“自動控制理論”雙語及網(wǎng)絡(luò)化教學的改革

戴亞平,姚 遠,張 鑫,戴忠健

(北京理工大學自動化學院控制理論與控制工程研究所,北京100081)

0 引言

1998年開始,我校實施“自動控制理論”課程雙語教學,教材用《Modern Control Engineering》[1],后來采用《Modern Control Systems》[2]。我們經(jīng)歷了10年的雙語教學歷程后,針對教學情況與本科學生的學習現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)了以下問題。

(1)自動控制理論屬于理論與實際結(jié)合比較密切的課程,學生接受起來較困難。

(2)學生由于缺少實驗條件而不能用實際裝置來驗證理論學習內(nèi)容,導致學習興趣不高。

(3)學生對經(jīng)典控制算法的學習,在缺乏實際應(yīng)用的背景下難以深度理解。

針對以上問題,我們在教學與實驗上進行了以下幾方面的改革。

(1)制作了詳細的英文教學課件,便于學生學習與課堂筆記。

(2)增加了基于互聯(lián)網(wǎng)的教學示范實驗。通過登陸校園網(wǎng),在課堂上可給學生實時演示控制算法的具體應(yīng)用。

(3)加入了四個現(xiàn)場實驗:①二階系統(tǒng)的PID整定;②狀態(tài)反饋器設(shè)計;③頻率響應(yīng)法的分析與仿真;④魯棒控制系統(tǒng)與設(shè)計。

1 雙語教學中的關(guān)鍵問題

1.1 教學中存在的主要問題

(1)教材問題

目前我校采用了文獻[2]第十版作為教材,能夠更多地給學生啟示。但讓他們獨立閱讀一本有相當難度的英文教科書,會有相當?shù)碾y度。

在2007年,“自動控制理論”授課結(jié)束后,我們就雙語教學進行了一項簡單的調(diào)查,結(jié)果如下:“滿意”占34.1%;“一般”占49.4%;“不滿意”占16.5%。

學生提出的主要問題是:①英文教材內(nèi)容與課件不一致,要求自編一本英文教材;②英文教材內(nèi)容不太適合中國學生;③講課內(nèi)容能聽懂,但不會做題,希望多講習題。

由以上調(diào)查結(jié)果可見,學生對雙語教學的效果滿意程度不高,說明我們的雙語教學效果不理想,還有許多值得改進的地方。

(2)實驗設(shè)備問題

擴招后本科學生人數(shù)增加了好幾倍,而實驗室的數(shù)量卻沒有增加,實驗室設(shè)備沒有及時更新。我們對實驗室調(diào)查表明,對現(xiàn)行實驗“滿意”占27.5%;“一般”占56.5%;而不滿意占16%。

學生提出的主要問題是:①設(shè)備陳舊需要更新;②希望增加多人協(xié)作實驗;③實驗可參與性較差;④對控制原理難以理解。

可見學生對實驗教學狀況滿意程度更低,反映出與雙語教學相配套的實驗教學的狀況令人擔憂。

1.2 為滿足教學要求進行的改進措施

(1)教學課件與教學模式

根據(jù)教學大綱的要求,我們制作了相關(guān)的英文教學課件,使教材中講述不夠詳細的地方在教學課件中得到充分的補充,并針對相關(guān)的關(guān)鍵理論與解題方法補充例證說明。

(2)網(wǎng)絡(luò)化教學與實驗

我校于2005年獲得教育部資助,開始建設(shè)“基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制測量與決策研究生創(chuàng)新實驗室”,使遠程實驗室可實現(xiàn)一個多向互動的知識傳授與學習新模式[3]。

2 自動控制理論教學網(wǎng)站設(shè)計

教學網(wǎng)站的基本組成有如下四個模塊。

1)在線教學模塊

在線教學模塊包含有課堂的在線授課(視頻錄像)、教學大綱、教學進度安排、作業(yè)、典型問題講解和拓展練習等內(nèi)容。這還可以給本校其他學生提供一個輔助教學工具。

2)輔助學習模塊

教學網(wǎng)站網(wǎng)頁界面為Matlab編程環(huán)境。以圖1所示的Bode圖學習為例:網(wǎng)站提供了豐富的典型例題,先讓學生手工繪制Bode圖,然后教師指導學生使用Matlab語言在網(wǎng)站上在線繪制Bode圖。兩張Bode圖比較后再通過改變轉(zhuǎn)折頻率,分析對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

圖1 Bode圖繪制網(wǎng)頁圖

3)控制策略功能模塊

此模塊是以Matlab為工具進行虛擬仿真實驗,用于訓練學生的控制器設(shè)計能力。平臺提供了一個可變參數(shù)的被控對象模型,以及一個可變參數(shù)的PID控制器和一個可變參數(shù)的狀態(tài)反饋控制器。學生可以通過調(diào)整PID參數(shù)和狀態(tài)反饋增益等方法來獲得最佳的控制效果。

4)管理與維護模塊

網(wǎng)站的管理采用多級權(quán)限管理的模式。普通用戶只能瀏覽網(wǎng)站,參與論壇的學術(shù)討論,觀看網(wǎng)絡(luò)實驗。學生除了普通用戶功能以外還可以在網(wǎng)站上進行課件下載,提交作業(yè),使用Matlab仿真平臺進行網(wǎng)絡(luò)實驗并提交實驗報告等功能。助教可完成發(fā)布和更新公告信息、留言信息、管理員信息、作業(yè)信息、教學進度、教學計劃信息以及答疑信息等任務(wù),并擁有對普通用戶和學生用戶的管理權(quán)限。教師還可以對學生提交的作業(yè)及實驗報告打分。

3 遠程自動控制實驗系統(tǒng)

如果在“自動控制理論”的教學中,能夠一邊上課一邊進行實驗演示,來說明自動控制理論的具體應(yīng)用,對學生接受相應(yīng)的知識點無疑是一個很好的促進。我們在網(wǎng)絡(luò)化的遠程自動控制實驗系統(tǒng)上進行倒立擺實驗為例,來說明該系統(tǒng)的功能。

學生登錄遠程實驗室之后,首先打開倒立擺遠程創(chuàng)新實驗的網(wǎng)頁,根據(jù)“自動控制理論”課程中學到的控制方法使用Matlab設(shè)計控制器,然后將控制器和建好的數(shù)學模型連接起來進行仿真實驗。當仿真實驗取得滿意的結(jié)果后,才允許學生進行實物的控制實驗。學生重新登錄網(wǎng)頁,在網(wǎng)頁中下載用于控制該實驗設(shè)備的Simulink模型文件,如圖2所示。然后將自己新設(shè)計的控制器替換這個Simulink模型文件中原有的控制器,再將修改后的Simulink模型文件上傳網(wǎng)站。

圖2 針對倒立擺的Simulink參考模型

服務(wù)器將自動調(diào)用用戶上傳的Simulink模型文件來控制實驗設(shè)備。在實驗過程中,用戶可以在網(wǎng)頁視頻窗口中實時觀看實驗設(shè)備運行狀況。實驗結(jié)束后顯示實驗過程中產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)和實驗曲線,如圖3所示。

4 民意調(diào)查的結(jié)果與分析

在進行多項改革后,我們于2008年再次對雙語教學進行調(diào)查,其結(jié)果如下:“滿意”占59.7%;“一般”占40.3%;“不滿意”為0%。

圖3 倒立擺實驗結(jié)果傳送到用戶的介面

學生提出的主要問題有:①課件應(yīng)該準備中英文兩份;②應(yīng)多布置一些例題;③希望講解得更細致一些。

對現(xiàn)場實驗的調(diào)查結(jié)果如下:“滿意”占84%;“一般”占16%;“不滿意”為0%。

學生提出的主要問題有:①希望提供更多設(shè)備;②應(yīng)增加實驗內(nèi)容。

對遠程實驗的調(diào)查結(jié)果如下:“滿意”占72%;“一般”占16%;“不滿意人數(shù)”為0%。

學生提出的主要問題有:①網(wǎng)站應(yīng)公布習題答案,便于學習;②希望增加圖形的顯示功能。

由調(diào)查可以看出,對于雙語教學的滿意程度已經(jīng)由2007年的34.1%,上升到了59.7%。對于雙語教學不滿意的人數(shù),已經(jīng)從16.5%下降到0%。

5 結(jié)語

為了促進“自動控制理論”的雙語和網(wǎng)絡(luò)化教學,我們采取了多種教學改革措施,并建立了一個教學網(wǎng)站。教師可以應(yīng)用此網(wǎng)站在多媒體教室聯(lián)網(wǎng)輔助授課,學生在課后也可以隨時查看網(wǎng)站的教學資源,進行相關(guān)的控制實驗。此網(wǎng)站為師生提供一個溝通互動的環(huán)境,不僅延續(xù)了課堂教學,彌補了傳統(tǒng)教學的不足,學生之間可以資源共享,達到了提高學習效率和改善教學效果的目標。

[1] Katsihiko Ogata,“M odern Control Engineering”[M].北京:清華大學出版社,2006,第4版

[2] R.C.Dorf,R.H.Bishop“Modern Control systems”[M].北京:高等教育出版社,2006,第十版

[3] 戴亞平,田德振,董芳艷.混合結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)資源共享和遠程控制實驗室[J].北京:儀器儀表學報[J].2008(2):250-255