建设精品课程“控制工程基础”的几点体会

建设精品课程“控制工程基础”的几点体会

董景新

(清华大学，北京100084)

在创建“控制工程基础”国家级精品课的过程中，课程教学组狠抓教材和教学实验等方面的建设，其成果也获得了校内外广泛的认可，下面将建设情况及体会与同行们分享。

1　课程建设的指导思想

控制工程基础课程主要是针对现代仪器仪表和机械设备发展中越来越多地应用控制理论和控制技术这一明显而重要的趋势，讲述以机械运动量作为主要控制量的有关反馈自动控制技术的基础理论。

本课程建设和改革的指导思想是:注重理论讲授与实验操作的结合，着眼于学生综合素质的培养。教学过程中抓住讲授、讨论、作业、实验、考核、教材等课程六要素，构建适应现代社会对复合型人才需求和适应现代科学技术发展趋势的新的课程内容体系，按照国家级精品课的标准建成国内一流的课程。

2　教学内容体现基础性、前沿性、创造性

本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等先修课的基础上，使学生掌握机电控制系统的基本原理及必要的实用知识。控制工程基础课程内容是控制理论和工程应用结合的产物，其中主要的经典控制理论部分是整个自动控制理论(包括现代控制理论)的基础。“控制工程基础”课程是一门专业基础课，该课程仅清华大学目前每年有240～300名学生上课，被列为清华大学大机类(含仪器类、机械类等各专业)的平台课，内容必须体现出基础性。

该课程引入了现代仪器仪表和机械设备中用到的包括MATLAB控制系统分析仿真软件工具等控制理论新方法、新技术。随着机电一体化技术的发展，该课程不仅在就业以后的科研创新中起到作用，在仪器类机械类等专业的毕业设计、SRT活动中也占有较大的比重，并成为研究生入学考试中考生人数最多的专业基础课之一。这些反映了该课程在产品创新和传统产业改造中起到重要的作用，必须体现出前沿性和创造性。该课程针对仪器类机械类等专业不断更新的特点，围绕促进学生创新意识、为进入研究型学习打下基础和创造条件。

3　课程教学体系

该课程每年度承担的教学任务为240～300人，48学时。其知识模块顺序及对应的学时见图1所示。

4　打造精品教材

为了配合精品课建设，我们在自己编写的《控制工程基础》(第1版)的基础上，于2003年编写了《控制工程基础》(第2版)教材。主要内容包括:控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹法、控制系统的非线性问题、计算机控制系统、MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用。

图1　课程知识模块顺序及对应的学时

该教材被列为普通高等教育“十五”国家级规划教材，并被评为北京市高等教育精品教材。该教材自2003年8月出版以来除在我校使用外，同时被国内几十所大学也选作教材及研究生入学考试参考书，5年时间内就印刷10次，总印数已达60 000册。这次新版教材在原书的基础上各章都作了或多或少的补充和修改。尤其对于其中内容发展较快的第十章“计算机控制系统”、第十一章“MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用”完全重写，第二章“控制系统的动态数学模型”、第四章“控制系统的频率特性”、第七章“控制系统的综合与校正”也有很大改动。新版教材的内容更新率约为30%，较好地体现了先进性的要求。

该教材被新加坡Thomson出版公司看中，成为新加坡Thomson出版公司在清华大学出版社教材中翻译成英文教材的首批7本教材之一，英文教材书名为Introduction to Control Engineering，于2008年正式出版。一方面为双语教学提供条件，另一方面也为国内教材跨出国门走向世界迈出了一步。

为了不断适应科学技术的发展，精益求精，课题组将主要教材《控制工程基础》(第3 版)的编写纳入“十一五”国家级规划教材项目，并于2009年6月由清华大学出版社正式出版。版教材在原书的基础上各章都进一步做了或多或少的补充和修改。其中主要的变动为:①原第2版第十一章“MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用”的内容分散到各章，并作了较大的补充和扩展;②第五章“控制系统的稳定性分析”中的乃奎斯特判据证明由原来米哈伊洛夫定理作为引理改为采用映射定理证明，更加适应当前学生的知识结构;③第十章“计算机控制系统”按照更加便于工程应用的原则重写;④第九章“控制系统的非线性问题”增加了李雅普诺夫方法和计算机仿真方法的内容，第六章增加了干扰引起系统误差的分析和解决方法的内容。

图2　自编教材

图3　《控制工程基础》(第3版)

5　利用多媒体教学的课堂讲授

为了适应现代化教学的需要，提高教学效率，根据课程特点采用行之有效的多媒体教学，增加课堂信息量，我们制作并逐年更新PPT多媒体课件。根据技术发展经常补充新课件内容，经过几年不断更新讲课内容的积累，已形成较为完备的PPT多媒体课件。

课堂授课我们注意讲重点、讲难点、讲思路、讲方法、讲学科前沿，努力做到少、精、宽、新;以知识为载体，培养学生分析解决问题的思维方式和方法;培养学生创新思维能力。

课堂讲授突出授课内容的基本思路，着重课程基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明。选择典型的习题入手，有重点地讨论，引导学生的学习兴趣，培养学生获取知识、产生知识的能力。

6　自行设计建造教学实验及设备

为了促进创新性研究型教学体系的建立，我们十分重视课程实验教学环节，从传统的演示性、验证性实验，发展成综合性、设计型实验，并进一步为研究型实验打下基础，让学生真正作为实验教学活动的主体，充分发挥其创造性思维和独立分析、综合及解决问题的能力。

我们课程共设置三个基本实验。实验一是“控制系统的时域分析、频域分析及系统综合仿真”(3学时)，利用学校CAD机房选用当今国际先进的MATLAB控制系统分析软件进行。实验二“双环调速系统”实验(3学时)、以及实验三“电压-机械工作台位移伺服系统”实验(3学时)是贯穿整个课程内容的综合性实验。在实验一利用软件工具自行设计进行系统综合校正的仿真基础上，要求学生实测系统各部件的传递函数、自行设计并进行实物系统的综合校正实验，最后完成实验报告。

教学实验装置是我们自行开发制作的，是仪器和机械设备运动控制基础性实验。选用的主要元部件包括:HEDL-5540#A11光电编码器，直线X200-TEST工作台，70SZD01-24CFBMQ机组，PWM功率驱动器，HEDL-2016计数器，100 W变压器，速度调节器、位置调节器及实验箱等。我们共制作了16套实验装置，形成了一定的规模，受到了学生的欢迎。

图4　自制实验箱

实验基地建设完成后，已有六届学生超过1 300名学生利用该实验条件进行了实验，包括30名德国留学生。

同时，我们利用实验室条件，在学生自愿报名的基础上，累计选择了近20名学习基础较好的学生进行深入一步的教学实验研究，平均每人多用约24学时，相当于额外加一门选修实验课，加强了学生的实验动手能力。教学实验室还累积接纳参加SRT活动的本科生6名，锻炼了学生科技实践能力。

另外，我们还自行开发了计算机控制教学实验装置和倒立摆教学实验装置用于演示实验，同时供后续课程和科技活动进一步研究的学生作为实验对象。

图5　教学实验一览

为了更好指导实验，我们编写并由清华大学出版社于2007年2月正式出版了《控制工程基础实验指导》。

图6　自编实验指导书

对于我们的实验，学生普遍反映很好，例如，汽车系汽92张孟俊在实验报告后写到:

“此次实验，首先是在理论指导下，采用数学工具matlab的绘图和辅助分析功能，进行试验内容的仿真练习，这样就有了一个基本的认识，并且实现了数学软件和控制理论的良好结合，从而使计算简单方便可靠(比方simulink的使用)。

此后进行具体的实际运动控制系统的操作和试验，将理论运用到实践，进一步了解和掌握了校正调节的原理和方法，这一过程，极大地调动了大家的学习积极性，是对控制工程理论基础知识的综合运用和理解发挥的考验，所以做好这个实验的每一步都不容易，但是做好的每一步都是对理论知识的巩固提高。实验带动了课程理论的学习，同时又不拘泥于理论的条条框框，给予大家很大的思维空间，是创新思维的发源地之一，所以，我很重视实验的过程和数据的合理正确分析，对于趋势判断则更是加深了理性认识。”

在总结教学实验环节上，教师事先将思考题公布，促进学生深入总结，使学生进一步深化了对该课程基本内容的理解和掌握。

7　重视作业、利用网络学堂搞好课外教学

作业是该课程十分重要的环节，我们采取对于学生作业全部批改的方式。针对改作业时发现的较普遍存在的问题，利用课堂时间，进行重点讲解讨论。

为了便于学生自学，2003年10月，我们制作了由清华大学出版社出版的《控制工程基础》基础部分习题解光盘。2005年8月，我们还编写了在清华大学出版社出版的《控制工程基础习题解》(教师专用)，为选用该教材的兄弟院校教学提供了方便。在广大自学我们教材的科技人员的呼吁下，2009年我们又编写了面向所有人员的《控制工程基础习题解》，已由清华大学出版社出版。

图7　自编习题集光盘(学生用)及习题解

本课程充分利用学校网络辅助教学环境，将教材外的补充内容放在网上，便于学生查看，网上放置了授课教案、补充材料、实验指导书，布置有关作业、师生讨论、发布公告等。同时我们已将课堂教学全程录像，整理编辑后也放在网上，便于学生查看，并为远程教学打下基础。

8　重视考试环节、促进课程内容的掌握巩固和综合应用

我们将考试看成促进学生课程内容的巩固和综合应用的环节。课程总成绩由讨论、作业、实验研究和项目训练和期末考试几部分组成，以闭卷考试成绩为主(占60%)，考试题中增加实验内容中抽出来的考题以及促进思考的考题。另外，对课程考试还做了一定改革，除大部分学生参加闭卷考试外，对于参加教学实验研究的学生，可以通过提交与课程内容相关的论文并通过口试代替闭卷笔试。考后利用课外时间自由参加总结考试。

以上精品课建设的工作得到仪器仪表教学指导委员会各位老师的指导和支持，并给予我们充分肯定，在此我们课组表示感谢，决心与同行互相学习，继续努力。