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【汽車工業(yè)論文】交通與汽車類自動控制原理教學改革實踐

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1、【汽車工業(yè)論文】交通與汽車類自動控制原理教學改革實踐 摘要:自動控制原理是自動化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課,也是工科專業(yè)的學科基礎(chǔ)課程。要求非自動化專業(yè)學生系統(tǒng)掌握這門理論性較強的課程不切實際。文章主要闡述“自動控制原理”課程的特點,并從優(yōu)化課程內(nèi)容與啟發(fā)式教學的運用兩個方面探討交通與汽車類專業(yè)自動控制原理教學改革的策略。 關(guān)鍵詞:交通與汽車類專業(yè);自動控制原理;教學改革 一、“自動控制原理”課程特點 “自動控制原理”是自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,也是控制理論與控制工程專業(yè)碩士入學考試專業(yè)科目。該課程的學習需要較為深入的數(shù)學基礎(chǔ),需要系統(tǒng)學習復(fù)變函

2、數(shù)、模電、數(shù)電、電路等相關(guān)前置課程。課程設(shè)置一般為六七十個學時,詳細介紹時域分析、根軌跡、頻域分析等經(jīng)典的控制系統(tǒng)分析方法。對于除自動化之外的理工科專業(yè),通常將控制原理作為學科基礎(chǔ)課,結(jié)合各專業(yè)自身的學科背景,開設(shè)“機械工程控制基礎(chǔ)”“汽車控制技術(shù)基礎(chǔ)”等課程,一般只有二三十個學時。傳統(tǒng)的自動控制原理課程包含的內(nèi)容多且復(fù)雜、理論性強,讓非自動化專業(yè)的學生系統(tǒng)地學習這門課程不切實際也沒有必要。故而針對非自動化專業(yè)開展精簡或新形式的控制原理教學有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。開展針對交通與汽車類專業(yè)控制理論的教學要重視學生專業(yè)背景與前置課程基礎(chǔ)特征。在專業(yè)背景方面,該類專業(yè)主要面向汽車工業(yè)與交通領(lǐng)域培

3、養(yǎng)專門人才,學生對汽車構(gòu)造、汽車理論、交通工程學等課程有較為系統(tǒng)的學習。學習控制原理的意義也是在于開展汽車以及交通方面的控制器設(shè)計。故而課程內(nèi)容應(yīng)盡量包含交通及汽車領(lǐng)域的各種控制實例,設(shè)計例如懸架、巡航、跟馳模型等針對性較強的控制系統(tǒng)實例能夠很好地激發(fā)學生興趣??刂葡到y(tǒng)的分析與控制器的設(shè)計可以利用計算機仿真來實現(xiàn),加大相關(guān)軟件的實際操作培訓。交通與汽車類專業(yè)的學生普遍有C語言的課程基礎(chǔ),且隨著計算機的普及,本科生普遍具備使用筆記本電腦的條件。具有專業(yè)性的控制實例結(jié)合計算機仿真試驗?zāi)軌蛴行д{(diào)動學生的學習熱情。在前置課程基礎(chǔ)方面,對于交通與汽車類的學生來說,課程基礎(chǔ)與自動化專業(yè)的學生有較大的區(qū)別。

4、汽車與交通類專業(yè)大一大二對微積分、理論力學等課程有了較為系統(tǒng)的學習,但是對于控制領(lǐng)域常用的拉普拉斯積分變換并沒有系統(tǒng)學習過,這對于理解經(jīng)典控制理論中利用傳遞函數(shù)分析控制系統(tǒng)性能有較大的障礙。故而需要在課程內(nèi)容的設(shè)計上針對授課對象補齊必要的基礎(chǔ)知識,在介紹傳遞函數(shù)之前補充拉普拉斯積分變換的相關(guān)知識。構(gòu)建仿真模型還涉及到數(shù)值計算方法的相關(guān)內(nèi)容,為了便于學生理解仿真的計算過程,還可以適量補充數(shù)值方法相關(guān)內(nèi)容。筆者結(jié)合自己的學科專業(yè)背景,總結(jié)了課題組十余年針對交通與汽車類專業(yè)在控制理論課程內(nèi)容設(shè)計方面的經(jīng)驗,提出了關(guān)于教學內(nèi)容和教學方法的改革舉措,在多年的教學實踐中取得了較好的效果。

5、二、針對專業(yè)背景優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)計 傳統(tǒng)的控制原理包含系統(tǒng)建模、時域分析、根軌跡等系統(tǒng)的經(jīng)典分析方法,但是對于非自動化專業(yè)的學生,對控制原理的學習并不需要全面掌握控制系統(tǒng)的分析方法,而是需要根據(jù)自身專業(yè)的特點,從本專業(yè)常見的控制問題入手,介紹系統(tǒng)構(gòu)建及分析方法,以能夠解決本專業(yè)的控制問題為目標。 (一)以“反饋”為核心的課程內(nèi)容設(shè)計非自動化專業(yè)控制原理講授內(nèi)容多是刪減版的自動控制原理,主體框架依照國內(nèi)主流的自動控制原理教材,講授時域分析、根軌跡、頻域分析等內(nèi)容,然而對于非自動化專業(yè)的學生,該門課程的學習時間有限,過于細致的理論講解容易使學生覺得枯燥無味。針對交通與

6、汽車類的理工科學生,控制課程的內(nèi)容應(yīng)該圍繞反饋[2]、穩(wěn)定性等控制的核心思想,介紹適量的理論分析,再結(jié)合自身專業(yè)的仿真實例加深原理及概念的理解,可以起到較好的教學效果?!蹲詣涌刂疲悍答伒牧α俊褂肕ATLAB》是一本創(chuàng)新性地介紹自動控制的課本,由塞奧德E.特費斯所著,西安交通大學出版社譯制出版。本書主要討論“反饋”的基本概念,并表明如何用它來設(shè)計自動控制器。以該教材的內(nèi)容編排為主體,結(jié)合交通、汽車類專業(yè)的學科特點,設(shè)計的新的課程安排如表1所示。八個章節(jié)的內(nèi)容可分為兩個部分,前四章重點介紹系統(tǒng)建模,除了基本的理論建模,還包含運用仿真軟件建模方法的介紹,再結(jié)合本專業(yè)常見的系統(tǒng)模型,可以有效提高

7、學生的興趣和動手能力,使建模不僅僅停留在理論層面。后四章重點講述系統(tǒng)分析方法,以“反饋”為核心思想,運用傳遞函數(shù)分析反饋是如何提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性,如何運用PID控制器設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)的控制方法。該課程內(nèi)容的設(shè)計雖然舍棄了諸如時頻分析、根軌跡等經(jīng)典的分析方法,但是內(nèi)容設(shè)計淺顯易懂,主線清晰,能夠較好提升學生的興趣,通過工程實例引導(dǎo)學生獨立思考。 (二)結(jié)合汽車模型的MATLAB仿真練習MATLAB是優(yōu)秀的仿真編程軟件,控制系統(tǒng)分析及構(gòu)建的很多工作都可以在該軟件平臺上完成,尤其是Simulink在汽車控制系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。利用MATLAB軟件輔助課堂教學,幫助學生理解抽象的控制理論[

8、3]?;贛ATLAB軟件的課堂練習分別包含文本編程和圖形化編程方法。第三章數(shù)值計算運用文本編程,即M語言編程。由于工科學生廣泛具備C語言的學習基礎(chǔ),在理解數(shù)值計算原理的基礎(chǔ)上能夠利用循環(huán)語句構(gòu)建迭代求解方法。第四章構(gòu)建車輛系統(tǒng)模型,Simulink來實現(xiàn)建模仿真,雖然多數(shù)學生此前并未接觸過圖形化編程方式,但是圖形化編程形象生動,較比相對枯燥的文本編程易于掌握。多輪次的教學效果表明,絕大多數(shù)學生都更喜歡選用圖形化編程方式。 三、啟發(fā)式教學的運用 教學方法的選擇應(yīng)該豐富多樣,除了傳統(tǒng)的課堂講授,還應(yīng)該引入更加豐富的教學手段。由于課程時長的限制,控制原理的很多經(jīng)典課

9、程并不能夠在課堂上逐一講授,那么如何調(diào)動學生的學習興趣引導(dǎo)大家課后自學是關(guān)鍵。啟發(fā)式教學即引導(dǎo)學生積極參與課堂討論,結(jié)合本專業(yè)領(lǐng)域知識,設(shè)計控制系統(tǒng),自學未能完全展開的理論知識,進一步提升教學效果。 (一)課堂網(wǎng)絡(luò)實時互動的運用傳統(tǒng)課堂由于一對多的教學模式很難使每一個學生都參與課堂互動,想讓大多數(shù)學生都參與到課堂發(fā)言勢必占用大量的課堂時間。隨著智能手機及網(wǎng)絡(luò)的普及,師生可以利用QQ、微信等即時聊天工具建立課程溝通群,在群內(nèi)發(fā)言參與課堂互動。以系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例,課堂練習給出若干控制系統(tǒng)框圖,讓學生根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,學生將求解過程各自拍照發(fā)送至課程群,教師及時

10、發(fā)現(xiàn)多數(shù)學生易出現(xiàn)的問題并在課堂上及時糾正。該方法不僅可以提高溝通效率,方便每一位學生參與到課堂提問,還便于教師了解學生的理解情況,實時根據(jù)課堂大部分學生的反饋情況調(diào)整授課進度。另外,軟件的發(fā)言頻次統(tǒng)計結(jié)果還可以作為出勤的考核依據(jù)之一。 (二)實施開放式課程答辯傳統(tǒng)的課程考試雖然能全面考察學生關(guān)于理論知識的掌握情況,卻往往容易使課程變成機械的應(yīng)試教育。課程答辯是一種開放性課程考核辦法,要求學生結(jié)合自身專業(yè)知識完成一項控制系統(tǒng)設(shè)計,并在結(jié)課后開展統(tǒng)一的答辯環(huán)節(jié)。運用課程答辯的考核形式不僅可以檢驗學生對理論知識的掌握水平,也能夠啟發(fā)學生結(jié)合自身專業(yè)特點,通過查閱文獻、模型構(gòu)建、系統(tǒng)

11、分析完成一個完整的控制系統(tǒng)構(gòu)建。多年的教學成果顯示,有相當一部分學生能夠運用課堂所學完成一項控制系統(tǒng)的設(shè)計。開放式的課程答辯不僅能夠鞏固課上講授的理論知識,更能夠啟發(fā)學生學習本課程自學大綱以外的理論知識。 四、結(jié)論 本文探討了交通與汽車類專業(yè)控制原理的教學改革與實踐問題,重點針對課程內(nèi)容和教學方法兩方面提出了改革的意見和建議。針對交通與汽車類專業(yè)的工科學生,需要設(shè)計合理的教學內(nèi)容,以控制的核心思想———“反饋”為主線設(shè)計教學內(nèi)容,再結(jié)合自身專業(yè)特點設(shè)計仿真實例加深理論的理解。另一方面,運用網(wǎng)絡(luò)通信以及答辯環(huán)節(jié)等形式多樣的啟發(fā)式教學方法能夠很好地激發(fā)學生興趣,引導(dǎo)學生自主學習,起到事半功倍的效果。 參考文獻: [1]李霞.非控制專業(yè)“自動控制原理”課程教學方式探討[J].科教文匯:上旬刊,2012,(11). [2]薛健.《自動控制原理》課程中“反饋概念”在教學改革中的應(yīng)用[J].才智,2019,(26). [3]王艷,浮宗霞.基于MATLAB的自動控制原理教學改革的探討[J].教育現(xiàn)代化,2017,(7).

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