《自动控制》课程设计研究

2022-09-11

1 课程性质

随着生产的发展和科学技术的进步, 自动控制技术已广泛地应用于工农业生产, 交通运输和国防等各个领域, 并成为当今最受重视的高技术之一。本课程正是基于当今高新技术的发展和高职高专教育发展特点而设置的。是电气应用、机电及相关专业必修的核心课程。

本课程从内容上分为《自动控制原理》与《自动控制系统》两大部分。它是以拉氏变换、反馈控制理论、控制电机、电力电子技术、自动控制系统工作原理分析方法、自动控制过程分析、调试、故障排除以及自动控制系统性能改善等为基础的课程。

本课程在机电、自动化和机械制造及自动化等专业中, 是一门含有较多基础内容的理论专业课。它是将基础课程与专业课程连接起来的桥梁与纽带。在机电设备及自动化技术中, 几乎都将涉及到本课程所讲述的基础知识和专业知识, 因此本课程是一门颇具应用价值的理论专业课程。

2 课程作用

由于本课程是一门研究各类自动控制系统共性的技术基础学科, 具有科学“方法论”的鲜明特点。同时在学习过程中又应用到了数学、电路基础、模拟电子技术、电机及电力电子技术等多门课程知识。因此, 本课程在培养学生知识的综合应用能力、学习能力、工作能力及创新思维能力等职业能力方面有着不可低估的作用。

3 课程设计的理念与思路

3.1 课程设计的理念

围绕职业关键能力的培养进行。机电专业包括的职业关键能力有:

学习能力:指获取信息的能力;学习中发现问题、分析问题并进行归纳和总结的能力;是触类旁通以及运用各种媒体进行学习获取新知识、掌握新技术、新设备、新系统的能力。

工作能力:指按工作任务要求, 运用所学知识提出工作方案、完成工作任务的能力;是在工作中发现问题、分析问题、解决问题的能力;是具有团队合作意识、安全意识、社会责任感及自我控制的能力。

创新思维能力和创新能力:指学习中能提出不同见解的能力;工作中能提出多种解决问题的思路、完成任务的方案和途径等方面的能力。

作为职业技术学院, 职业能力的培养与教育是职业教育的本质特征, 也是职业课程教育过程中所必须遵循的原则与基础。因此以职业能力的培养为出发点, 本课程的设计理念是:

(1) 以技能型人才的职业能力培养为目标, 综合考虑与专业相关的岗位需求、前期知识与后续课程内容上的相互链接关系、突出高新技术的应用成果, 是课程组选择课程教学内容的主要依据。 (2) 在课程教学过程中, 提高实际操作与现场调试方面的要求, 降低对理论推导与计算方面的要求;着重于对理论知识的物理描述, 让学生理解理论知识出于何出处, 原因何在以及如何使用, 是主要的教学要求。 (3) 采用以自动控制理论作为系统分析的工具, 以系统分析作为理论知识的应用举例, 使学生理解所学的理论知识在工程领域的应用方法, 是课程组主要要达到的目标。

3.2 课程设计的思路

在课程的教学过程中, 注重对原有基础知识的复习、运用及综合, 精简并完善自动控制理论的知识链条, 强调理论学习与系统定性分析之间的有机结合, 促进课程教学内容的改革。

通过对以上课程设计理念的理解, 为落实以培养学生职业能力为目标的课程实施, 课程设计的总体思路是:

将教学科研成果 (如虚拟教室) 引入课堂, 理论讲述与实验过程演示相结合, 强化对理论知识物理含义及物理过程的阐述, 实现“产、学、研一体化”的教学模式。

强化实践教学环节、围绕着对学生职业能力培养这一根本原则, 实践教学被分成了课堂教学演示实验、验证性实验 (虚拟实验) 、实物类实验、综合实验 (实训) 和设计类练习。

4 教学内容的组织与安排

根据课程设计理念与思路, 以及以职业能力为主的培养目标, 采用模块化结构构建了本课程教学的内容体系, 以关键知识点为核心, 将整个教学内容分成了几个大模块。而且每个模块都配有相对完善的教学支撑环节、关键知识链接以及若干教学工作进程, 它们共同组成了一个完整的教学内容的组织体系。

结合职业教育的特点、更新教学理念和教学设计, 仿照任务驱动的方法, 在原有教学模式上, 增加了教师与学生的活动及教学意图的展示。其基本设计框架就是:做什么→怎么做→为什么→怎样做→做什么。这一框架构建在每一个教学模块之中, 从而使每一个课程模块都能成为一个既相对独立完整的教学周期;又可以与下一教学模块有机结合, 相辅相承。所有的教学内容通过这种模块内的周期循环和模块外的相互连接、重复与不断强化, 从而达到对学生职业能力的培养目标。

以教学模块——分析自动控制系统的方法为例。选取该模块中的频率特性法进行课程的微设计。

通过已学的电路知识引入频率特性法。首先, 它与正弦交流电路讨论的主体一致, 都是幅值与相位差。不同之处在于前者是某一给定频率下的幅值与相位差, 它是频率的函数值, 而后者则研究的是当频率是自变量时, 其幅值与相位差与频率之间的函数。其次, 它与动态电路时域分析中即有稳态响应又有动态响应不同, 频率特性只讨论正弦激励下的稳态响应。

对教学主题进行支撑的方法有:课堂教学演示, 课堂讨论, 课堂练习, 虚拟仿真实验。相关的知识链接有:简单RC电路分析。

通过教学演示案例进行总结: (1) 电路对正弦信号的响应分为不稳定的过渡过程 (暂态) 和稳定过程 (稳态) ; (2) 电路响应稳定后的信号是与输入信号同频率的正弦信号; (3) 当输入信号只作频率上的变化时, 同一电路在输出信号的幅值与相位上都发生了改变。这一教学支撑环节所要达到的目的是: (1) 建立对关键知识点 (频率特性) 的感性认识。 (2) 对实验结论的归纳和总结, 从而训练学生的学习能力。

通过虚拟实验让学生自己去验证:在给定电路参数及当输入的正弦输入信号只作频率上的变化时, 其输出正弦信号在幅值与相位上的变化——频率特性的定义。

在实验内容上有针对性地作了所测幅值取对数与不取对数时, 幅频特性曲线上的描绘, 通过实验报告的方式, 让学生自己去比较两种特性曲线上的优劣, 从而为这一知识链上的另一个重要知识点“分贝”的理解, 埋下伏笔。

最后, 问题的提出:有几个放大器的增益分别是60dB, 0dB--20dB, 那么这几个放大器的放大倍数各为多少?对这个问题的讨论有助于理解“分贝”的概念;理解频率特性中幅频特性的物理意义;运用于工作和生活中, 可对一般常识性问题作出科学的理解与判断, 如集成运算放大器中信噪比的单位, 还有生活中用来描述噪声的单位。

5 结语

通过以上教学过程, 即可形成:频率特性法 (做什么) ——温故而知新 (怎么做) ——通过实验验证并理解 (为什么) ——频率特性的应用 (怎样做) ——再到频率特性法 (一个更新层次上的做什么) 。在学生对旧有知识进行复习和对新知识理解的整个教学过程中, 各个支撑环节在相辅相承的同时, 也实现了前面我们所提到的对学生职业能力的一种综合训练的理念与设计思路。

摘要：本文依据《自动控制》课程的性质和该课程在机电专业学生培养方面所起的作用, 给出了课程设计理念与课程设计思路。整个课程设计应该围绕机电专业学生职业关键能力的培养进行, 注重实践环节的设计, 强化实践教学环节。理论教学以教学模块———分析自动控制系统的方法为例, 选取该模块中的频率特性法进行课程的微设计。

关键词：自动控制,课程设计理念,课程设计思路