自動控制理論教學改革的思路與實踐

[摘 要) 針對《自動控制理論》課程的特點，分析了該課程目前教學存在的問題。結合教學改革實踐提出傳統(tǒng)教學模式與現(xiàn)代教學手段要相互配合，取長補短。實踐表明，這種教學方式有助于教學質量的提高。

[關鍵詞] 教學改革，自動控制理論，教學質量。

[中圖分類號] TP13 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634(2006)05-0433-04

深化教學改革，提高教學質量，強調素質教育是當前高等學校教改的重要主題，質量意識已經成為高等教育改革的共識。工作在教學一線的教師是改革的執(zhí)行者，在具體教學的過程中不斷摸索、實踐新的教學理念、教學方法尤為重要。在“自動控制理論”的教學工作中，要理解社會發(fā)展變革對其新的要求，調整具體的授課思路與方法。新的教學方法也要在實踐中不斷地驗證、更新。

1 課程的特點

“自動控制理論”課程是電氣自動化專業(yè)的一門理論性很強的技術基礎課，也是其它電類、機電類專業(yè)的一門主干課程，在教學上占有重要的地位，一般都在大學三年級第一學期或第二學期開設。這門課有其自身的特點，如知識系統(tǒng)較為緊密，計算性強、作圖方法多；涉及的數學基礎知識較多(高等數學、線性代數、積分變換、復變函數等)；與工程實際聯(lián)系較為緊密：應用定性理論的場合較多。

2 存在的問題

對于電類學生而言，“自動控制系統(tǒng)”是本專業(yè)學生完成專業(yè)基礎課程后，開設的第一門專業(yè)課。由于大多學生在先修課程中習慣了定量化、精確化的分析方法，而不習慣用物理概念進行系統(tǒng)定性分析，特別是如何針對實際系統(tǒng)存在的問題，采取相應的分析和設計更是他們在學習方法上的薄弱之處。對知識的掌握僅僅限于簡單的背結論，套公式，做計算題。不了解理論的工程應用意義，不了解分析問題的宋龍去脈，結果一門課程結束了，不知道所學的東西干什么用。

授課形式單一。在傳統(tǒng)的教學模式下，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數學分析推導，畫大量的曲線，因此課堂教學往往是在索然無味的公式推導、定理證明和手工繪圖。課堂氣氛總是充斥著學生的枯燥、厭煩情緒。

在實驗教學環(huán)節(jié)中，過去大多實驗裝置陳舊，功能單一，直流的多，交流的少；驗證型實驗多，設計型實驗少。這樣難以鍛煉學生的設計能力，也難以激發(fā)學生們的學習興趣。對于學生自學能力的培養(yǎng)，設計能力的開發(fā)都存在著極大的阻礙作用。

3 改革的思路與實踐

3．1堅持課程地位，精心準備緒論

系統(tǒng)論，信息論，控制論是支撐現(xiàn)代社會發(fā)展的基本理論要素。能夠靈活運用控制的思想，不僅僅解決工業(yè)工程問題，同時將其外延擴展到經濟問題，人口問題等社會問題是所有控制學者的一個共識，并且也取得了很多重要的成果。作為控制論的入門課程，必須要讓學生在首次接觸課程的同時，將一個異常開闊的視野展示在他們面前，而不是讓其產生這僅僅是公式推導，純粹理論堆積的錯覺，進而刺激學生求知、探索的興趣和激情。鮮活生動的應用實例，甚至具體的視頻展示則正是沖擊和震撼學生這種思維的最好手段。同時更應強調作為基礎的“自動控制原理”課程所處的位置。“工欲善其事，必先利其器”的道理也正是課程重要性的所在，課程地位、作用的凸現(xiàn)也是順理成章的事情。因此作為課程開端的緒論顯得尤為重要。摒棄傳統(tǒng)教學中發(fā)展歷史的簡單羅列，取而代之的是聲情并茂的圖文、視頻展示，既融入了大量專業(yè)信息，又激發(fā)學生的興趣，取得了事半功倍的效果。

3．2強化數學基礎，改變思維方式

不管學生如何厭煩數學理論推導，一定的數學基礎是必要的。線性代數，復變函數，高等數學，矩陣論等等一些相關的基礎理論和應用是反饋控制中的基本數學工具。但是，這些各代表數學科學分支的全部理論并不是學好課程的必備之需，實際課程中也僅僅用到部分相關知識，但這些又是必要的。因此事先抽出少量時間給學生補習諸如拉普拉斯變換、傅立葉變換、三角變換、積分變換、留數定理、矩陣分析等數學知識，則可避免教學過程中出現(xiàn)的教師思路清晰，學生不知所云的尷尬局面。

自動控制原理這一課程所涉及的研究對象都是實際的、具體的、復雜的，在進行理論研究和分析處理的各個環(huán)節(jié)，都需要適當的理論近似，以便抓住主要因素，忽略次要因素，獲得有用的結果。在整個課程的教學中，經常使用定性分析與定量估算的工程處理方法，這是本課程教學的突出特點。這與基礎課中研究對象都是理想化的、理論分析的邏輯過程都是十分嚴謹的特點不同。因而，學生在學習中容易受到基礎課學習中形成的思維定勢的影響，不能掌握本課程應有的思維方式和處理問題的技巧，給教學造成一些困難。因此，教師要有目的、有計劃、有步驟地結合教學的具體內容對學生進行思維方式的說明、指導和訓練，使學生理解并掌握諸如典型化、線性化等處理方法和意義，這也是自動控制課程教學的重要內容。

3．3改進授課形式，充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學特色，合理利用現(xiàn)代化教學資源

教學改革的實踐表明，掌握方法最為重要，那些要死記硬背的公式只要會查就可以了，方法的掌握是長久的，而公式的記憶是短暫的。使學生既有意識地認識到反饋的實質，也能潛移默化地感悟到控制專家面對復雜問題時的創(chuàng)新思維過程。并動態(tài)調整教學大綱，使教學內容始終保持先進性、實用性和科學性。這樣在內容上精而不缺，新而可達，避免了不必要的重復講解，給學生發(fā)揮組織知識、綜合知識的能力留有余地。這樣就始終保持了課程的先進性，學生學習理論的新鮮感。

隨著現(xiàn)代化教學資源的不斷豐富，全新的教學模式和教學手段涌進了課堂。但在教學過程中發(fā)現(xiàn)，全面“現(xiàn)代化”并不是改善教學效果，增強教學水平，提高學習效率的最佳手段。擴充課堂信息，節(jié)約課上時間，提高教學效率的初衷沒有得到完全體現(xiàn)，相反，學生認為這僅僅是簡單的“教案平移，黑板搬家”，課堂節(jié)奏過于單一。過快的速度，過多的信息以及一些推導過程的省略使得學生對于知識理論的理解過于粗糙，甚至一片茫然。因此，教學軟件的使用要有度，傳統(tǒng)的板書教學仍然是必不可少的。二者的合理結合是改善教學效果，教師學生都能接受和認可的有效途徑。費時費力的繪圖，文字書寫，結果對比可以采用課件形式以提高效率，而應用數學理論與技巧進行系統(tǒng)推導、分析的過程則可以采用傳統(tǒng)的教學方法，以加深印象，凸現(xiàn)該部分的重要性。同時要注重課堂互動，教師對學生的提問，學生對教師教學內容有代表性的疑問，很多時候都可起到強化的效果，同樣不可或缺。此外，在更高層次上，還可以幫助學生進一步研究所得結果有無推廣價值和普遍意義，從而把孤立的知識點變?yōu)椴粩嘀赶驅嶋H問題方法論知識。

利用多媒體技術和網絡技術構建CAI課件使用環(huán)境，通過各種課件的使用使學生能夠自主學習各類課程，并引入解決難點的技巧。在“自動控制系統(tǒng)”的教學實踐中，利用MATLAB語言作為“自動控制系統(tǒng)”計算機輔助教學的工具。從圖形交互式的仿真環(huán)境SIMULINK入手，在SIMU—LINK仿真環(huán)境下，簡捷、直觀地建立系統(tǒng)的靜、動態(tài)仿真模型；通過系統(tǒng)仿真，以圖形方式生動、直觀地再現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)響應，并在模擬示波器中觀察系統(tǒng)中各物理量的動態(tài)波形。

MATLAB軟件的引入，將計算機輔助分析與設計得到簡化，例如在自動控制原理課程中常采用各種圖形進行分析，而圖形的獲取又很困難。如果采用MATLAB語言只需簡單指令立即就可以得到。使學生有了應用計算機的條件和興趣，幫助學生建立正確的專業(yè)思想。如講解二階系統(tǒng)阻尼比對系統(tǒng)階躍響應的影響時，編寫如下的簡單程序：可得到圖1的仿真結果。采用圖1所示的仿真圖，與傳統(tǒng)板書中的示意圖相比，既節(jié)約時間，又增強結果的直觀性、可信度。如圖2所示，在對系統(tǒng)進行分析設計時，運用MATLAB工具箱命令rltool(sys)，系統(tǒng)的階躍響應，脈沖響應，根軌跡，Bode圖，Nychols圖，Nyquist圖，以及校正環(huán)節(jié)配置不同的零極點對以上各圖的影響一目了然，省時省力，可達到事半功倍的效果。

利用課堂中的多媒體技術，逐漸將MATLAB仿真技術滲透到課程講授的各個部分，不求一步到位，只求步步為營，使課堂形式既豐富又輕松，力爭給學生留下“過目不忘”的感受。MATLAB的介入要循序漸近，從簡單函數的調用、簡單編程直到復雜編程，但由于課時的限制，不可占用過多的時間，因為它畢竟是一種輔助教學手段，不能取代課程的內容和地位，因此可以淡化過程(程序編寫、解釋過程，SIMULINK搭建過程)，甚至省略過程，只讓學生觀察仿真結果。亦可從基本操作入手，逐步過渡到模型建立、計算機輔助分析、輔助設計上來。其中可穿插自動控制領域中常用工具箱(如控制系統(tǒng)工具箱，模糊控制工具箱，最優(yōu)控制工具箱等)中最基本的內容，最主要的是要引導學生認識和注重系統(tǒng)仿真。具體的操作和編程留給后續(xù)課程或學生課下自學。對控制系統(tǒng)分析、設計及仿真內容循序漸進的引入，既活躍了課堂氣氛，提高了授課質量和效率，又達到了培養(yǎng)學生科學研究能力，注重掌握方法論的目的。

3．4加強實踐環(huán)節(jié)，改變傳統(tǒng)模式

過去大多實驗裝置陳舊，功能單一且多為驗證型實驗，設計型實驗少之又少。本應是學生自己發(fā)揮想象力，靈活應用書本理論的環(huán)節(jié)又變成了程式化的“任務”，這不利于鍛煉學生的設計能力，也難以激發(fā)學生的學習興趣。此外，一些實驗設備靈活性差，可擴充性不好，同樣也限制學生想象空間。

在實驗教學實踐中，通過加強虛擬仿真實驗建設，充分發(fā)揮互聯(lián)網絡作用，開設開放型實驗的方法，大大擴充了學生的知識面和活學活用的能力。

將傳統(tǒng)實驗內容及相關實驗設備信息全部上網，學生可以通過互聯(lián)網了解實驗內容及實驗設備的使用方法。同時建立實驗室開放機制，提供可以同時完成多種控制實驗的實驗平臺，而實驗內容、實驗時間由學生自己選擇。隨著課程的講解，驗證型實驗可有針對性地同步進行，加深對理論的理解。隨著課程的深入，知識的貫穿綜合，一些綜合性、設計型實驗可由教師指導，學生自行設計完成。這就留給了學生更廣闊的思維和實踐的空間。MATLAB仿真軟件的強大功能，同樣提供了一個虛擬仿真的平臺。在SIMULINK仿真環(huán)境下，可較容易的實現(xiàn)與模擬設備同樣效果的系統(tǒng)，在此基礎上分析系統(tǒng)的特性，完成設計任務，使得實踐環(huán)節(jié)既輕松，又隨心所欲，更便于知識的擴展和深入討論，大大提高了實驗的效率和質量。

在多年的教學實踐中，通過不斷摸索和改進，上述方法已得到實施，并取得了一定的效果。本課程既是專業(yè)主干課，同時也是電類研究生入學考試專業(yè)考核科目，通過幾年的實踐統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學與現(xiàn)代教學的有機結合，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，有助于教學質量的提高。

總之，教學模式改革，教學方法改進是教育教學中永恒的話題，既需要大膽的嘗試，同樣更需要在實踐中不斷探索、驗證、再改進，尋求適應現(xiàn)代高等教育的有效途徑。

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