
作者简介：舒双宝（1981-），男，博士，副教授，从事计算机测量与控制、图像处理与模式识别相关教学与科研工作。
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