基于CDIO的《自动控制原理》教学改革与实践

【摘 要】针对南疆地区农业工程类专业学生工程基础弱，学习《自动控制原理》课程中存在内容抽象难懂，公式太多、理论无法联系实际等许多问题，本文提出运用CDIO教育理念对该课程的理论教学和实践教学做了有益的探索与改革。经过三个学期的实践证明，《自动控制原理》引用工程教育理念，使学生觉得学有所用，激发了☼学生的学习兴趣，提高了学生的工程实践能力和创新能力，为提高教学质量提供了新思路。

【关键词】自动控制原理；CDIO；教学改革

《自动控制原理》是农业工程类学生的重要基础课，也是一门理论性和工程实践性均较强的专业基础课。根据教学经验和学生的反馈，传统的教学存在教学内容和方式陈旧、落后；教学方法偏重填鸭式、缺乏启发引导，学生对实际问题缺乏感性认识，很难将所学知识用于工程实践理论和实践脱节。鉴此，在总结传统教学经验和教训的基础上，遵循理论联系实践的原则，利用CDIO工程教育理念[1]，结合MATLAB在控制领域的潜在教学功能，对该门课程的理论教学内容、教学方法、教学手段和实践教学几个方面，进行了有益的实践和探索。

1 CDIO工程教育理念和内涵

CDIO是由MIT和瑞典几所大学，经过研究、探索和实践，创立的工程教育模式。该教育模式是以产品、过程和系统的构思、设计、实施和运行全生命周期为背景的教育理念为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习，获取工程能力。CDIO工程教学模采用现代教学手段、创新教学模式和新的学习环境，为学生提供接近工程实际的学习经验，并为学生提供有助于理解和记忆这些抽象概念的实际应用机会。融入CDIO的《自动控制原理》课程改革，就是要贯彻CDIO，加强课程理论教学和实践的结合，在实践环节、课堂讨论中注意着重培养学生的工程意识、实践能力、团队合作等综合素质。

2 理论教学改革

2.1 教学内容的优化

教学内容的优化是教学改革的重要环节，是提高教学质量的核心[2]。根据传统教学中存在的运用数学力度大，抽象性强，计算复杂，学生感到难学的问题，结合农业工程院校人才培养目标的需要，对原有的课程内容进行了更新、充实和调整。教学内容改革上，我们的宗旨是：对教学大纲中的重点内容，首先进行基本概念、基本原理、基本分析方法的讲解，并且讲深讲透；而对一些定理只要知道正确性和满足条件即可，不追求其证明过程；针对农业工程类学生选择合适的教材内容，结合学生所熟悉的工程实例，使学生有比较容易的切入点，激发学生的学习兴趣。

这样，经过教学改革，我们最终确定的课程内容是：介绍自动控制系统的基本概念、工作原理和基本构成；自动控制系统的建模；自动控制系统时域、频域分析及自动控制系统的设计（校正）；传递函数和频率特性的求取方法；自动控制系统的时域、频域性能指标的分析；利用频率法进行自动控制系统的设计；非线性系统和离散线性系统的分析与设计等。

2.2 教学方法的改革

课堂教学是学生获取知识的主要途径和方式，授课质量的好坏直接影响着教学效果。为了在有限的学时内让学生熟练掌握控制理论的基本原理，加强能力的培养，我们在讲课当中结合生活实例，融合项目教学[3]，注重结合实际的工程背景，对系统进行分析与设计，从实际控制系统中了解系统的结构特征、工作原理。例如针对我校农业机械及其自动化专业的学生，我们以我校的温室大鹏为例，通过建立它的微分方程、传递函数、结构框图、信号流图这几种不同的数学模型来建立个模型的联系，来加强学生对理论知识的理解。针对直流电机、异步交流电机在日常生活中的广泛应用，我们课堂中先介绍直流、交流电动机的工作原理，然后根据电机调速系统，建立它的数学模型并进行系统分析，最后在实验室通过实际安装接线来验证系统，分析系统。

通过项目教学，启发引导学生思考：用什么样的控制方式可以基本达到控制目的；用什么控制方式可以产生良好的控制效果；用什么控制方式可以达到最优的控制效果。若课堂上完不成，要求学生课后思考、查找资料，然后去寻求解答。老师在学生归纳的基础上再做一总结。这样，不仅极大地激发了学生探索学习的欲望，给学生以探索的空间，也培养了他们的创新能力。

2.3 教学手段的改革

现代化的多媒体教学手段具有直观、形象、新颖、趣味等特点。除了采用常用的多媒体教学手段PPT外，我们还把MATLAB仿真软件作为教学工具，通过仿真演示，使得抽象的理论、概念变得更加通俗易懂。例如我们可以利用MATLAB软件编写M程序仿真系统的输出波形，系统的根轨迹、系统的伯德图和奈奎斯特曲线等，使学生对理论知识有了更深刻的认识。而且，通过课堂上的实际演示，使学生能够更好地掌握MATLAB软件的使用方法，同时节省了手工绘图的大量时间。又例如以往在讲到非线性环节及其对系统结构¢的影响时，只能给出一些抽象的数学推导和理论分析，学生缺乏具体的认识。把MATLAB软件引入到教学中后，针对一个具体系统，利用软件中的SIMULINK建模，引入不同的非线性环节，通过改变参数，就可观察仿真结果，对比系统性能，使学生能够直观地认识到非线性系统的性能及非线性环节对控制系统稳定性的影响，从而提出改善系统性能的方法。

另外，为了能够给学生提供良好的学习环境，我们还建立了资源丰富的自动控制理论课程网站。网站❅不仅包含了授课课件、教学视频录像等内容，还提供了交互式的学习平台，教师和学生可以通过网络自由的讨论和交流。

3 实践教学改革

实践是理论联系实际的桥梁，是将将知识转化为能力的重要步骤。我们将“自动控制原理”实践教学分为四大模块[5]：一是基于Matlab软件的计算机仿真实验；二是在实验台上完成的实验；三是生产现场参观和实习实践；四是结合课程设计综合设计。

利用MATLAB软件，编写M程序或画Simulink仿真图，能够完成本课的大部分试验，既可完成验证性试验，又可完成设计性和综合性试验。根据理论课堂上老师MATLAB的仿真演示和学生课余时间的自学，老师只需提供仿真题目，由学生在自己电脑上独立完成，教师在课外辅导并检查即可。这种MATLAB仿真实验，既对硬件进行补充和完善，又可以完成硬件实验不能完成的试验，对知识的理解和掌握起到很好的作用。 本校试验室可以完成教学大纲要求的硬件试验。实验内容包括验证性实验、综合性实验。验证性主要强化学生对理论知识的理解和消化，内容有使用运算放大电路模拟典型环节，二阶系统动态响应和稳ข定性分析，系统的开环频率特性等。综合性实验是学生在了解和掌握了验证性实验的基础上进行的，内容有PID调节器的设计、线性系统的串联、并联校正、直流电机调速等。以往实验安排都是理论课堂全部结束，集中学时做实验。因理论课与实验课脱节，学生缺乏理论知识，也只是按照书中电路图连连线，写写实验报告，缺乏深入研究。为了改变传统实践教学弊端，我系特别进行了实验安排改革。把课程的全部实验融入到理论教学中来，理论教学一讲完，立刻进行实践教学，使学生对所学理论有强烈的感性认识。为了避免实验安排与别的班级冲突，在学期的第一周系全部老师开会，统一安排实验课表。

生产现场参观和实习实践部分，刚开始上课时，因要融合项目教学，可以带领学生到本校植科院温室大棚，动科院的饲料中心，周边红枣加工厂，食品加工厂、天山雪米农业有限责任公司等，熟悉农业生产中的自动控制工程实例，增加自动控制系统的感性认识，为课程学习做好准备。

课程设计是一项综合性较强的工作，它要求学生在具备了一定的实验能力的基础上，把所学到的电子技术、控制元件、传感器、自动控制原理、仿真方法、计算机等知识进行综合，用科学的方法，技术来分析、解决实际问题。结合生活实例，指导老师可以提供设计题目，例如★粮食仓库的湿度控制系统设计、温度控制系统设计，红枣的自动清洗系统设计等，由学生分组完成，老师进行课外指导就行。这些具有创新性和设计性的课程设计，可以提高学生的工程实践能力和团结协作能力。

4 结束语

把CDIO工程教育模式引入到《自动控制原理》课程的教学改革过程中， 通过以上几个方面的努力， 对我校农业工程类学生做了三届的教学实践，取得了明显的教学效果。希望在今后的教学改革之路上，能为我校农业工程类专业的教学质量的提高和较高综合素质的工程人才的培养贡献力量。

【参考文献】

[1]王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考[J].中国高教研究，

（5）：86-87.

[2]齐灿，邓维.CDIO模式下《计算机操作系统》课程教学改革与探索[J].2013

（1）.