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摘要：针对“自动控制元件”课程的特点和存在的问题，对课程进行了整体设计，从教学方案、教学内容、教学手段、实验平台、教员队伍等多方面对课程进行了全面建设，取得了较好的效果。
关键词：自动控制元件；模块教学；启发式教学
作者简介：周鑫（1979-），男，湖南益阳人，第二炮兵工程大学控制工程系，讲师；郑玉航（1974-），男，山东莱芜人，第二炮兵工程大学控制工程系，副教授。（陕西 西安 710025）
基金项目：本文系第二炮兵工程大学“自动控制元件”课程建设的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）29-0054-02
一、课程简介
“自动控制元件”是控制工程专业一门重要的专业基础课程。课程通过对自动控制系统中常用的执行元件、测量元件、放大元件等的分析、设计和实验，使学员掌握控制工程中常用自动控制元件的基本结构、工作原理、静态特性和动态特性以及选择和使用方法，为后续专业课程的学习奠定基础。因此，“自动控制元件”是一门承上启下的课程，也是一门与工程实际联系非常紧密的课程。
二、存在的主要问题
由于自动控制元件种类繁多，结构、原理、特性迥异，更新换代速度快，加上部分控制元件结构复杂、原理抽象，难以理解，给教学工作中带来较大的困难。[1]在教学过程中主要存在的问题如下：
1.工作原理抽象
电磁式控制元件的工作均基于电磁学原理，各结构部件之间存在较为复杂的电磁耦合关系，这种关系看不见，摸不着，非常抽象，不利于学员掌握和理解。
2.授课内容陈旧
随着科学技术的不断进步，自动控制元件的发展日新月异，新型控制元件不断出现并广泛应用在工程实际中，而课程的授课内容却更新缓慢，停滞不前。
3.授课模式单一
传统的教学模式以课堂理论授课为主，由于大部分自动控制元件原理抽象、结构复杂，因此学员普遍产生畏难、厌学情绪。
4.实验环节薄弱
自动控制元件实验室实验设备陈旧，功能单一，实验组数少，且大部分实验项目为验证性和演示性实验，学员在实验过程中无法提高分析、设计能力以及创新思维能力。
三、改革的思路与实践
要想解决上述问题，达到人才培养目标的要求，仅仅依靠改进教学方法是不够的，应该依据人才培养目标的定位，按照学员知识、素质、能力整体发展的基本要求，整体设计、优化组合，在教学方案、教学内容、教学手段、实验平台、教员队伍等多方面通过“分块实施、并行展开、交叉进行”的方式进行全面建设。
1.确立模块化立体式教学方案
依据“理论与实践相结合、经典与现代相结合”的理念，对课程进行整体设计，确立了模块化立体式的教学方案。根据控制工程专业人才培养目标的要求，结合“自动控制元件”课程本身的特点，以“理论授课”、“实验验证”为支撑，将“数字仿真”和“应用实例”融入“自动控制元件”课程教学过程中，建立了“理论与实践相结合、经典与现代相结合”的模块化的教学方案，如图1所示。
通过理论授课与实验验证相结合、理论授课与基于MATLAB等数字仿真软件对控制元件的静动态特性或控制线路进行数字仿真分析相结合，同时利用教学模型、参观见习以及在理论授课中引入工程应用实例，实现教学内容和手段的“理论与实践相结合”。在传统的执行元件、测量元件、放大元件、补偿元件以及常用控制电器五大模块知识体系的基础上，与时俱进地引入新型控制元件，实现教学内容的“经典与现代相结合”。同时，MATLAB等数字仿真软件在教学实施过程中的应用，也实现了教学手段的“经典与现代相结合”。
实践表明，该教学方案能够有效减少“自动控制元件”课程内部五大模块教学内容的交叉，同时有效减少与先修课程比如“自动控制原理”等课程教学内容的交叉与重复，并为后续课程的教学打下良好的知识基础，易于从人才培养目标层次上整体优化课程内容、设计课程标准和模块/课程内容衔接，有利于教学内容和方法的改革，有利于教学效率和质量的提高。
2.建设与时俱进的教学内容
（1）优化整合教学内容。
1）在内容安排上，首先按照“执行元件”、“测量元件”、“放大元件”、“补偿元件”、“常用控制电器”的主线，将传统教学内容分为五大模块，以便实施模块化教学。在此基础上，增加“新型元件”模块，使教学内容与时俱进，跟上时代发展的步伐。
2）根据先修和后续课程的内容体系的调整以及“自动控制元件”课程本身的特点，调整五大模块的教学内容，在避免重复的同时突出工程应用特色。比如：由于先修课程“自动控制原理”已经介绍了控制系统的动态性能分析方法，因此对执行元件模块的教学内容进行调整，在分析直流伺服电动机、步进电动机等执行元件的动态性能时，不再把重点放在传递函数的推导过程或者动态性能指标的计算方法上，而注重于根据传递函数和动态性能指标指导工程实际的方法和思路，分析工程应用时采用近似方法得到的实用的直流伺服电动机的传递函数可简化为一个惯性环节的原因，注重工程意识的培养。
3）根据课程体系和五大模块的相互联系，对各模块教学内容进行合理调整。减少与工程实际联系较少的内容，比如对于控制系统中只用来提供动力的三相异步电动机，对其工作特性只进行简单介绍；加强与工程实际联系紧密的内容，如直流伺服电动机、步进电动机等在控制系统中经常使用的元件则作为重点介绍；同时对应用前景较广的控制元件则主要介绍其发展趋势、应用前景，比如两相伺服电动机，随着调速方法的改进，它有可能取代直流伺服电动机在控制系统中的位置，故重点介绍其调速方法。
4）在各模块教学内容的设计上，删减陈旧内容，增加新型或改进型控制元件或新型元件控制技术的介绍。
（2）建立内容丰富的教材体系。建立了“基本教材、特色教材和辅助教材相结合”的教材体系，内容丰富，优势互补。理论课的“基本教材”采用了科学出版社2007年出版的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《自动控制元件及线路》（第四版）。该套教材侧重于自动控制元件的基本概念和基本方法的介绍，是国内高校自动控制元件课程的主流教材。在内容上既包括元件又包括线路，既包括经典的控制电机又反映流行的元件和线路。既讲原理又讲应用，既讲静态特性又讲动态特性；既注意科学性、严密性，又避免深奥的数学论证；既强调物理概念，又提供实用的计算公式和电子线路。[1]
由于理论课选用的基本教材与人才培养目标的要求存在针对性不够强的问题，还采用“特色教材”——自编的《自动控制元件》上、下册作为基本教材的重要补充。该教材特色鲜明，突出了工程背景，注重自动控制元件与工程实际的有机融合，与基本教材形成了优势互补。
“辅助教材”《自动控制元件习题解答》、《自动控制元件多媒体课件讲义》作为理论课的辅导资料，注重了概念归纳，通过一题多解、横向比较等分析方法，加强解决实际问题的思路引导以及学习能力培养，以电子版的形式分发给学员，便于自学。
实验课采用自编的《自动控制元件实验指导书》（第二版），在内容上注重了综合性和创新性设计，提高综合性、设计性、自主性实验的比例。
3.运用现代化的教学手段
（1）理论授课采用启发式、引导式教学。许多“常见”的自动控制元件对于大多数学员来说可能从未见过，如果在授课中一开门就见山，直奔主题介绍自动控制元件的工作原理以及选择、使用方法，显然会增加学员在理解上的难度，甚至导致畏难、厌学情绪的产生。因此，课程组将自动控制元件知识体系结构划分为“基本结构—工作原理—动静态特性—选择使用”四环，在理论授课中采用了环环相扣、层层递进的层次化启发式理论授课模式，如图2和图3所示。
在讲授某一类型自动控制元件的相关知识时，先以学员较为熟悉的事物、应用实例作为切入点，采用启发式教学引出该类自动控制元件的一般概念。比如对步进电动机的讲授，首先利用教学模型以及教学动画向学员展示步进电动机驱动的指针式电子钟表的运行过程，使他们通过直观的现象了解步进电动机的运行过程，同时注意引导他们进一步思考步进电动机内部的结构组成；接下来，在学员对控制元件的基本结构有所了解之后，再引导他们根据控制元件工作时遵循的自然规律来分析其工作原理；不同的结构特点和工作原理决定了自动控制元件不同的静态和动态特性，此时引导学员将自动控制元件工作特性的自然语言描述转化为数学语言描述，并采用MATLAB进行仿真分析；学习理论知识的最终目的是为了指导实践工作，基本结构、工作原理和静动态特性三环确立之后，在选择和使用自动控制元件中需要关注的重点也基本确立，引导学生思考如何在工程实践中灵活选择自动控制元件，达到控制效能的最大化。按照此教学模式，采用启发式教学法，让学员沿着“基本结构－工作原理－静动态特性－选择使用”这条思路，步步设疑，逐级引导，层层递进，最终牢固掌握该种类型控制元件的相关知识。
（2）探索基于MATLAB辅助的教学手段。[3]MATLAB是一套集科学运算、工程与科学绘图以及控制系统设计与仿真等功能于一身的交互式软件系统，课程组将它作为自动控制元件教学的辅助工具，在教学过程中节省了大量数值求解和曲线绘制的时间，从而将主要精力集中在对控制元件的工作原理和选择、使用方法的讲解，以提高教学效果。
首先，利用MATLAB辅助提高了教学准备工作的质量和效率。通过自编的MATLAB程序完成复杂的参数计算和特性曲线绘制工作，相对于手动计算和绘图，不仅快速，也更精确，还能避免重复劳动，节省了教案和课件制作、习题求解等教学准备工作的时间。
其次，利用MATLAB辅助教学提高了课堂授课的质量和效率。通过MATLAB程序绘制的精确的图形、仿真得到的直观逼真的分析结果比单纯的理论推导、知识讲解更有说服力，便于学员在更短的时间内理解和掌握相关知识，从而可以将更多的授课时间分配到对控制元件选择使用方法的讲解和分析，增强学员对武器装备中自动控制元件的应用实例的了解。
再次，利用MATLAB中的Simulink仿真模块或自编的仿真程序，对自动控制元件静态和动态特性进行仿真分析，作为实验教学的有效补充，提高了学员理论联系实际的能力，培养了工程意识。
同时，利用MATLAB辅助学习提高了学员的学习效率。在掌握MATLAB工具之后，学员从烦琐的数值计算中解放出来。基于MATLAB对自动控制元件的静态和动态特性进行仿真分析，加深了学员对有关知识的理解深度和掌握程度，为今后的工作和研究奠定了知识基础，而MATLAB也是他们将来开展科学研究、解决实际问题的有力工具。
（3）建设内容丰富的教学资源库。建立了资源丰富的“自动控制元件”课程网站，内容包括自主学习型电子教案、多媒体课件、网络教材、演示动画、实物图片、网上答疑、网上作业、在线交流等，为学员提供了自主学习、研究性学习和创新设计的平台，使学员成为学习的主人。同时，还建立了特色鲜明、内容丰富的教学资源库，主要包括教学改革方案、课程标准、课程设计方案、课堂设计方案、教学实施计划、参考教案、多媒体课件、教学动画、MATLAB仿真模型、习题解答、试题库和试卷库等，为教师开展教学工作提供了极大的便利。
4.构建开放式实验教学平台
构建了由“基础实验类、创新设计类、新型元件类”三大模块组成的“开放式”实验教学平台。资源的优化配置使该平台能及时反映自动控制元件的最新发展，具有“软硬结合、仿真与现实结合、经典与现代结合”的特色，形成了从“常用控制元件”到“新型控制元件”、从“基本、综合”到“创新、设计”的实验水平。通过预约的方式，实施了课内与课外、必修与选修相结合的开放运行模式，提高了实验效率和资源利用率，为学员的基础实验和创新设计提供了开放平台，对学员的实践能力和创新能力培养起到了积极作用。
5.加强教员队伍建设
以“为人师、精业务、强能力”为宗旨，通过经常性的教育理论学习，教学经验交流和MATLAB仿真技术、新型控制元件在工程中的应用等内容的学习与研究，强化了素质教育和创新教育等理念，提高了教员的教学改革能力，形成了热心教学、钻研教学、创新教学的良好氛围；通过“青年教员岗前培训制度”、“青年教员导师帮带制度”、“青年教员提高授课能力培训制度”等，形成了有效的教学管理机制，提高了青年教员的业务素质和教学能力。通过长期的队伍建设，造就了一支教育理念先进、学术水平高、教学能力强、敬业精神好，学历、职称和年龄结构合理的高素质教员队伍。
四、总结
通过近几年的课程建设与改革，“自动控制元件”课程的整体水平有了较大的提高。在学院教学督导组专家对本课程进行的考核和评比检查中，本课程都获得了优良成绩。历年的统计信息和学员反馈的信息表明，学员对教员的教学工作满意度较高，除个别年轻教员的评估为良好外，绝大多数为优秀。学员普遍认为，通过本课程的学习，系统地掌握了自动控制系统中常用的控制元件的结构、原理、特性以及选择和使用方法，在学习能力、实践能力和创新能力方面得到了较大的锻炼和提高，为学习后续专业课程和实际工作打下了良好的基础。
参考文献：
[1]梅晓榕,柏桂珍,张卯瑞.自动控制元件及线路[M].第四版.北京:科学出版社,2007.
[2]王自贤.自动控制元件及线路[M].西安:第二炮兵工程学院出版社,
2005.
[3]周鑫,杨艳丽,张合新.MATLAB在“自动控制元件”课程教学中的应用[J].中国电力教育,2009,(15):77-80.
[4]葛伟亮.自动控制元件[M].北京:北京理工大学出版社,2004.
（责任编辑：刘辉）