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依托《自动控制原理》课程改革，培养学生创新能力
作者：宋乐鹏 胡大勇 余国康 来源：《职业时空》2009年第04期
摘要：通过分析当前大学生缺乏自主创新能力的问题，提出依托《自动控制原理》课程改革培养大学生创新能力的重要性和迫切性。论述通过教学内容、教学方法改革，优化教学过程、鼓励学生创新、配备精良的仿真系统来提高学生创新能力。经过两年多的实践取得了非常好的成效。
关键词：自动控制原理；创新能力；教学改革
重庆科技学院是依托石油、冶金、机械、电子行业为办校特色，大力培养具有显著工程实践能力的应用型人才的本科院校。从这些行业对人才的需求来看，它们注重学生的能力和素质，尤其是要求具有创新思维和创新能力的大学生。而培养创新人才是高等学校做出的必然选择。能力的培养应从学生进校开始就接受由易到难、由简到繁、由浅到深的实践能力训练，坚持理论联系实际，科学训练。
自动控制原理课程是本院本科专业一门很重要的专业基础课。该课程内容丰富、理论性强、涉及知识面广、发展快，具有一定深度和学习难度。面对这样一门课程，我们在优化教学内容、改革教学方法，加强实践环节、注重个性发展和提高学生创新能力等方面进行了探索和改革。
一、教学内容改革
在《自动控制原理》的教学中教师和学生深刻感受到内容多、概念抽象、理论性和综合性强，学生学习起来有一定难度。如何在有限的课时内让学生熟练掌握控制理论的原理，加强能力的培养成为本课程改革的关键。建立合理的教学模型是系统分析和设计的前提。针对实际系统，应研究建立系统模型的重要性和建立模型的方法。可根据不同的专业选取不同工程背景的系统，讲清模型参数的物理意义，从不同的角度建模，加深学生对内容的理解，弄清实际模型
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与抽象数学模型的联系与区别，如自动化专业可以直流电机调速系统为例通过建立系统的微分、递函数结构图以及信号流图这些不同的数学模型，来建立各模型的联系。
系统分析方法是控制系统综合性设计的基础，内容主要包括时域分析法、根轨迹法、频域响应法，是控制理论教学的重点。控制系统的稳定性、超调量、调节时间是衡量系统性能的重要指标，因此控制系统各种分析问题的方法都应紧紧围绕这三个方面展开。教学中应结合工程系统的控制要求，建立系统分析的概念，强调各种分析方法的区别与联系，了解系统分析与系统设计的关系。通过Matlab软件模拟系统的运行过程，在线调整与演示参数变化对系统性能的影响，达到灵活、生动教学的目的。
依托综合性、设计性试验培养学生的创新能力。综合性、设计性试验培养学生的创新能力十分重要，是教学的难点。我们的做法是：选取控制工程的典型范例，突出工程背景，针对系统性能要求，建立系统校正的概念，掌握校正的方法，强调校正的共性。借助Matlab软件仿真校正的过程及校正的结果，鼓励学生自己设计相应的控制系统，从简单到复杂、从单环到多环，在学生自主设计调试系统的过程中提高学生的创新能力。
自动控制原理课程内容多、学时少的矛盾十分突出，必须对传统的教学内容进行改革。在教学内容上要统筹安排，使学生在有限的学时内获得更多的知识与创造能力的培养。要尽量选用工程的实例，使学生在较少的时间内理解一般控制规律，掌握控制系统的有关概念。应注重章节之间各种分析方法之间的内在联系，习题以章节的思想为主，通过习题的解答得出有工程意义和实用价值的结论，把练习变成获取知识的一个途径。对部分实验应进行综合，要让学生自己设计少量的实验，使实验变成学生获取知识、增强能力的一种方式。近年来，随着控制理论的蓬勃发展，特别非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制，专家控制等方向上取得的重要进展，教师应处理好经典理论和新技术的关系，选取合适的内容作及时介绍，保持内容的先进性。
二、改革教学方法，优化教学过程
(1)理论与实践相结合的教学方法，即课堂理论讲授与做实验交错进行的方法。根据所授内容特点，先讲后做或先做后讲，尤其是在理论指导下才能做的部分，要先进行理论讲授，紧接着做实验，及时地促进理论知识的消化。这样就会把理论和实验有机结合起来，让学生学得既扎实又灵活，不仅提高动手能力，也提高教学质量。(2)讲授与自学相结合的教学法，即依据学习内容的重要性、难易程度，决定以讲授为主，还是以自学为主的教学方式。对自学，首先由教师提出要求，让学生自学，然后教师抽查学生自学笔记，提出有关问题，再做必要的概括总结。(3)应用多媒体教学方法，即采用课件教学方式进行课堂直观教学，采用精品课程进
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行课外教学。环境监测课程相当多的部分是介绍用仪器分析法测定水、大气中污染物质，许多用途广泛价格昂贵的仪器实验室没有，多媒体教学可以演示这些仪器的监测过程，弥补实验室仪器的不足。环境监测精品课程网站包括学科发展、课程介绍、教学大纲、课程教案，多媒体课件、在线自测、实验操作原理和步骤的动画和说明等内容，主要用于学生课后查缺补漏和拓展知识面。(4)双语教学，环境监测包括许多环境科学专业的术语，双语教学能够使学生更多地接受环境科学专业英语。近年来考研复试中专业英语的比重越来越大，环境监测开展双语教学不但有助于提高学生的综合素质，也将为进一步学习深造打下良好基础。立体化教学方法的有机统一，最终将促进教学过程的优化和课程教学质量的提高。进而提高学生的创新能力。
三、鼓励学生创新
科学研究的本质就是创新，鼓励学生参与教师的科研，是培养学生科学素质和创新能力的好办法。通过参与实际课题，学生能够获得进行科学研究的机会，学到很多书本以外的知识。如我们组织大学生科技创新竞赛，注意吸收优秀本科生直接参与收集资料、设计方案、系统制作和软硬件调试的全过程，大大锻炼了其科研工作能力。利用毕业设计这个有利的教学环节，让学生进行一些小的自动控制系统的设计、调试，不仅能深化课堂上学习的自动控制理论知识，而且能使学生掌握实际设计中常用的方法。通过系统调试，能够增强学生的动手能力，提高学生的综合素质，为他们走上工作岗位从事工业和其它领域的控制打下较好的基础。
四、通过配备精良的仿真系统提高学生创新能力的培养
利用计算机进行系统仿真是一种全新的现代化教学手段，近几年来我校一直致力于推进计算机仿真教学并注重探索其教学规律。经过多年的开发研究，攻克了多项技术难关，终于完成了微机化仿真软件系统。这种半实物仿真实验系统实际上是一个像工业工厂的微缩装置，具有实实在在的容器、阀门、仪表等，通过高精度的工业模型，逼真地模拟工业对象的特性，使得教师在训练学生的工程技能方面有了切实可行的硬件环境，给学生提供了充分动手的机会。由于其动态数学模型具有足够高的精度，可以使学生得到几乎同真实工厂一样的开车、停车及事故状态的操作实践，学生甚至可以亲手操作各个开关、阀门、调节器来对工艺参数进行全面调节和控制。对于工科院校的学生而言，这是极重要的动手训练环节。这种仿真系统刚研制成功就得到了诸如清华大学、北京大学、香港科大等60多所重点院校的热烈欢迎和使用，目前全国已有10万以上的学生从中受益。