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摘要：对农业机械化及其自动化本科专业“自动控制原理”课程教学过程中存在的问题进行了分析，在此基础上就本课程的教学内容和教学方法改革提出方案，重点在优化教学内容、精选工程实例、改善教学方式、改革实验项目和考核方式等方面进行探讨。教学实践表明，通过教学改革能明显改善“自动控制原理”课程教学效果，夯实学生基础知识、提高学生针对自动控制系统的设计和创新能力。
关键词：自动控制原理；教学改革；创新能力
作者简介：姚立健（1974-），男，江苏建湖人，浙江农林大学工程学院，讲师；彭樟林（1965-），男，江西吉安人，浙江农林大学天目学院，教授。（浙江 杭州 311300）
基金项目：本文系2010年浙江农林大学教改项目“面向农机专业的‘自动控制理论’教学改革与实践”的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0059-02
许多工科院校都开设了“自动控制原理”课程。通过该课程教学使学生掌握自动控制系统的基本原理和分析方法，培养学生运用控制理论解决工程问题的能力。[1，2]在农业机械化及自动化专业（以下简称“农机专业”）中开设“自动控制原理”课程可在教学中树立学生的农业工程意识，提升学生的应用能力和综合素质。该课程具有理论性强、教学内容多且更新发展快等特点，因此，针对农机专业实际情况，改革“自动控制原理”的教学内容、教学方法、教学手段以及考核方式，对于提高农机专业学生理论联系实际的能力、培养应用型人才具有重要意义。
一、农机专业“自动控制原理”课程教学现状分析
1.理论教学与农机应用相脱节
中央和地方相继出台若干促进农机发展的文件，为其发展提供了广阔的空间。目前，农机发展已从简单的数量增加、规模扩张逐步向质量提升、产业升级上来，农业机械正向自动化、智能化等方向发展，为增加农业收入、减轻农民负担、提高农产品品质起到重要作用。而现有的自动控制课程教学忽视了课程理论与现代农业装备的联系，授课教师缺乏农机专业背景。学生虽学习了，却不清楚本课程如何应用，理论教学与实践严重脱节，从而影响教学效果。
2.教学内容陈旧，实验手段单一
自动控制理论更新很快，已由单一变量控制为主的经典控制理论向多变量、最优控制为主的现代控制理论发展。自动控制系统广泛应用在诸如农业收获、农产品加工、精细农业、设施农业等设备或设施中，极大提高了农机的科技含量和生产水平。但目前理论课教学多采用传统经典教材、教者按部就班授课，教学内容很少更新。实验课仍以传统的验证性实验为主，内容简单，实验手段单一，缺乏设计型实验，学生在上实验课时缺乏主动性。
3.课程涉及理论知识较多，难以激发学生的学习兴趣
从控制系统的数学建模到性能分析需要学生既有力学、电学等基础理学知识，又要有电力拖动、电机、电工电子等专业知识，还要有灵活运用知识解决实际问题的能力。[3]整个教学过程中数学推导过程较多，学生听起来乏味。随着农机专业对该课程课时数要求下降，课堂讲授内容更为有限，教师在课堂教学中过多注重数学理论的推理和证明，而忽视学生的自主学习和创新设计，不能激发学生的学习兴趣。
二、“自动控制原理”课程教学内容改革
1.结合农机专业实际，适当调整教学内容
对于农机专业学生来说，本课程具有内容多、理论性强、学时少的特点，对学生基础知识要求较高。[4]因此，教者必须适当调整教学内容，制订适合该专业的教学大纲。首先，教者应把握本课程教学内容和重点、难点。本课程的主要内容和教学重点是运用时域分析、根轨迹分析和频域分析等方法、研究系统的稳定性、快速性、准确性。[5]这些特性是对控制系统的基本要求，也是系统性能的重要指标，如图1所示。在教学过程中，教者要围绕上述三个特性逐步讲解各种系统分析方法以及它们之间的联系，使学生对本课程全局有充分了解。其次，要夯實学生的基础知识。在本课程中需要使用很多复杂的基础理论。许多同学对这些知识已经生疏，因此，在教学过程中需预留一定课时进行复习。对于相对简单的数学计算，要求学生掌握笔算方法，复杂计算应借助计算机软件（如MATLAB）辅助学习，以提高教学效率。另外，随着新技术、新方法的不断涌现，可根据实际情况对教学内容进行适当增删。可增加部分现代控制理论的内容，如智能控制、模糊控制等。对于教学大纲没有规定的内容，鼓励学生课后自学，培养学生独立思考、解决问题的能力。
2.结合农业工程背景，加强应用能力培养
许多教者在讲授自动控制基础理论时仅注重理论分析与推导，忽视与实际结合。在教学过程中，应将枯燥的数学模型与生动的工程实例联系起来。如介绍复合控制方式时可以农业机械中的谷物湿度控制系统为例，[6]如图2。
通过分析该系统方框图，学生可掌握控制系统的一般组成，如控制任务、被控对象、被控量和执行机构等，同时还能了解如何将自动控制理论运用到现代农业装备中去。
事实上，虽然自动控制系统的组成可以是纯机械的、电气的，也可能是液压或气动的，但建立这些系统数学模型的方法基本相似，甚至模型的形式完全一致。如通过RLC无源网络可构成一个二阶系统，通过弹簧—质量—阻尼器机械振动机构同样也可以组建一个二阶系统。因此在建模教学时，教者应通过对数学、电工学等基础知识的复习，利用各个元件的物理规律以及相互联系建立各环节的微分方程，最后得到系统的传递函数。结合典型农业工程实例教学，可以使学生摆脱各种类型系统的外部关系。而抓住这些系统的内部规律有助于拓宽学生的专业视野，提升学生的应用能力。
3.关注控制理论发展，实时更新教学内容
近年来，专家系统、神经网络理论及其应用使得控制理论得到快速发展，以网络技术、通讯技术、人机交互技术为代表的信息化理论将成为自动控制未来发展的方向。控制对象、分析方法、数学工具以及主要研究问题都发生变化，这就需要教者对本课程发展趋势能有清晰的掌握。教者首先应密切关注本课程的最新发展动态，积极参加学术研讨，定期进行业务培训，更新自身的知识储备。其次，在讲好经典控制理论的同时，应选择一些比较符合课程要求的现代控制理论，在讲课过程中及时介绍给学生。还可在每一个重点章节结束后开设一个专题讲座，就现代控制理论中的一些方法与应用进行讨论，使教学内容始终与时俱进，与课程发展方向同步。 三、“自动控制原理”课程教学方法与教学手段改革
1.改革理论课教学方法
传统的教学，教师重知识传授，大量的课堂时间都用在本课程理论教学上，师生互动性不足，学生缺少独立思考的空间。为提高课堂效率，改善教学效果，教者首先应认真进行课前准备，精选教学案例，并制作成生动的多媒体教学课件，包括视频、动画、PPT等。这样既然保证授课过程的生动性，同时又能保证教学内容有足够的信息量，提高教学效率。其次，将启发式教学方法用于教学，教者在教学过程中根据教学任务和自动控制课程学习的客观规律，从农机专业学生的实际出发，启发学生现场独立思考或课后查找农业工程中有关自动控制的案例，力争一人一例，以课堂提问的形式让学生自己介绍，发扬教学民主，培养独立解决问题的能力。最后，充分利用互联网查找教学资源，如国家精品课程网站、各知名高校的相关课程建设网站等，逐步建立和丰富教学资源库。教者应利用好这些教学资源，并适时推荐给学生，布置相关查询作业，督促学生真正浏览和学习。条件成熟时可自行建立本课程网站，供学生自主学习。
2.改革实验课教学手段
实验教学既是对课堂教学中相关理论的验证，也是激发学生学习兴趣、培养学生动手能力的重要手段。传统的实验教学大纲一般都采用实验电路进行模拟，教者提供现成的电路图，学生按照实验指导书的要求连接电子线路，验证已知结论，实验过程缺乏创造性。[7]因此，首先应改革实验目的，由验证型实验向设计型实验转变。让学生自行设计实验方案并分析实验结果，即根据农业工程需要制订技术目标并设计若干解决方案，再根据验证结果选择解决方案并对方案进行细节设计。重点向学生介绍应用最广泛的PID控制系统。其次，将MATLAB软件引入自动控制仿真实验中。MATLAB软件适用于众多领域的数值分析、系统设计和复杂计算，对使用者的编程能力要求不高，使用该软件可极大丰富自动控制实验教学的内容、提升实验质量和实验效率。如，在绘制根轨迹时学生会把大量的时间消耗在计算轨迹与实轴、虚轴交点坐标、入射角与出射角上，如果采用MATLAB软件，学生可以将更多的精力用在系统的稳定性分析上。但本科阶段一般不开设MATLAB软件课程。因此，教者应在平时的教学过程中逐步将MATLAB软件的使用方法灌输给学生，包括基本操作、常用的数学运算代码以及与本课程相关的函数使用方法，鼓励有条件的学生在自己的电脑中安装该软件。教者应经常采用MATLAB工具辅助教学活动，在课堂教学中经常公开演示，使学生尽可能早地熟悉该软件。
实践表明，采用MATLAB软件辅助“自动控制原理”实验课教学，使自动控制原理学习和实验更加直观，提高了学生应用现代系统设计分析工具的能力。
3.更新课程考核方式
合理的自动控制课程成绩评判方式可有效地调动学生的自觉性，促进学生综合能力全面提升。[8]传统的考核方式将学生的总评成绩分为三个部分，即平时成绩、实验成绩和期末考试成绩。平时成绩主要依据学生的课堂表现、出勤情况和作业成绩来评定。实验成绩主要依据学生的实验报告评定，很难体现学生动手与创新能力。因此，在学生的成绩考核改革中需加大学生动手能力的权重，鼓励学生的创新思维，并体现在成绩的评定上，以激励独立思考和自主创新。笔者认为，应该增加课程设计类考核成绩，在学期中间的时候可以将课程设计作业布置下去，学期结束时收上来。为预防个别学生之间抄袭，可采取布置不同类型的题目、随机抽检等方案予以制约。各部分权重如图3所示。这样可以增强学生自主学习的能力，考核成绩能真实反映学生的学习水平。
四、结束语
在“自动控制原理”课程的教改实践过程中，对教学方法和教学手段等内容进行改革与创新，并在农机2008、2009级本科生中进行教学实践。结果表明，通过教学改革极大地调动了学生学习自动控制原理的主动性，学生的动手实践能力、创新能力有明显提高。随着自动控制技术的飞速发展，社会对工程人员的技术需求也会越来越高，新的教学内容和实验方法必将不断涌现，这就要求教者不断加强学习，继续推进课程的教学改革，进一步提高学生的理论水平和创新能力，争取更好的教学效果。
参考文献：
[1]吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].中国大学教学，2005，（9）：28-31.
[2]林剑辉，赵燕东，王海兰.高等农林院校工科专业“自动控制原理”课程教学改革的探讨[J].中國林业教育，2009，27（s1），24-26.
[3]姬伟，杨年法，赵德安，等.“自动控制原理”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2009，（8）：94-95.
[4]范为福，王双红.“自动控制原理”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2012，（6）：88，91.
[5]丁勇，王从庆.《自动控制原理》课程的教学改革与实践[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2005，7（1）：84-86.
[6]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2003：11-18.
[7]金鑫，谢昭莉，盛朝强，等.“自动控制原理”实验教学改革创新与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（s2）：31-33.
[8]江善和，王远志.自动控制原理课程教学改革的思考与实践[J].软件导刊，2009，8（12）：189-191.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：自动控制原理；教学改革；创新能力
作者简介：姚立健（1974-），男，江苏建湖人，浙江农林大学工程学院，讲师；彭樟林（1965-），男，江西吉安人，浙江农林大学天目学院，教授。（浙江 杭州 311300）
基金项目：本文系2010年浙江农林大学教改项目“面向农机专业的‘自动控制理论’教学改革与实践”的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0059-02
许多工科院校都开设了“自动控制原理”课程。通过该课程教学使学生掌握自动控制系统的基本原理和分析方法，培养学生运用控制理论解决工程问题的能力。[1，2]在农业机械化及自动化专业（以下简称“农机专业”）中开设“自动控制原理”课程可在教学中树立学生的农业工程意识，提升学生的应用能力和综合素质。该课程具有理论性强、教学内容多且更新发展快等特点，因此，针对农机专业实际情况，改革“自动控制原理”的教学内容、教学方法、教学手段以及考核方式，对于提高农机专业学生理论联系实际的能力、培养应用型人才具有重要意义。
一、农机专业“自动控制原理”课程教学现状分析
1.理论教学与农机应用相脱节
中央和地方相继出台若干促进农机发展的文件，为其发展提供了广阔的空间。目前，农机发展已从简单的数量增加、规模扩张逐步向质量提升、产业升级上来，农业机械正向自动化、智能化等方向发展，为增加农业收入、减轻农民负担、提高农产品品质起到重要作用。而现有的自动控制课程教学忽视了课程理论与现代农业装备的联系，授课教师缺乏农机专业背景。学生虽学习了，却不清楚本课程如何应用，理论教学与实践严重脱节，从而影响教学效果。
2.教学内容陈旧，实验手段单一
自动控制理论更新很快，已由单一变量控制为主的经典控制理论向多变量、最优控制为主的现代控制理论发展。自动控制系统广泛应用在诸如农业收获、农产品加工、精细农业、设施农业等设备或设施中，极大提高了农机的科技含量和生产水平。但目前理论课教学多采用传统经典教材、教者按部就班授课，教学内容很少更新。实验课仍以传统的验证性实验为主，内容简单，实验手段单一，缺乏设计型实验，学生在上实验课时缺乏主动性。
3.课程涉及理论知识较多，难以激发学生的学习兴趣
从控制系统的数学建模到性能分析需要学生既有力学、电学等基础理学知识，又要有电力拖动、电机、电工电子等专业知识，还要有灵活运用知识解决实际问题的能力。[3]整个教学过程中数学推导过程较多，学生听起来乏味。随着农机专业对该课程课时数要求下降，课堂讲授内容更为有限，教师在课堂教学中过多注重数学理论的推理和证明，而忽视学生的自主学习和创新设计，不能激发学生的学习兴趣。
二、“自动控制原理”课程教学内容改革
1.结合农机专业实际，适当调整教学内容
对于农机专业学生来说，本课程具有内容多、理论性强、学时少的特点，对学生基础知识要求较高。[4]因此，教者必须适当调整教学内容，制订适合该专业的教学大纲。首先，教者应把握本课程教学内容和重点、难点。本课程的主要内容和教学重点是运用时域分析、根轨迹分析和频域分析等方法、研究系统的稳定性、快速性、准确性。[5]这些特性是对控制系统的基本要求，也是系统性能的重要指标，如图1所示。在教学过程中，教者要围绕上述三个特性逐步讲解各种系统分析方法以及它们之间的联系，使学生对本课程全局有充分了解。其次，要夯實学生的基础知识。在本课程中需要使用很多复杂的基础理论。许多同学对这些知识已经生疏，因此，在教学过程中需预留一定课时进行复习。对于相对简单的数学计算，要求学生掌握笔算方法，复杂计算应借助计算机软件（如MATLAB）辅助学习，以提高教学效率。另外，随着新技术、新方法的不断涌现，可根据实际情况对教学内容进行适当增删。可增加部分现代控制理论的内容，如智能控制、模糊控制等。对于教学大纲没有规定的内容，鼓励学生课后自学，培养学生独立思考、解决问题的能力。
2.结合农业工程背景，加强应用能力培养
许多教者在讲授自动控制基础理论时仅注重理论分析与推导，忽视与实际结合。在教学过程中，应将枯燥的数学模型与生动的工程实例联系起来。如介绍复合控制方式时可以农业机械中的谷物湿度控制系统为例，[6]如图2。
通过分析该系统方框图，学生可掌握控制系统的一般组成，如控制任务、被控对象、被控量和执行机构等，同时还能了解如何将自动控制理论运用到现代农业装备中去。
事实上，虽然自动控制系统的组成可以是纯机械的、电气的，也可能是液压或气动的，但建立这些系统数学模型的方法基本相似，甚至模型的形式完全一致。如通过RLC无源网络可构成一个二阶系统，通过弹簧—质量—阻尼器机械振动机构同样也可以组建一个二阶系统。因此在建模教学时，教者应通过对数学、电工学等基础知识的复习，利用各个元件的物理规律以及相互联系建立各环节的微分方程，最后得到系统的传递函数。结合典型农业工程实例教学，可以使学生摆脱各种类型系统的外部关系。而抓住这些系统的内部规律有助于拓宽学生的专业视野，提升学生的应用能力。
3.关注控制理论发展，实时更新教学内容
近年来，专家系统、神经网络理论及其应用使得控制理论得到快速发展，以网络技术、通讯技术、人机交互技术为代表的信息化理论将成为自动控制未来发展的方向。控制对象、分析方法、数学工具以及主要研究问题都发生变化，这就需要教者对本课程发展趋势能有清晰的掌握。教者首先应密切关注本课程的最新发展动态，积极参加学术研讨，定期进行业务培训，更新自身的知识储备。其次，在讲好经典控制理论的同时，应选择一些比较符合课程要求的现代控制理论，在讲课过程中及时介绍给学生。还可在每一个重点章节结束后开设一个专题讲座，就现代控制理论中的一些方法与应用进行讨论，使教学内容始终与时俱进，与课程发展方向同步。 三、“自动控制原理”课程教学方法与教学手段改革
1.改革理论课教学方法
传统的教学，教师重知识传授，大量的课堂时间都用在本课程理论教学上，师生互动性不足，学生缺少独立思考的空间。为提高课堂效率，改善教学效果，教者首先应认真进行课前准备，精选教学案例，并制作成生动的多媒体教学课件，包括视频、动画、PPT等。这样既然保证授课过程的生动性，同时又能保证教学内容有足够的信息量，提高教学效率。其次，将启发式教学方法用于教学，教者在教学过程中根据教学任务和自动控制课程学习的客观规律，从农机专业学生的实际出发，启发学生现场独立思考或课后查找农业工程中有关自动控制的案例，力争一人一例，以课堂提问的形式让学生自己介绍，发扬教学民主，培养独立解决问题的能力。最后，充分利用互联网查找教学资源，如国家精品课程网站、各知名高校的相关课程建设网站等，逐步建立和丰富教学资源库。教者应利用好这些教学资源，并适时推荐给学生，布置相关查询作业，督促学生真正浏览和学习。条件成熟时可自行建立本课程网站，供学生自主学习。
2.改革实验课教学手段
实验教学既是对课堂教学中相关理论的验证，也是激发学生学习兴趣、培养学生动手能力的重要手段。传统的实验教学大纲一般都采用实验电路进行模拟，教者提供现成的电路图，学生按照实验指导书的要求连接电子线路，验证已知结论，实验过程缺乏创造性。[7]因此，首先应改革实验目的，由验证型实验向设计型实验转变。让学生自行设计实验方案并分析实验结果，即根据农业工程需要制订技术目标并设计若干解决方案，再根据验证结果选择解决方案并对方案进行细节设计。重点向学生介绍应用最广泛的PID控制系统。其次，将MATLAB软件引入自动控制仿真实验中。MATLAB软件适用于众多领域的数值分析、系统设计和复杂计算，对使用者的编程能力要求不高，使用该软件可极大丰富自动控制实验教学的内容、提升实验质量和实验效率。如，在绘制根轨迹时学生会把大量的时间消耗在计算轨迹与实轴、虚轴交点坐标、入射角与出射角上，如果采用MATLAB软件，学生可以将更多的精力用在系统的稳定性分析上。但本科阶段一般不开设MATLAB软件课程。因此，教者应在平时的教学过程中逐步将MATLAB软件的使用方法灌输给学生，包括基本操作、常用的数学运算代码以及与本课程相关的函数使用方法，鼓励有条件的学生在自己的电脑中安装该软件。教者应经常采用MATLAB工具辅助教学活动，在课堂教学中经常公开演示，使学生尽可能早地熟悉该软件。
实践表明，采用MATLAB软件辅助“自动控制原理”实验课教学，使自动控制原理学习和实验更加直观，提高了学生应用现代系统设计分析工具的能力。
3.更新课程考核方式
合理的自动控制课程成绩评判方式可有效地调动学生的自觉性，促进学生综合能力全面提升。[8]传统的考核方式将学生的总评成绩分为三个部分，即平时成绩、实验成绩和期末考试成绩。平时成绩主要依据学生的课堂表现、出勤情况和作业成绩来评定。实验成绩主要依据学生的实验报告评定，很难体现学生动手与创新能力。因此，在学生的成绩考核改革中需加大学生动手能力的权重，鼓励学生的创新思维，并体现在成绩的评定上，以激励独立思考和自主创新。笔者认为，应该增加课程设计类考核成绩，在学期中间的时候可以将课程设计作业布置下去，学期结束时收上来。为预防个别学生之间抄袭，可采取布置不同类型的题目、随机抽检等方案予以制约。各部分权重如图3所示。这样可以增强学生自主学习的能力，考核成绩能真实反映学生的学习水平。
四、结束语
在“自动控制原理”课程的教改实践过程中，对教学方法和教学手段等内容进行改革与创新，并在农机2008、2009级本科生中进行教学实践。结果表明，通过教学改革极大地调动了学生学习自动控制原理的主动性，学生的动手实践能力、创新能力有明显提高。随着自动控制技术的飞速发展，社会对工程人员的技术需求也会越来越高，新的教学内容和实验方法必将不断涌现，这就要求教者不断加强学习，继续推进课程的教学改革，进一步提高学生的理论水平和创新能力，争取更好的教学效果。
参考文献：
[1]吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].中国大学教学，2005，（9）：28-31.
[2]林剑辉，赵燕东，王海兰.高等农林院校工科专业“自动控制原理”课程教学改革的探讨[J].中國林业教育，2009，27（s1），24-26.
[3]姬伟，杨年法，赵德安，等.“自动控制原理”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2009，（8）：94-95.
[4]范为福，王双红.“自动控制原理”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2012，（6）：88，91.
[5]丁勇，王从庆.《自动控制原理》课程的教学改革与实践[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2005，7（1）：84-86.
[6]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2003：11-18.
[7]金鑫，谢昭莉，盛朝强，等.“自动控制原理”实验教学改革创新与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（s2）：31-33.
[8]江善和，王远志.自动控制原理课程教学改革的思考与实践[J].软件导刊，2009，8（12）：189-191.
（责任编辑：王祝萍）