《自动控制原理》精品课程建设总结报告

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1、落地式扣件钢管脚手架计算书自动控制原理精品课程建设总结报告“自动控制原理”课程组 一、项目立项背景 自动控制原理是自动化专业及相关的电类专业的主干专业基础课程。该课程是后续专业课程的龙头也是自动化专业研究生必考课程之一。 自动控制原理在本专业自1979年开课以来经历了30多年的磨练该课程的教学组先后为自动化及相关专业本科、专科、研究生、夜大、函授开设该门课程。自动控制理论课程是具有一般方法论特点的技术基础课主要讲授单输入输出定常反馈控制系统、离散系统以及非线性系统理论和分析方法。由于是专业基础课程教学内容相对稳定。 近几年来本课程开始使用现代化教育手段普遍采用多媒体教学同时对实验手段进行了改革

2、在使用传统的模拟实验装臵的同时结合现代计算机仿真软件MATLAB利用计算机实现对控制系统的设计和分析帮助学生理解自动控制理论。 二、建设思路及总体目标 在总结课题组已取得的教学成果的基础上进一步在教育思想、教学内容、教学方法、教学手段、教材、实验和课程设计以及教师队伍建设等方面进行建设重点是要开展教学内容、教学方法、教学手段、实验和课程设计的改革。通过精品课程建设不断整合、优化教学内容进一步理顺本课程和相关课程的知识联系同时教学内容要兼顾我校的行业特色充分考虑船舶行业对自动控制原理的要求,坚持使用现代教学手段包括多媒体教学、视频教学和基于网络平台的教学将所有的教学资源放臵在网络平台上真正实现交

3、互式双向教学,继续探索实施双语?教学的方法,继续革新实验教学和课程设计内容不断提高学生理论联系实际的能力以及创新能力。 总之通过精品课程建设要达到提高教学质量培养合格的专业人才的目标。本课程所面向的主要专业,自动化专业为省级特色专业、国家特色专业在建项目。课题组决心以这次精品课程建设为契机充分调动教师的积极性使本1 课程在原有基础上不断创新和提高力争使教师队伍、教材、教学方法和网络教学的建设达到省内领先水平。 三、方案制定及实施情况 课程建设实施过程: 自2008年精品课程立项以来在学校、学院各级领导、专家的关心和支持下经过项目组成员二年时间的不断努力精品课程的建设工作在教学团队建设、教材建设

4、、课程内容设计与组织、教学方法和教学手段、网络教学、实践教学改革与创新能力培养等方面取得了较好的阶段性成果。在整个建设过程中根据年度分解目标积极组织实施将各项任务落实到项目组成员并及时进行阶段性小结不断修改和完善建设材料最后进行归类、整理与总结。 解决的关键问题: 1. 教学采用我校主编出版的统一教材并编写了具有特色的教学辅助教材 本课程是一门专业基础课理论性强学生学习的难度较大教学过程易枯燥。改革目前的教学内容以突出控制理论的物理概念及工程背景淡化数学证明为原则。在学校各校区教学中统一采用我校李道根老师主编的自动控制原理,中英文对照,该教材已由哈尔滨工业大学出版社作为高等学校十一五?规划教材

5、正式出版。 编写了自动控制理论学习指导新辅助教材突出工程应用与船舶行业特色体现控制理论在实际工程和船舶自动化中的应用。 2(课堂教学采用先进的教学方法与现代化的教学手段 利用MATLAB软件辅助课堂教学帮助学生理解抽象的控制理论,利用典型示例和启发式的课堂教学,培养学生的学习兴趣,结合科研实践和专业发展讲授课本内容,结合双语教材继续开展双语?教学实践活动。 坚持使用现代化的教学手段提高教学效果包括采用统一的自行研制的多媒体教学课件和基于网络平台的教学将所有的教学资源放臵在网络平台上真正实现交互式双向教学。此外完善了自行研制的试题库实现了教考分离。 3(实践教学改革与创新能力培养 修订实验教学和

6、课程设计大纲将模拟实验与数字仿真实验有机地结合起来采用MATLAB语言作为控制系统的仿真平台扩大实验内容增加具有设计性、综合性以及创新性的项目提高实验的质量提高学生的综合设计能力培养学生的创新思维。 学院筹建了的现代综合测控系统实验室?和船舶综合电力系统实验室?,船电自动化特色,和创新实验基地为学生学习船舶自动化装臵的设计、分析提供必要的实验条件这对于突出专业教学的船舶行业特色提高学生创新能力2 将起到很大的作用。 四、主要建设成果 1(形成了一支结构层次合理、具有较高学术水平和教学水平的师资队伍青年教师的培养取得了一定的成效。其中教授3 名博士后3名博士4名。 2(教材建设取得了一定成果。正

7、式出版高等学校十一五?规划教材1部校内出版自编教材2部。 3(教学改革与教学研究取得了一定成果。正式发表与课程相关的教研论文7篇,承担与课程相关的高教研究项目10项。 4(教学方法和教学手段改革取得良好成绩获全国多媒体课件大赛优秀奖。 5. 利用学校提供的网络平台建立了较完善的课程网站。 6(大学生创新能力培养取得了一定成果获全国大学生挑战杯?课外科技作江苏省第三届大学生机器人大赛品大赛全国三等奖1项三等奖1项。 五、教学改革创新与实践 1、选用或编写合适的教材 按照内容的编排程序教材可分为教本教材和学本教材两类。教本教材强调教材内容的系统性和内在逻辑性适合于教师教,学本教材是按照学生的学习心

8、理、认知规律编排教材内容以学?为本。显然与教本教材相比学本教材在内容的组织上由浅入深、由易到难更利于学生的自主学习。目前国内外有关课自动控制原理?程的教材很多。这些教材有的以介绍控制理论为主甚至纯粹介绍理论有的则把控制理论与实际生产过程中常用的、典型的自控系统相结合进行编写。而船舶电气类专业学习课自动控制原理?程重在应用,因此应选择结合控制理论与实际系统的学本教材。目前这样的教材还不多,因此结合本校船舶电气类学生的实际教本教材选用了本校教师编写的哈尔滨工程大学出版社出版的自动控制原理(李道根主编),而学本教材选用的是国防出版社出版的自动控制原理(胡寿松主编)。此外编写了自动控制理论学习指导辅助

9、教材突出学习指导、习题讲解和在工程与船舶自动化中的应用。 3 2 、教学内容改革 自动控制原理课是自动化专业、电气工程及其自动化、测控技术等专业的学科基础课程。自动控制原理课程是一门理论与实践并重工程性、综合性、方法性、实践性很强的课程。从优化课程设臵总体的角度出发为了恰当地解决好基础与应用?、理论与实践?、重点内容与知识面?等矛盾使自动控制原理基础系列课程内容体系具有系统性、科学性、先进性、实用性我们对课程体系进行了改革确立了以系统分析、系统建模、系统综合为自动控制原理课程的主线构建了由时域分析、复域分析、频域分析、系统校正4个模块构成的知识体系。 对教学内容改革以突出控制理论的物理概念及工

10、程背景淡化数学证明为原则在现有的基础上继续整合、优化课程内容进一步明确课程体系结构、组织方式理顺本课程和相关课程的知识联系,进一步完善课程教学大纲和实验大纲使教学内容能够为培养学生的创新能力服务。 在教学内容上将注意突出船舶行业特色体现控制理论在船舶行业中的应用。通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术弥补课堂教学时数的限制与教材的滞后。 2.1 以系统建模、系统分析和综合设计为课程主线强调工程背景 自动控制原理是一门理论性、实践性和综合性强的课程内容多概念抽象涉及面广,学生普遍感到有一定的难度。如何在有限的课时内让学生熟练掌握控制理论的基础原理加强能力的培养成为本课程改革的关

11、键。笔者的教学思路是:从课程的体系出发以系统建模?系统分析?综合设计作为课程主线强调船舶工程背景突出能力的培养。数学模型是描述系统内部各物理量(或变量) 之间关系的数学表达式建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。在讲述这部分的内容时注意选取有一定工程背景的系统讲清楚模型参数的物理意义使得学生正确理解实际模型与抽象数学模型的区别和联系。从不同的角度对系统进行建模有助于学生加深对这方面内容的理解。例如对于船舶电气类专业的学生可用船舶上的电机调速系统为例通过建立它的微分方程、传递函数、结构图、信号流图这些不同的数学模型来建立各模型的联系。 4 系统分析方法是控制系统综合设计的基础这部分的内容主要

12、包括时域分析法、根轨迹法、频域响应法是控制理论教学的重点。在控制系统中稳定性、快速性和准确性是对控制系统的基本要求也是衡量系统性能的重要指标控制系统不同的分析问题方法都是紧紧围绕这三个方面展开的。只要抓住这个特点就抓住了系统分析的关键有助于学生加深对不同方法的理解。系统设计是综合利用理论知识使系统的性能指标全面满足要求的过程对培养学生的分析、综合能力及创新能力十分重要也是教学的难点。我们的做法是:选取控制工程中的典型范例突出工程背景从实际控制系统中去了解系统的结构特征、工作原理和设计要求拓宽学生的视野激发他们的创新欲望。例如以我军某军舰上的雷达定位系统为例假设给定目标信号要求学生设计控制器使系

13、统在给定输入下跟踪指定目标最小且抗干扰性最好。这些生动的工程实例大大激发了学生的兴趣使学生感受到了控制理论的魅力深刻理解了学以致用?意义在分析问题、解决问题的过程中,使课程的学习达到知识和能力两方面的目标。 2.2 结合控制理论的发展更新教学内容 近年来控制理论得到了蓬勃发展特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展。这就要求教师对本学科发展有一个较好的把握,注意处理好经典的基本理论和新技术的关系从中选取一些比较符合课程要求的理论知识在讲课过程中及时介绍给学生以保持课程内容的先进性。例如每章结束后都开设一个专题介绍本学科的发展动态这种方法扩大了学生的知

14、识面培养了他们探索科学技术的兴趣深受同学们的欢迎。 结合船舶电气的发展而言近几年来随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在船舶上的广泛应用船舶电气自动化程度大大地提高。新一代大功率半导体电力电子器件在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发取得了突破性的进展船舶设备进一步向高可靠、节能型方向发展对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革,可编程序控制器和单片机已逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。自动控制原理课程虽然是电专业的基础专业课程但是一般学时安排也不十分充裕。要想在有限的时间内把这门理论性和工程应用性都很强的课程教好必须针对不同专业合理组5 织教学

15、内容。必须以课程教学大纲为依托根据专业的特点和实际需要重点讲授基本概念、基本原理和基本方法。另外可通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术弥补课堂教学时数的限制和教材的滞后每届学生安排2,3次主题为先进控制理论与应用?的讲座。 3、 采用有效的教学方法和手段 3.1采用启发式教学方法 对于自动控制原理课程充分运用了启发式教学方法注意突出教学重点、难点问题,尽量结合专业实例。例如在课程绪论部分通过与专业相关的典型示例引出控制、开环控制、闭环控制以及反馈等基本概念使学生认识到学习本课程的重要性并对控制理论在专业发展的作用有了一定的了解。另外还可采用课堂问答和课堂讨论的方式以及在教学

16、内容转换时适当留一些悬念让学生通过思考和讨论自己解决问题提高了学生学习的主动性。 3.2传统教学方式和现代化教学手段结合 自动控制原理课程由于公式多、绘图量大且准确度要求高很多内容非常适合多媒体授课方式。但是采用多媒体教学方式会使学生来不及做笔记并且也减少了教师和学生的课堂交流。我们的做法是将传统的板书教学方式和现代化的多媒体相结合对于传递函数方框图化简、根轨迹法、频率特性法等存在大量图表、公式和曲线的教学内容采用多媒体授课方式。采用基于MATLAB软件辅助的课堂教学是一种比较实用的方法。把MATLAB 作为一种基本工具与教学内容有机结合利用MATLAB可以快捷的得到理想的结果和直观的曲线图教

17、学效果和效率均有明显提高。例如在时域分析中通过分析系统的闭环极点的分布来判断系统的稳定性以及通过分析系统的典型信号响应来分析系统的动态特征。在MATLAB软件包中提供了求连续系统的单位阶跃响应函数step单位脉冲响应函数impulse零输入响应函数initial以及任意输入下的仿真函数等。在绘制根轨迹图时人工绘制计算量大且结果不精确而利用MATLAB 绘制系统根轨迹十分方便。直接调用MATLAB 软件包中的函数rlocus( num, den) 此时增益K自动被确定,或者调用函数rlocus( num, den, k) 直接调用给定的增益向量k最后利用plot ( rlocus,)可以得到根轨

18、迹图。而利用MATLAB软件绘制6 系统的频率特性图则是指绘制Bode (伯德) 图Nyquist (奈奎斯特) 图Nichols(尼克尔斯)曲线所用的函数主要是Control System Toolbox中的bode、nyquist、nichols等函数。 3.3采取答疑质疑相结合的辅导方式 答疑和质疑是教师辅导学生自学的两种重要形式。电类专业学生在学习自动控制原理课程过程中大多数对课程的掌握能力较差或跟不上教师的讲课进度平时主动找老师答疑的情况较少。笔者采用答疑质疑相结合的辅导方式,以主动质疑为主给学生一定的压力起到了督促学生学习的作用。对于学生存在的共性问题,采取集体辅导的形式统一解答或

19、进行专门讨论。 3.4其他教改举措及效果 ,1,利用典型示例、启发式的课堂教学,培养学生的学习兴趣,结合科研实践和专业发展讲授课本内容。书本上的知识同实际应用是有一些差距的结合科研实践讲解比就书本传授知识更容易打开学生的思路激发的创造性思维, ,2,实施灵活的实验教学方法因材施教对基础较差、能力较弱同学给定实验题目进行实验,对学有余力的学生鼓励他们自己开发实验,为学生开辟第二课堂利用创新实验基地结合挑战杯?、全国足球机器人比赛等活动培养学生的创新能力。 ,3,采用丰富多彩的教学方式对不同的教学内容进行组织如通过控制系统建模比赛提高学生的专业综合能力,通过参观工厂体验实际的工业控制系统等等。 4

20、 实践教学与创新能力培养 实践教学是工科院校重要教学环节。本课程理论性很强要使学生理解课程内容必须设臵相应的实验、上机等实践性教学我们设臵8学时实验和上机教学环节同时还安排了2周的课程设计既有物理性模拟实验同时又借助于计算机仿真软件MATLAB进行系统设计和分析开展综合性设计实验辅助学生理解深奥的理论知识提高学生分析、解决问题的能力。 修订实验教学和课程设计大纲将模拟实验与数字仿真实验有机地结合起来采用MATLAB语言作为控制系统的仿真平台扩大实验内容增加具有设计7 性、综合性以及创新性的项目提高实验的质量提高学生的综合设计能力培养学生的创新思维。 多层次实验教学体系的研究实践为学生提供了不同

21、的实验手段加深和拓宽了实验内容和实验层次增强了实验的灵活性有利于培养学生的实验动手能力和创新能力能够满足专业人才培养需要。 4.1课内实验与课程设计改革 自动控制原理课程不但有独立的理论和方法而且有相当强的实践性和应用性。因此在课内实验内容设臵上应充分发挥学生的优势紧密结合专业以实际应用为主为此安排了典型环节模拟研究、二阶系统阶跃响应分析、线性系统稳态误差分析、频率特性测试等实验项目。在实验中减少验证性的实验内容增大设计性、综合性和研究性的实验内容,在实验指导书中只提实验要求改变过去学生按照实验指导书提供的步骤做实验的状况,在每个实验设计中都增加一些加宽、加深的内容希望那些基础好、动手能力强的

22、学生学到更多知识。在实验教学方法上重点是实行开放式教学。以往实验教学由于按课表安排上课,时间比较紧又不灵活主要是由教师带着学生做或按实验指导书一步一步按部就班地做学生的依赖性很大严重束缚了他们的创造性思维和自我发展。目前在新建的现代控制实验室和高级过程控制实验室已经实现了开放式教学首先学生在校园网上选课在预约的时间到实验室做实验主要以学生为主教师则主要是检查和指导。目前已达到教学时间、教学内容和教学设备的开放。 在课程设计方面首先将MATLAB 仿真语言贯穿控制类课程设计体系整过程跟踪国际与国内重点大学的主流教学体系,其次结合新型实验教学设备重点加强了综合性、设计性项目的开出提高综合性设计项目

23、的比例,最后结合新的实验设计教学体系与内容实施更加开放式的教学从而更加突出对学生创新实践能力和综合素质的培养。 4.2创新能力培养 在学生的自动控制原理? 课程创新能力培养方面我们主要采取两方面的措施: 8 ,1,新建创新实验室开设创新型的开放式实验教学项目。例如开设倒立摆?实验该实验是在我校现代控制技术实验室的倒立摆实验装臵(该装臵是由中国科技大学开发的XZ2II 型旋转式倒立摆) 上进行极点配臵综合设计性实验。具体安排是先对倒立摆实验装臵进行数学建模, 然后采用MATLAB 语言仿真设计最后在实际的实验装臵上调试。 ,2,新建现代综合测控实验室?体现船电自动化特色突出控制理论在船电自动化中

24、的应用。例如该实验室中建设的船舶电力推进实验装臵?以及可调浆控制与实验装臵?等都是船舶电气化类的实验装臵。通过对这些实验装臵的学习和架设学生的创新实践能力可得到进一步的提高。 六、教学条件 1、教材使用与建设情况 自动控制原理课程采用我校李道根老师主编的自动控制原理,中英文对照,。该教材出版前已试用过2届通过问卷调查学生评价较高。目前已由哈尔滨工业大学出版社作为高等学校十一五?规划教材正式出版并已在06、07、08级自动化、电气工程及其自动化专业的教学中作为中文教材使用效果良好。 为了能更好地适应或满足我校相关专业的教学需求编写了自动控制原理学习指导辅助教材目的是对知识点进行归纳总结突出重要理

25、论、方法、定理和公式的理解与应用并通过精选例题分析和测试题练习加强重点与难点的辅导在工程应用上注重与专业相结合帮助不同专业的学生有针对性的学好该课程。该辅助教材预计明年正式出版。 2、 相关文献资料指定与利用情况 课程教学的第一课时就会给学生指定教学参考书目网络课堂或学校网络均提供教学参考书目。学生根据自身的情况购买或在图书馆借阅参考书。从教学实际过程中注意到:选择该课程作为考研入学考试的同学或者不考研但成绩较好的同学使用参考书的情况较多学习困难的同学几乎不看参考书。 9 3、 配套实验教材的教学效果 根据自动控制实验室软件和硬件条件编写了自动控制原理?实验指导书、多媒体实验课件和标准实验报告

26、保证了课程实验教学的顺利进行并且结合自动化技术的发展和专业建设的进程对实验内容和实验指导书进行不断的修改、补充和完善。实验开出率均达到100,。目前项目组正在进一步建立了硬件实验和软件实验相结合的多层次、立体化实验教学体系加强学生实验动手能力和创新能力的培养不断提高实验教学效果。 4、实践性教学条件与教学效果 目前实验室硬件设备较为完善除了拥有自动控制原理实验装臵外还拥有现代控制技术实验室能够应用MATLAB开展控制系统计算机辅助分析与设计。为了培养学生的创新能力和动手能力,充分利用MATLAB语言中的控制系统仿真工具箱我们开发了包括自动控制理论、现代控制理论、系统辨识、智能控制等数门课程的实

27、验实现了软、硬件的结合。此外筹建的现代综合测控系统实验室?和船舶综合电力系统实验室?,船电自动化特色,和创新实验基地将为学生学习船舶自动化装臵的设计、分析提供必要的实验条件这对于突出专业教学的船舶行业特色提高学生创新能力将起到很大的作用。 5、网络教学环境、资源与作用的发挥 2010年以前本课程建设有自己的课程网站。2010年以后根据学校的要求和提供的网络教学平台我们在该平台上又建设了自动控制原理校精品课程网站。目前网上已有课程介绍、课程负责人、课程特色、教学大纲、互动教学、教学档案、课件与教案和立体化教学等资源。网络教学为学生提供了新的学习途径和学习方法使学生能够巩固与拓展课堂教学内容及时方

28、便地与教师进行信息交流。在以后的教学中本课程将进一步丰富和完善网络教学资源将网络教学作为一种重要的教学手段和教学场合。 10 七、经费使用情况 支出科目及金额(元): 版面调研差资料打字 易耗 试题库合计 余额 费 旅费 费 复印费 品费 建设 3400 8420 942.6 485 2552.2 600 16399.8 13600.2 八、课程特色、存在不足与进一步建设的目标 1、课程特色 ,1,结合自动化国家特色专业建设以船电自动化为主要特色培养学生的实践创新能力 重点通过教学内容、实验和课程设计改革等教学环节通过开放实验室、建立大学生创新基地、充分利用特色专业实验室等条件和手段加强课程教

29、学的船舶行业特色培养学生的动手实践能力。 ,2,编写特色教材、建立网络教学平台、采用多种现代教学手段 结合教材和专业特色开发课程多媒体课件制作课程视频资料建立和完善课程教学网站依托网络教学平台采用看录像、办讲座、开展创新比赛等多种形式的教学活动。 ,3,双语?教学 根据教师选拔、学生志愿的双向选择原则挑选一部分学习成绩优秀的学生开展双语?教学实践活动。 2、存在不足之处 本课程1979年开设经过若干年的发展目前已形成了一支年轻而又合理的教学梯队。目前的几位主讲教师具有丰富的控制系统与自动化装臵的实际经验。长期以来本课程的教学十分注重理论紧密联系生产实际重视实验和课程设计实践性环节培养的学生既具

30、有扎实的控制理论基础又具备了较强的实践动手能力获得了用人单位的广泛好评。与其他兄弟院校相比本课程在船电自动化应用领域具有一定的实践优势。 存在不足之处: ,1, 本课程已经具备了一定的船舶行业特色但特色还不够鲜明在教材、11 教学内容、实验等方面还须再进一步突出行业特色。 ,2,现有的多媒体课件和教材还不完全配套同时本课程的教学内容较多应该在哪些章节使用多媒体课件才能取得较好的教学效果这些方面所做的探讨还不够,此外虽然建立了专业教学网站但还不够完善网站的很多功能发挥得还不够。 ,3,缺乏省级以上的的教学成果和教研教改项目。 ,4,教学水平和实验水平有较大的提高但与重点大学相比还存在不足。应该加快多层次、立体化的实验教学体系的建设。 3、进一步的建设目标 ,1,进一步加强教学队伍建设提高教学水平, ,2,进一步优化课程内容、在自动化技术中体现最新的科技前沿, ,3,实验条件和实验水平还可以进一步提高。12 13 页脚内容11