“自動控制原理”課程教學改革

肖萍萍，李曉光

(長春大學光華學院信息工程學院，吉林長春 130117)

“自動控制原理”課程主要研究自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析及系統(tǒng)設計的基礎理論和方法，對培養(yǎng)學生學習后續(xù)課程及從事工程實際工作有著重要的影響。該課程具有理論性強，概念抽象等特點，如何激發(fā)學生的學習興趣，將學生的數(shù)學基礎、專業(yè)理論及工程實踐有機地結合起來，提高教學質(zhì)量是進行課程改革的目的。

認知心理學是以信息加工為核心的心理學，它吸收了信息論、控制論、系統(tǒng)論和計算機科學等當代最新理論和科技成果的精華，用實驗方法和信息加工觀點研究心理過程［1］。

經(jīng)過幾年的探索，我們從學生認知心理的特點和規(guī)律出發(fā)，建立一套以互動—實踐—創(chuàng)新為主線的教學模式，在完成課堂教學的同時，提高學生自主學習能力、實踐創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力，以適應社會對工程應用型本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

1 形象化教學手段

1.1 動態(tài)教學能激發(fā)學生興趣

在本課程的緒論部分，重點介紹自動控制在空間技術、科技、工業(yè)、交通和環(huán)境等領域的應用。由于學生對系統(tǒng)的概念沒有感性認識，更沒有機會在實際現(xiàn)場親身體驗自動控制系統(tǒng)過程的機會。我們在講授過程中，以Flash動畫、實物圖以及幻燈片的方式，將一些典型系統(tǒng)，如溫度控制、液位控制和車輛控制等工程實踐過程以動態(tài)的方式展現(xiàn)出來，引導學生對實際控制系統(tǒng)的各個組成部分進行分析。圖1所示為采用動畫方式演示液位控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)手動控制(a)和自動控制(b)的過程［2］。

圖1 液位控制系統(tǒng)

1.2 強化復述可加深學生記憶

根軌跡的繪制方法是本章的重點，它主要包括了根軌跡的起點、終點、分支數(shù)、實軸上的根軌跡、分離點、匯合點以及漸近線等步驟。我們將繪制步驟的每個知識點，采用板書的方式進行講解。同時，按照繪制步驟在課件中設定動畫的順序和效果。在每一步驟完成后，演示出其結構，在最后一頁幻燈片中將完整的圖形繪制出來。這樣將較抽象的內(nèi)容形象化，體現(xiàn)教學思路，可以強化學生對重點內(nèi)容的掌握。

1.3 利用虛擬仿真提高學生思維

在講解時域分析法、頻率法和系統(tǒng)校正等內(nèi)容時，其手工繪圖精度較低，分析質(zhì)量差。我們引入Matlab/Simulink作為控制系統(tǒng) CAD［3］。在課件中適當?shù)夭迦胗蒑atlab編程實現(xiàn)的各變換域分析結果，利用虛擬仿真對系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及性能指標進行計算，從而使抽象的概念形象化，避免計算和繪圖的錯誤。作為某控制系統(tǒng)的仿真實例，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入信號作用下，速度穩(wěn)態(tài)誤差ess≤0.1，開環(huán)截止頻率 ωc≥4.4弧度/秒，相位裕量 γ≥45°，幅值裕量h≥10dB，采用無源串聯(lián)超前網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行校正仿真，其結果如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)校正前后的Bode圖

2 多種教學方法

我們研究學生的認知心理和思維特征，結合本課程的專業(yè)特點，精心設計課堂各個環(huán)節(jié)及其實施過程的策略，采用了如下多種教學方法［4］。

(1)預習式和關聯(lián)式相結合，促進學生認知結構條件化。在課堂內(nèi)容進行到某一階段，學生對要講授的課程內(nèi)容有一定基礎后，通過布置思考題的方式，引導學生對下節(jié)課要講授的內(nèi)容進行預習，并鼓勵學生課后查閱相關資料和素材，接觸本課程、本學科的新知識和新技術。在授課過程中，結合教學內(nèi)容有針對地補充相應的基礎知識和工程背景，有意識地將學科的最新進展，以及本課程與其他課程的聯(lián)系傳達給學生，在開闊學生的視野的同時，幫助學生認知結構完備化。

(2)導入式和問題式相結合，促進學生認知結構條件化。根據(jù)課堂的教學內(nèi)容、特點，注意圍繞教學重點精心設計一些具有啟發(fā)性和指導性的問題穿插到教學內(nèi)容中，強化其焦點注意，有利于學生選擇引入的信息。例如在講解線性系統(tǒng)離散分析時，由于學生已經(jīng)掌握時域分析和頻域分析的方法，教師可以將時域和頻域的分析方法進行比較總結作為引子，激發(fā)學生已有的知識點，引導和啟發(fā)學生將所學的知識與其使用條件結合起來學習，讓學生自己考慮在什么條件下使用離散分析。教師提出離散系統(tǒng)分析的重點，以問題的方式啟發(fā)學生自學，發(fā)揮學生的主觀能動性。

(3)研究性學習和自我展示相結合，促進學生知識結構化。我們發(fā)現(xiàn)通過書面作業(yè)和口頭回答問題的形式，很難了解學生認知過程中存在的問題。因此，在控制系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)，我們將每班學生分成幾個小組，由教師預先將不同設計目標分配給每組協(xié)作完成。組內(nèi)學生根據(jù)分工認真查閱相關資料和素材，讓他們自己進行思考和研究并為其自我展示創(chuàng)造機會。例如，在課堂討論時，由每組派一名學生上講臺介紹設計內(nèi)容和方法，其他學生和教師進行點評［5］。通過學生設計思路的講解，對師生的思路差異進行分析，引導學生從認知結構中尋找缺陷，改善本組設計中的不足，拓寬設計思路。

以上三種教學方法彼此之間相互關聯(lián)且相互滲透。針對不同教學內(nèi)容，可以使用不同的教學方法，促進學生知識結構化。

3 結語

為了適應素質(zhì)教育對工程應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的需求，獲得良好的教學效果，我們結合學生認知心理的特點和規(guī)律，對“自動控制原理”課程的教學方法和教學環(huán)節(jié)等方面做了一些改革的嘗試。我們將教學內(nèi)容以圖形和聲音等現(xiàn)代教育技術手段表現(xiàn)出來，有機地將本課程連接成一個整體，可以充分發(fā)揮學生的主觀能動性，提高教學質(zhì)量。

［1］ 王志堅，認知心理學的學習理論對課堂教學的啟示［J］.北京:中國教育學刊，1997，第02期

［2］ 劉大年，史旺旺，孫貴根，吳桂峰，“數(shù)字信號處理”課程的形象化教學方法探索［J］.南京:電氣電子教學學報，2006，28(4)，104-111

［3］ 岳舟，羅良才，曹鋒等，“自動控制原理”教學改革的研究與探索［J］.合肥:電腦知識與技術，2010，Vol:6(20)，5537-5538

［4］ 張學敏，“數(shù)字信號處理”課程教學改革實踐［J］.北京:中國電力教育，2009(2)，140-141

［5］ 金鑫，謝昭莉，盛朝強等，“自動控制原理”實驗教學改革創(chuàng)新與實踐［J］.南京:電氣電子教學學報，2009.31