自動(dòng)控制原理立體化教學(xué)新體系的探索與實(shí)踐

徐穎秦，潘 豐

（輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫214122）

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的主要基礎(chǔ)課。該課程不僅對工程技術(shù)有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，對培養(yǎng)學(xué)生辯證思維能力、綜合分析和解決問題的能力、建立理論聯(lián)系實(shí)際和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的科學(xué)觀點(diǎn)都具有重要的指導(dǎo)作用，現(xiàn)已成為江南大學(xué)十多個(gè)專業(yè)層次普遍開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課［1］。

為適應(yīng)不同層次和復(fù)合型人才的培養(yǎng)以及現(xiàn)代化教學(xué)的需求，總結(jié)多年來的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)和成果，尤其是進(jìn)入新世紀(jì)以來的不斷探索，在優(yōu)化課程體系、創(chuàng)新教學(xué)方法和教學(xué)平臺(tái)、創(chuàng)建多功能教材等方面均取得了顯著的成果，形成了自己的課程特色和教學(xué)理念，逐步創(chuàng)立了自動(dòng)控制原理立體化教學(xué)新體系，其組成見圖1所示。

圖1 立體化教學(xué)體系Fig.1 Sstereo teaching system

1 多層次課程體系

1.1 課程體系的設(shè)計(jì)

根據(jù)培養(yǎng)不同層次人才的需求，對于不同層次的專業(yè)方向，設(shè)計(jì)了不同層次的課程體系，如表1所示，以優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)選適用教材，提高教學(xué)質(zhì)量。

如對控制理論要求較強(qiáng)的自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，要扎實(shí)而細(xì)致地學(xué)完自動(dòng)控制理論的全部內(nèi)容，選用本校課題組主編的精品教材《自動(dòng)控制原理》，該教材具有前瞻性、系統(tǒng)性和理論性強(qiáng)。

對側(cè)重于信號處理的電子信息工程和通信工程專業(yè)，則注重學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的信號分析和處理方法，選用黃堅(jiān)教授主編的國家“十五”教學(xué)研究成果教材《自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用》。

對于機(jī)械類專業(yè)，在學(xué)習(xí)基本分析方法的同時(shí)，注重控制理論在機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用，選用浙江大學(xué)鄒伯敏教授主編的國家級“十一五”規(guī)劃教材《自動(dòng)控制理論》，其特點(diǎn)是注重“三基（基本概念、基本理論和基本方法）”，工程應(yīng)用性較強(qiáng)。

對于全校工科公選的學(xué)生，采用課題組自編的《控制工程基礎(chǔ)》，注重于控制論思想和方法的學(xué)習(xí)。這樣，雖然是同一門課，但對不同的專業(yè)靈活采用不同的課程體系，達(dá)到了培養(yǎng)各類不同層次人才的真正目的。

表1 多層次課程體系Tab.1 Multi－level curriculum system

1.2 課程內(nèi)容的優(yōu)化

課程內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)置，是課程教學(xué)的關(guān)鍵。課程體系中，對于不同的專業(yè)方向，根據(jù)其特點(diǎn)和要求，分別進(jìn)行了不同側(cè)重點(diǎn)的內(nèi)容安排。如對于自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，《自動(dòng)控制原理》課程內(nèi)容組織如圖2所示。

在講授時(shí)，除每一塊基本內(nèi)容外，重點(diǎn)還結(jié)合習(xí)題精解、物理實(shí)體（實(shí)驗(yàn)室直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和雙容水箱的溫度、流量、壓力等控制）和教師自己的科研項(xiàng)目，進(jìn)行實(shí)際演練，使學(xué)生能夠真正掌握本課程的實(shí)質(zhì)和應(yīng)用。

圖2 自動(dòng)控制原理教學(xué)內(nèi)容的組織Fig.2 Teaching contents organization of automatic control principle

2 全方位教材體系

教材是體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識(shí)載體，是深化教學(xué)改革、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要保證［2］。江南大學(xué)一直注重教材建設(shè)，先后編寫過多本自動(dòng)控制原理教材。進(jìn)入新世紀(jì)后，除不斷改革傳統(tǒng)教材，編寫能反映學(xué)科發(fā)展前沿的精品教材，同時(shí)為便于學(xué)生自學(xué)、復(fù)習(xí)和考研，還組織編寫了《自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題解答》、習(xí)題集及解答，與教育資源網(wǎng)聯(lián)合開發(fā)了教學(xué)軟件“自動(dòng)控制原理試題庫和考試管理軟件”等，初步形成了全方位的教材體系。其組成如圖3所示。為教與學(xué)提供了幫助、拓寬了思路。

圖3 全方位教材體系Fig.3 All－round teaching material system

3 多元化教學(xué)方法

為適應(yīng)不同專業(yè)的特點(diǎn)，做到以學(xué)生為本，加強(qiáng)能力培養(yǎng)，教學(xué)體系中對十個(gè)不同專業(yè)分別設(shè)計(jì)了靈活多樣的教學(xué)方法，如重啟發(fā)的探究式教學(xué)、重基礎(chǔ)的專題式教學(xué)、重應(yīng)用的合作式教學(xué)等。

探究式教學(xué)是基于反饋控制的基本思想設(shè)計(jì)的，主要用于自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。其特點(diǎn)是師生雙方共同參與的一種“雙主式”教學(xué)，注重過程和能力培養(yǎng)。方法是在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，以學(xué)生獨(dú)立思考和合作討論為主，在“發(fā)現(xiàn)提出問題 －思考分析問題 －初步解決問題 －反饋解決情況 －完整解決問題”的閉環(huán)探究過程中，通過師生之間的合作與互動(dòng)，從知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀念等方面培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)興趣和主動(dòng)探究能力。對應(yīng)的結(jié)構(gòu)及流程如圖4所示。

圖4 探究式教學(xué)法結(jié)構(gòu)和流程框圖Fig.4 Structure and processes of inquiry teaching method

專題式教學(xué)［3］是基于自動(dòng)控制原理課程的自身特點(diǎn)，針對學(xué)時(shí)較少的弱電類專業(yè)而采用的。其特點(diǎn)是教學(xué)基本內(nèi)容以教材為主，但不拘泥于課本，是一種講座式教學(xué)。將課程內(nèi)容糅合編制成幾個(gè)專題，每個(gè)專題包括：一個(gè)或幾個(gè)核心內(nèi)容（觀點(diǎn)）→目前國內(nèi)外發(fā)展及研究熱點(diǎn)（包括對本學(xué)科有重要貢獻(xiàn)代表人物的典型故事）→在實(shí)踐中的應(yīng)用→提出需思考的問題和學(xué)習(xí)奮斗的目標(biāo)。如對“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)，可分成自動(dòng)控制原理概論、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)分析方法、控制系統(tǒng)綜合方法、控制與自動(dòng)化展望等五個(gè)專題進(jìn)行。在教學(xué)時(shí)注重每個(gè)專題的完整性和各專題之間的緊密聯(lián)系，使整個(gè)課程內(nèi)容緊密銜接，增強(qiáng)了控制理論的系統(tǒng)性。

合作式教學(xué)主要是用于不同專業(yè)而坐在同一課堂的公共選修性課程。其特點(diǎn)是教師能靈活掌握教學(xué)內(nèi)容，緊緊抓住學(xué)生心理，針對不同專業(yè)學(xué)生對同一問題的不同理解，解析自動(dòng)控制理論的基本含義和在不同專業(yè)中的應(yīng)用，使學(xué)生能從不同的專業(yè)角度理解和掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)中所存在的共同規(guī)律，并學(xué)會(huì)用控制理論的思想解決工程中的實(shí)際問題。

4 多功能教學(xué)平臺(tái)

教學(xué)和學(xué)習(xí)軟環(huán)境的建設(shè)是提高教學(xué)質(zhì)量的必要保證，是建立現(xiàn)代教學(xué)模式的前提和基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，多功能網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)不但是課程建設(shè)的核心內(nèi)容之一，而且在正常的教學(xué)中已必不可少。江南大學(xué)《自動(dòng)控制原理》交互式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)以圖文并茂的形式提供了豐富動(dòng)感的教學(xué)信息，形成了一個(gè)集教學(xué)、學(xué)習(xí)、答疑、討論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、研究、考研輔導(dǎo)、信息交流等于一體的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了教育資源共享，形象地反映了專業(yè)知識(shí)模塊的結(jié)構(gòu)，拓寬了學(xué)生的思維空間，充分顯示現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)越性。調(diào)查證明，將板書、多媒體課件及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，會(huì)使得抽象的理論學(xué)習(xí)變得形象而生動(dòng)，教學(xué)效果相益得彰。

5 多形式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>

實(shí)驗(yàn)是“自動(dòng)控制原理”課程必不可少實(shí)踐性環(huán)節(jié)［4］。為突出培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，提高設(shè)計(jì)能力，開發(fā)創(chuàng)新思維，將原來單一的模擬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锇l(fā)展為“實(shí)驗(yàn)箱模擬實(shí)驗(yàn)＋Matlab仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)＋以實(shí)物為對象的研究性實(shí)驗(yàn)＋網(wǎng)絡(luò)在線虛擬實(shí)驗(yàn)”等多種形式并存的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

5.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)包括模擬實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)、以實(shí)物為對象的研究性實(shí)驗(yàn)。為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)功能，提高實(shí)驗(yàn)的靈活性和有效性，引進(jìn)了天煌教儀最新設(shè)備“THKKL－6控制理論實(shí)驗(yàn)儀”。該設(shè)備在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了實(shí)物控制單元，配備了獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集卡和USB2.0接口，直接與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，上位機(jī)軟件集中了虛擬示波器、信號發(fā)生器、掃描輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LabVIEW直接控制和Matlab仿真等多種功能于一體?；诖?，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合，形成了適用于不同層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，包括以電路單元搭建模型的模擬實(shí)驗(yàn)，基于Matlab的仿真實(shí)驗(yàn)，以溫度控制單元、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速單元和雙容水箱等實(shí)物為對象的研究性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；在響應(yīng)曲線顯示方式上采用虛擬示波器和真實(shí)示波器聯(lián)合使用，可以對虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。教學(xué)手段采用實(shí)驗(yàn)課教學(xué)和自主開放教學(xué)相結(jié)合，形成了時(shí)間、空間、內(nèi)容“三維”開放的自由機(jī)制，滿足了不同個(gè)性、不同水平學(xué)生的需求，使他們在實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)到研究的樂趣，自覺地開展研究性學(xué)習(xí)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)

Matlab是一套高性能的數(shù)值計(jì)算、信號處理和圖形顯示的可視化軟件［5］。在自主開發(fā)的基于Matlab／GUI（graphical user interfaces）／simulink工具箱設(shè)計(jì)的《自動(dòng)控制原理》虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［6］，使用方便靈活，交互性好。通過點(diǎn)擊任務(wù)欄中的實(shí)驗(yàn)序號，可隨時(shí)調(diào)用該課程的所有實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)的過程和細(xì)節(jié)，尋找有關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍和規(guī)律。通過虛擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，不但能夠避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的盲目性和可能出現(xiàn)的硬件電路損壞等問題；同時(shí)也可用于實(shí)際系統(tǒng)的分析、綜合與研究開發(fā)，使學(xué)生對科學(xué)研究產(chǎn)生濃厚的探索興趣，是對傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

6 結(jié)語

實(shí)踐證明，通過建立復(fù)合型多層次的課程體系、多功能教材體系、多元化的教學(xué)方法和軟、硬件相結(jié)合的全方位教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及理論與實(shí)踐相結(jié)合、傳統(tǒng)與現(xiàn)代相融合、虛擬與現(xiàn)實(shí)相補(bǔ)充的教學(xué)手段，構(gòu)建的立體化教學(xué)新體系，能夠全面提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，達(dá)到教學(xué)的真正效果。教學(xué)改革是提高教學(xué)質(zhì)量的基石，只有不斷探索，不斷創(chuàng)新才能達(dá)到與時(shí)俱進(jìn)，才能使基本教學(xué)適應(yīng)飛速發(fā)展的科技和人才需求，才能培養(yǎng)出創(chuàng)新型國家所需要的創(chuàng)新型人才。

［1］ 潘豐，徐穎秦.自動(dòng)控制原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 周范林（Zhou Fanlin）.淺談高校精品教材建設(shè)（A few words on the construction of exquisite teaching materials of university）［J］.中國大學(xué)教學(xué)（China U－niversity Teaching），2009，（9）：93－94.

［3］ 徐穎秦（Xu Yingqin）.改革寬口徑專業(yè)課程教學(xué)模式培養(yǎng)適合WTO的復(fù)合型人才（Reform broad caliber specialized curriculum teaching mode and train suitable WTO compound talents）［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Electrical ＆ Electronic Education），2003，25（Auto.Issue）：25－27.

［4］ 周武能，石紅瑞（Zhou Wuneng，Shi Hongrui）.自動(dòng)控制原理教學(xué)改革與實(shí)踐（Teaching innovation and practice for course of Automatic Control Principle）［J］.教學(xué)研究（Research in Teaching），2010，33（1）：63－66.

［5］ 宗曉萍，王霞，唐予軍（Zong Xiaoping，Wang Xia，Tang Yujun）.基于 MATLAB的"自動(dòng)控制原理"CAI教學(xué)設(shè)計(jì)（CAI designs for"automatic control theory"under MATLAB environment）［J］.中國教育技術(shù)裝備（China Educational Technique ＆ Equipment），2009，183（30）：130－132.

［6］ 王煥然，徐穎秦（Wang Huanran，Xu Yingqin）.自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)（Designing and development of virtual laboratory ppatform for principle of automatic control course）［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（4）：157－160.