禹柳飞

摘要：在CDIO工程教育理念的指导下，分析了多年《自动控制原理》课程教学中存在的问题，提出该课程教学改革的思路；在教学改革实施过程中采用了以工程实例为中心与问题式驱动教学的教学方法，实践证明改进的教学方法激发了学生的学习积极性，提高了学生的分析与解决问题的能力，教学改革取得了较好的效果。

关键词：CDIO；工程项目；自动控制原理；工程教育；仿真教学

中图分类号：G642.0 ？摇文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）09-0037-02

2000年10月，美国麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等4所大学组成的工程教育改革研究团队提出了全新的CDIO（Con2ceiving-Designing-Implementing-Operation）工程教育理念即构思—设计—实现—运行。该理念强调以学生的能力培养为目标，并于2004年成立了CDIO国际合作组织，迄今已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织。通过国际合作的方式，多个国家、大学、专业可并行探索，大大加快了改革步伐。广东石油化工学院自2008年开始在部分工科专业探索CDIO工程教育模式的改革，在取得了一定成效后，2010年电气工程及其自动化专业申报了以CDIO工程教育改革为目标的广东省特色专业建设点项目点并获得立项，该专业由此开始全面实施CDIO工程教育模式的改革。《自动控制原理》课程是电气工程及其自动化、自动化、测控技术与仪器等专业的主干专业基础课，是《过程控制工程》、《运动控制系统》等专业课程的理论基础，为学生学习后续课程和将来工作奠定了理论基础。为提高教学质量和教学效果，该课程自2010年开始着手CDIO工程教育模式的改革。

一、以工程项目做引导，提高学生的学习积极性

《自动控制原理》课程主要是介绍如何应用数学方法来分析与设计自动控制系统，课程内容涉及大量的数学运算与推导，部分学生学了一段时间后觉得很枯燥，导致学习积极性严重受挫，按部就班采用传统的教学方法，教学效果不理想；而开设《自动控制原理》课程是在第五学期，学生已经学习了二年的基础课程，对专业知识、工程项目非常向往，而该课程是对自动控制系统进行分析与设计，本身具有坚实的工程基础，基于此该课程的第一个教学改革实践为第一堂课安排在过程控制工程实验室教学，以真实的双容水箱为对象，介绍自动控制中的基本概念，说明双容水箱水位、压力和流量自动控制系统的结构，提出如果让学生自己来设计这些系统该如何着手，在教学过程中提出了《自动控制原理》课程要重点解决的问题，引导学生设计系统是不是应该先了解控制对象，性能达不到要求该如何解决，是不是该对系统进行全面的分析，通过这样的引导，加深学生对控制理论基本概念的理解，进而说明要提高系统性能必须了解系统，就引导学生明白系统分析的重要性，而系统分析不是目的，进一步引导学生理解学习本课程的目的是系统的综合与设计，这样教师结合工程实例分析清楚了课程明晰的逻辑关系，为学生以后在学习和工作时分析与解决控制问题上提供了思路，从而无形之中提高了学生分析与解决问题的能力。

二、围绕工程实例组织教学内容

《自动控制原理》课程内容主要包括自动控制基本概念的介绍、系统建模、时域分析、根轨迹分析、频率分析、系统综合与校正、离散系统分析等，在近三年的教学实践中所有教学内容都紧紧围绕过程控制工程实验室的双容水箱水位、压力、流量控制系统进行，与学生一起测量了实验室水箱的截面积、进水出水管道的口径等参数，通过机理建模型方法推导出了单容（一阶对象）、双容水箱（二阶对象）的数学模型，有了水箱的数学模型可以对其进行时域分析，了解一阶系统、二阶系统的时域性能，也可以对其进行根轨迹分析、频域分析，实验设备本身就是一套计算机控制系统，也为离散控制系统的分析提供了一个很好的实例；通过具体的教学说明，以工程实例组织教学，可以让学生不再面对大量枯燥的数学公式，激发了学生的学习兴趣，更加明确学习该课程的目的，为将来从事工程实践提供了方法和思路。

三、引入仿真教学手段，帮助学生消化教学内容

MATLAB语言在控制系统分析与设计中得到了很好的应用，它带有丰富的函数库，只需要几条指令就可以将系统的输出、根轨迹、频率特性用一条或几条曲线表示出来；从图上还可以看出系统参数变化时性能的变化情况；MATLAB软件本身带有电气控制系统和过程控制系统的实例，通过运行DEMO实例，让学生既掌握了系统的控制过程，又明确了改进系统性能的方法；仿真教学的应用有效地帮助了学生理解控制系统的基本概念，消化教学内容，也引导学生思考如何运用先进技术来分析现实问题，大大地激发学生的学习积极性。

四、合理设计实验内容，提高学生自主学习能力

自动控制原理实验设备由ACT-I实验箱与计算机构成，为一个简单的单回路计算机控制系统，模拟部分由运算放大器与RC电路组成，在开设该课程实验前学生已做过电路实验、模拟电路实验，对用这样的设备来做实验兴趣不大，合理设计实验内容显得尤为重要，为了培养学生初步的控制系统设计方法，要求学生自主结合实验设备设计系统，这就促使学生考虑该如何去选取模拟模块，如何去推导对象的数学模型，如何去设计PID控制器，实验对系统的超调量、调节时间均有要求，系统的因阻尼比大于1系统响应速度较慢，为提高系统的响应速度，促使学生去改造对象，加入校正环节。通过合理设计实验内容为学生以后从事工程实践提供了思路，知道该如何应对系统性能达不到要求等问题。

五、回归工程巩固所学课程知识

在完成了该课程的全部教学内容后，安排二次回归工程课，一次安排在过程控制实验室进行，再提出本课程第一次课所学内容，通过演示实验说明系统调节的过程，巩固学生所学的基本概念，在演示过程中合理调整控制器PID参数，通过观察输出信号的响应曲线，说明控制器在系统中所起的作用，进而引导学生回忆所学的如何提高系统性能的课程内容；教学中承上启下开始提出系统集成的概念，点出这才是专业的落脚点，说明要设计一个控制系统不是一件简单的事情，需要学好检测技术、控制仪表、控制原理及控制工程等课程的知识，培养学生学习专业知识的欲望；另一次安排参观自来水厂的控制系统，自来水厂工艺简单，控制系统并不复杂，学生可以从现实工程中了解所学知识，深化所学知识，提升学习专业知识的兴趣和乐趣。

以CDIO教育理念对《自动控制原理》课程进行教学改革已历经三届学生，从学生对教学的反馈与学生学业成绩来看取得了一定的成效，但还有待于进一步深入开展下去，还有待于与其他课程结合起来，以期取得更好的教学效果。

参考文献：

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