交通与汽车类自动控制原理教学改革实践

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摘要：自动控制原理是自动化专业的核心基础课，也是工科专业的学科基础课程。要求非自动化专业学生系统掌握这门理论性较强的课程不切实际。文章主要阐述“自动控制原理”课程的特点，并从优化课程内容与启发式教学的运用两个方面探讨交通与汽车类专业自动控制原理教学改革的策略。

关键词：交通与汽车类专业；自动控制原理；教学改革

一、“自动控制原理”课程特点

“自动控制原理”是自动化专业重要的专业基础课，也是控制理论与控制工程专业硕士入学考试专业科目。该课程的学习需要较为深入的数学基础，需要系统学习复变函数、模电、数电、电路等相关前置课程。课程设置一般为六七十个学时，详细介绍时域分析、根轨迹、频域分析等经典的控制系统分析方法。对于除自动化之外的理工科专业，通常将控制原理作为学科基础课，结合各专业自身的学科背景，开设“机械工程控制基础”“汽车控制技术基础”等课程，一般只有二三十个学时。传统的自动控制原理课程包含的内容多且复杂、理论性强，让非自动化专业的学生系统地学习这门课程不切实际也没有必要。故而针对非自动化专业开展精简或新形式的控制原理教学有非常重要的现实意义[1]。开展针对交通与汽车类专业控制理论的教学要重视学生专业背景与前置课程基础特征。在专业背景方面，该类专业主要面向汽车工业与交通领域培养专门人才，学生对汽车构造、汽车理论、交通工程学等课程有较为系统的学习。学习控制原理的意义也是在于开展汽车以及交通方面的控制器设计。故而课程内容应尽量包含交通及汽车领域的各种控制实例，设计例如悬架、巡航、跟驰模型等针对性较强的控制系统实例能够很好地激发学生兴趣。控制系统的分析与控制器的设计可以利用计算机仿真来实现，加大相关软件的实际操作培训。交通与汽车类专业的学生普遍有C语言的课程基础，且随着计算机的普及，本科生普遍具备使用笔记本电脑的条件。具有专业性的控制实例结合计算机仿真试验能够有效调动学生的学习热情。在前置课程基础方面，对于交通与汽车类的学生来说，课程基础与自动化专业的学生有较大的区别。汽车与交通类专业大一大二对微积分、理论力学等课程有了较为系统的学习，但是对于控制领域常用的拉普拉斯积分变换并没有系统学习过，这对于理解经典控制理论中利用传递函数分析控制系统性能有较大的障碍。故而需要在课程内容的设计上针对授课对象补齐必要的基础知识，在介绍传递函数之前补充拉普拉斯积分变换的相关知识。构建仿真模型还涉及到数值计算方法的相关内容，为了便于学生理解仿真的计算过程，还可以适量补充数值方法相关内容。笔者结合自己的学科专业背景，总结了课题组十余年针对交通与汽车类专业在控制理论课程内容设计方面的经验，提出了关于教学内容和教学方法的改革举措，在多年的教学实践中取得了较好的效果。

二、针对专业背景优化课程内容设计

传统的控制原理包含系统建模、时域分析、根轨迹等系统的经典分析方法，但是对于非自动化专业的学生，对控制原理的学习并不需要全面掌握控制系统的分析方法，而是需要根据自身专业的特点，从本专业常见的控制问题入手，介绍系统构建及分析方法，以能够解决本专业的控制问题为目标。

（一）以“反馈”为核心的课程内容设计非自动化专业控制原理讲授内容多是删减版的自动控制原理，主体框架依照国内主流的自动控制原理教材，讲授时域分析、根轨迹、频域分析等内容，然而对于非自动化专业的学生，该门课程的学习时间有限，过于细致的理论讲解容易使学生觉得枯燥无味。针对交通与汽车类的理工科学生，控制课程的内容应该围绕反馈[2]、稳定性等控制的核心思想，介绍适量的理论分析，再结合自身专业的仿真实例加深原理及概念的理解，可以起到较好的教学效果。《自动控制：反馈的力量———使用MATLAB》是一本创新性地介绍自动控制的课本，由塞奥德•E.特费斯所著，西安交通大学出版社译制出版。本书主要讨论“反馈”的基本概念，并表明如何用它来设计自动控制器。以该教材的内容编排为主体，结合交通、汽车类专业的学科特点，设计的新的课程安排如表1所示。八个章节的内容可分为两个部分，前四章重点介绍系统建模，除了基本的理论建模，还包含运用仿真软件建模方法的介绍，再结合本专业常见的系统模型，可以有效提高学生的兴趣和动手能力，使建模不仅仅停留在理论层面。后四章重点讲述系统分析方法，以“反馈”为核心思想，运用传递函数分析反馈是如何提升系统的稳定性，如何运用PID控制器设计闭环系统的控制方法。该课程内容的设计虽然舍弃了诸如时频分析、根轨迹等经典的分析方法，但是内容设计浅显易懂，主线清晰，能够较好提升学生的兴趣，通过工程实例引导学生独立思考。

（二）结合汽车模型的MATLAB仿真练习MATLAB是优秀的仿真编程软件，控制系统分析及构建的很多工作都可以在该软件平台上完成，尤其是Simulink在汽车控制系统开发领域应用广泛。利用MATLAB软件辅助课堂教学，帮助学生理解抽象的控制理论[3]。基于MATLAB软件的课堂练习分别包含文本编程和图形化编程方法。第三章数值计算运用文本编程，即M语言编程。由于工科学生广泛具备C语言的学习基础，在理解数值计算原理的基础上能够利用循环语句构建迭代求解方法。第四章构建车辆系统模型，Simulink来实现建模仿真，虽然多数学生此前并未接触过图形化编程方式，但是图形化编程形象生动，较比相对枯燥的文本编程易于掌握。多轮次的教学效果表明，绝大多数学生都更喜欢选用图形化编程方式。

三、启发式教学的运用

教学方法的选择应该丰富多样，除了传统的课堂讲授，还应该引入更加丰富的教学手段。由于课程时长的限制，控制原理的很多经典课程并不能够在课堂上逐一讲授，那么如何调动学生的学习兴趣引导大家课后自学是关键。启发式教学即引导学生积极参与课堂讨论，结合本专业领域知识，设计控制系统，自学未能完全展开的理论知识，进一步提升教学效果。

（一）课堂网络实时互动的运用传统课堂由于一对多的教学模式很难使每一个学生都参与课堂互动，想让大多数学生都参与到课堂发言势必占用大量的课堂时间。随着智能手机及网络的普及，师生可以利用QQ、微信等即时聊天工具建立课程沟通群，在群内发言参与课堂互动。以系统稳定性分析为例，课堂练习给出若干控制系统框图，让学生根据闭环系统传递函数判断系统的稳定性，学生将求解过程各自拍照发送至课程群，教师及时发现多数学生易出现的问题并在课堂上及时纠正。该方法不仅可以提高沟通效率，方便每一位学生参与到课堂提问，还便于教师了解学生的理解情况，实时根据课堂大部分学生的反馈情况调整授课进度。另外，软件的发言频次统计结果还可以作为出勤的考核依据之一。

（二）实施开放式课程答辩传统的课程考试虽然能全面考察学生关于理论知识的掌握情况，却往往容易使课程变成机械的应试教育。课程答辩是一种开放性课程考核办法，要求学生结合自身专业知识完成一项控制系统设计，并在结课后开展统一的答辩环节。运用课程答辩的考核形式不仅可以检验学生对理论知识的掌握水平，也能够启发学生结合自身专业特点，通过查阅文献、模型构建、系统分析完成一个完整的控制系统构建。多年的教学成果显示，有相当一部分学生能够运用课堂所学完成一项控制系统的设计。开放式的课程答辩不仅能够巩固课上讲授的理论知识，更能够启发学生学习本课程自学大纲以外的理论知识。

四、结论

本文探讨了交通与汽车类专业控制原理的教学改革与实践问题，重点针对课程内容和教学方法两方面提出了改革的意见和建议。针对交通与汽车类专业的工科学生，需要设计合理的教学内容，以控制的核心思想———“反馈”为主线设计教学内容，再结合自身专业特点设计仿真实例加深理论的理解。另一方面，运用网络通信以及答辩环节等形式多样的启发式教学方法能够很好地激发学生兴趣，引导学生自主学习，起到事半功倍的效果。

参考文献：

[1]李霞.非控制专业“自动控制原理”课程教学方式探讨[J].科教文汇：上旬刊，2012，（11）.

[2]薛健.《自动控制原理》课程中“反馈概念”在教学改革中的应用[J].才智，2019，（26）.

[3]王艳，浮宗霞.基于MATLAB的自动控制原理教学改革的探讨[J].教育现代化，2017，（7）.

作者：林楠 施树明 单位： 吉林大学