摘要：从现代教育技术发展与应用的角度，结合自动化专业核心课程教学体系、实验体系的特点及现状，对其内涵、教学改革等问题进行进一步探讨，创建了一种直观、形象、高效的教学平台。
关键词：自动化；教学平台；核心课程
作者简介：赵艳花（1982-），女，河南濮阳人，洛阳理工学院电气工程与自动化系，讲师；王晓丽（1980-），女，河南郑州人，洛阳理工学院电气工程与自动化系，助教。（河南 洛阳 471023）
基金项目：本文系河南省高等教育教学改革重点研究项目（项目编号：2009SJGLX051）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）23-0074-02
对于自动化专业的学生，最重要的是要有扎实的理论基础，较宽的专业知识，较强的创新能力以及较高的综合素质。然而受多种因素制约，传统意义上的教学在应用性、实践性和培养学生创新性等方面比较薄弱，亟待改进。随着计算机技术的迅速发展，在客观上要求高校教学增加相应的教学内容，使学生具备一定的计算机应用能力，尤其是具备用计算机解决本专业问题的能力。但是由于课程设置、教材内容的选择以及前后课程的统筹安排等问题，很难形成一个完整的系统的课程体系，将计算机应用能力和专业问题的解决结合在一起，是近年来高校教学研究中的重要议题之一。
一、开发核心课程教学平台的必要性
对于理工科院校而言，尤其是自动化专业的课程，一个非常显著的特点就是都含有相当一部分的数值计算和绘图问题，这是令老师和同学们都非常头疼的问题，采用传统的课堂讲授教学方式，老师花费了大量的时间和精力，学生仍感觉抽象、繁琐、无趣味，教学效果不理想，同时由于种种原因，学生的计算机应用能力很差，几乎不会用计算机来解决专业问题。
MATLAB是一个多领域、多学科、多功能的优秀科技应用软件。由于功能强大和运行效率高，MATLAB在工程领域赢得了广泛的赞誉，自动化专业都纷纷开设了MATLAB相关课程方便的进行计算和绘图，但大多都是单独开设作为选修课或任选课，同学们的收效较小。没有直接的跟专业课程学习相结合，给同学们的感觉是互不相干的两门课程。
结合我校发展教学型本科院校的实际，本项目旨在理论或实验教学内容上将MATLAB语言应用到专业课程之中，并采购了基于MATLAB的一系列控制系统教学平台，如图1所示。
通过基于MATLAB的直线一级摆、板球系统、环形杂技摆、自平衡小车等控制系统的数学模型建立，设计、改进控制器，优化控制效果，可以直观的理解所学到的自动化专业课程，通过该平台使同学们更清楚的认识基本原理、计算方法、先进技术，提高了学习相关知识的效率，反过来又加深对理论知识的理解，同时培养了同学们用计算机辅助分析设计系统的能力。不仅对学习掌握和应用课程有帮助，还可以学会使用计算机来辅助分析设计控制系统，达到边学边用，有效发挥MATLAB的服务功能，为培养和训练学生计算机分析和解决问题以及科研能力方面打下基础。
二、核心课程教学平台的研究内容
自动化专业的核心课程包括“自动控制原理”、“运动控制系统”、“计算机控制系统”、“自动化装置”、“过程控制系统”、“电力电子技术”等，其中“自动控制原理”、“运动控制系统”、“计算机控制系统”、“电力电子技术”等课程中有较多的控制系统的分析、计算和绘图，比如奈氏曲线、Bode图等都可采用MATLAB软件方便地绘图计算，另外如图1所示的控制系统平台可通过MATLAB软件构建仿真模型进行分析，设计控制器，既可以离线仿真也可以实时仿真，可以直观看到所设计控制器的效果，调动了学生们的学习积极性，提高了学习效率。
如“自动控制原理”课程的本科教学有80个学时，其中64个学时的理论教学中，有很多计算和绘图可以用MATLAB仿真完成，用计算机来辅助分析设计控制系统；14个学时的实验教学中，传统实验都是教学实验台上的验证性实验，学生们做起来感觉机械无趣，可以用4或6个学时的MATLAB仿真设计性实验，利用传统试验台的实物模型，讲解给定控制系统传递函数后，然后再在此基础上把实验的实现过程逐渐过渡到MATLAB软件完成，实现理论与实践逐步结合，克服了学生纯粹在MATLAB模拟实验的盲目性。也可开发学生独立完成的设计性实验，如经典的PID控制，同学们可以用MATLAB以及SIMULINK构建控制器和系统模型，让同学们动手做自己想做的自动控制系统。
1.控制系统辅助分析设计，提高效率，增加趣味性
在MATLAB软件的支持下，通过分析系统闭环极点的分布判断系统稳定性，借助MATLAB可以分析低阶高阶系统稳定性及动态性能、稳态性能，绘制系统的根轨迹、奈奎斯特频率特性曲线，对书频率特性曲线和开环系统、闭环系统阶跃响应以及脉冲响应等曲线变得轻松自如，老师和学生们不必花过多的时间和精力在手工绘图和计算上，可以投入更多的精力去理解、思考、分析控制系统，提高课堂学的质量和效率。
现在学生学习计算机的热情很高，将MATLAB应用到教学中，可以将一些学生很难理解的内容，用MATLAB图形及动画的形式展示出来，可以帮助学生加深印象，开拓思维，改善教学氛围，增加趣味性。
2.结合传统模拟实验台和MATLAB平台，开发设计性实验
传统的实验在模拟机上完成，然后在模拟机上把表示相应典型环节的模块连接起来，通过示波器观察系统的响应和各项动态指标，这样的实验方式虽然在培养学生动手能力、加深学生对实物模型的认识、理解等方面有一定的作用，但在新形式下的自动控制实验教学中，无论是“量”和“质”上都不能满足要求。我们结合MATLAB软件开发了设计性实验，借助MATLAB功能强大的控制系统分析功能和交互性能良好的图形用户界面，能有效地克服传统实验课时紧张、设备陈旧、操作复杂等局限，从而使实验焕发新的生机。如图2为设计性实验，利用MATLAB及robot工具箱，将二自由度机器人数学和几何模型建立，并设计PD控制器，实现二自由度机器人的角度及位置控制仿真，从而让同学们可以自己独立设计控制系统，不再局限于模拟机上典型环节的抽象控制，可以直观地看到控制对象，设计控制结构图，直接从示波器上、从三维模拟空间图上看到控制效果，提高了同学们设计实验的热情。
仿真设计性实验基于MATLAB和Simulink平台，让参与者自己去设计系统模型，选择控制器，其创造性、想象力可以在仿真平台上尽情地发挥与展现。每个仿真模型建立的过程，从构思、搭建到调试通过，直至最后得出控制效果，就是一次对专业知识、数理知识和计算机知识的复习、巩固、完善与提高。
3.实时仿真提高计算机解决专业问题能力
图2所示的直线一级摆、板球系统、环形杂技摆、自平衡小车等控制系统平台给同学们提供了一个直观形象的平台，让同学们从理论走到实践，从控制系统数学模型的建立，控制器的设计，控制的效果等整个控制系统的控制过程直观的呈现出来。可供教学演示及实验的实验有：直线一级摆时域、频域、根轨迹分析，直线一级摆PID控制，板球PID控制，自平衡小车PID控制等。
基于MATLAB平台，学生可以独立设计控制器，可以离线仿真，可以实时仿真，调动了同学们学习的积极性，同时又提高了计算机应用能力。实现以下教学目标：用形象代替抽象；用深刻代替繁琐；用趣味代替无趣。
三、结束语
专业课的教学改革是一个长期的过程，一个不断研究、不断创新的艰苦过程。我们对自动化类专业课程的教学改革进行了初步探索，课程的教学质量得到了较大的提高，不但提高了同学们的计算机应用能力，也提高了同学们解决专业技术问题的效率，为培养和训练学生分析和解决问题以及科研能力打下了基础。
参考文献：
[1]张彩霞.电气工程与自动化专业综合实验平台建设的思考与探索[J].实验室科学,2008,(4):107-109.
[2]徐占国,冯冬菊.关于电力电子与自控系统实验教学的探讨[J],实验室科学,2010,13(5):26-28.
[3]盖彦荣,等.利用MATLAB来改进自动控制原理实验[J].实验科学与技术,2008,(10):68-70.
[4]陈卫红,张伟勇,胡长松.基于MATLAB语言的自动控制原理多媒体教学研究[J].电气电子教学学报,2002,(12).
[5]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
[6]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.
[7]董嘉佳,等.电气工程与自动化专业人才培养方案的修订[A].第六届全国高等学校电气工程与自动化专业教学改革研讨会论文集[C].
[8]陈力,陈军辉.应用仿真技术改进化工自动化课程实践教学[J].河北化工,2009,32(2):72-73.
[9]李丽霞,等.应用型本科院校《自动控制原理》课程教学探讨[J].沈阳工程学院学报(社会科学版),2008,4(3):421-423.
[10]李萍,厉虹,侯怀昌.电气工程与自动化专业运动控制系统课程实验教学改革探讨[J].教育理论与实践,2010,30(5):61-63.
[11]萧德云,等.自动化专业课程体系结构研究[Z].
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文