自動控制原理課程建設與教學實踐

摘要：針對自動化等專業(yè)的核心基礎課“自動控制原理”的課程建設與教學實踐進行了深入的探討，并以遼寧科技大學為例，對該課程的教學團隊建設、教學體系架構、教學思路革新、教學方法創(chuàng)新、考核方式改革以及提高教學質量的輔助措施等進行了詳細的闡述。實踐結果表明，通過對該課程的建設和改革，使得學生學習的積極性得到普遍提高，教學質量也得到了顯著提升，達到了良好的教學效果。

關鍵詞：自動控制原理；課程建設；教學實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）18-0052-02

“自動控制原理”是高校自動化、電氣工程及其自動化、測控技術等電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎課，是機械類、能源動力類等許多專業(yè)的學科基礎課，具有科學方法論的特點，研究的問題帶有普遍性，與很多學科交叉協(xié)同發(fā)展，對工程具有突出的指導意義。[1-2]它是本科階段后續(xù)課程和研究生課程的基礎課程，具有承上啟下的作用，因而在控制科學與工程學科中占有重要地位。[3]

該課程主要研究了自動控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，闡述了控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)綜合的基本理論和相關技術。課程理論性強、概念多、較抽象，涉及多方面的數(shù)理知識，理論分析和數(shù)學計算所占比重大，是一門具有一定深度和難度的課程。[4]針對這些特點，如何化繁為簡、化難為易，如何提高該課程的教學質量，需要加強課程的建設和改革。下面將結合遼寧科技大學（簡稱“我?！保白詣涌刂圃怼笔〖壘氛n近幾年的建設和教學實踐，對該課程的教學團隊建設、教學體系架構、教學思路革新、教學方法創(chuàng)新及考核方式改革等方面進行研究和探討。

一、教學團隊建設

要把課程建設成精品，組建一支結構合理、團結創(chuàng)新、和諧發(fā)展的高素質教學團隊是課程建設的第一項重要任務。具體說來，該團隊中應該有一個好的課程負責人，必須具備較高的理論素養(yǎng)和較好的教學水平，具有較強的組織協(xié)調能力和強烈的責任心；同時還應有一批理論基礎扎實、勇于開拓進取、教學風格一致的教師成員，他們以課程負責人為核心，團結協(xié)作、獻策獻力，充分發(fā)揮著自身的主觀能動性和創(chuàng)造性。這樣的團隊才能形成一種向上的合力，才具有把課程建設成精品的潛力和條件。[5]

我校的“自動控制原理”課程教學團隊現(xiàn)有教師9人，其中教授3人，副教授3人，講師3人，均具有研究生學歷，團隊結構科學合理。教學負責人陳雪波教授、博導是遼寧省教學名師，具有很高的學術造詣和教學水平。團隊在陳教授的帶領下不斷推進課程建設和教學改革走向深化，使得團隊已經(jīng)形成了互幫互助、團結協(xié)作、創(chuàng)新進取、資源共享的和諧氛圍。近年來，通過團隊的不懈努力，采用多種靈活、方便、有效的教學方法和手段，使學生的能力得到普遍提高，達到了良好的教學效果；在教學研究和教學成果等方面也取得了突出的成績，在各種期刊上發(fā)表教改論文十余篇，獲得遼寧省教改二等獎2項、遼寧科技大學教改一等獎2項、二等獎5項，“自動控制原理”先后被評為遼寧科技大學精品課和遼寧省精品課等。

二、教學體系架構

教學體系的科學性和合理性直接關系到課程的教學效果，因而，建立一套科學的課程教學體系是搞好課程建設的必要條件。我?！白詣涌刂圃怼苯虒W團隊本著“厚基礎、重實踐、求創(chuàng)新、突特色”的指導思想，構建了該課程的教學體系架構，如圖1所示。

“自動控制原理”課程教學體系架構由兩個平臺構成：一個是理論教學平臺，另一個是實踐教學平臺。各個平臺下又細分成多個基本教學模塊，每個基本教學模塊下面又包含若干個教學子模塊。該課程教學體系一方面體現(xiàn)了對理論基礎的重視，也彰顯了對實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并突出了其工程特色，即通過冶金自動化工程案例和金融自動化工程案例將理論與工程實際相結合，貫穿本課程的始末，使該課程具有貼切的行業(yè)背景，既增長了學生的見識又積累了求職的資本。這種教學體系架構將教、學、做、訓、考有機地整合成為一個整體，使得教學過程層次分明、思路清晰、銜接良好、實施流暢、效果顯著。

三、教學思路革新

隨著時代的發(fā)展和進步，教師的教學思路也應該精益求精、與時俱進。教學團隊在多年實踐的基礎上不斷摸索、不斷革新，最終總結出全新的“自動控制原理”課程的教學思路，即：注重前沿知識的引進，使課程具有先進性；強調知識的學以致用，使課程具有應用性；著眼動手能力的培養(yǎng)，使課程具有實踐性；加大案例與理論的結合，使課程具有行業(yè)性；由簡單到復雜，由單一到綜合，使課程具有系統(tǒng)性。

具體的做法主要體現(xiàn)在：第一，以研究促進教學，拓展學生知識面。教學與科研是相輔相成的，團隊中的教師除了教學之外，均在各自的方向上進行著學術研究，研究的成果可以通過與課程的結合傳授給學生，這樣利于學生對前沿知識的了解和加深對知識點的理解。第二，以實踐促進教學，注重能力培養(yǎng)。實踐包括驗證性實驗、綜合設計性實驗、課程設計、課外研究等，教師通過各種實踐形式，引導學生將所學理論與實踐相結合，加深對知識的理解，培養(yǎng)學生的五個能力，即動手能力、應用能力、思考能力、創(chuàng)新能力和自學能力。第三，以案例驅動教學，強調工程背景。聯(lián)系冶金自動化、金融自動化等方面的工程案例，以適當?shù)慕嵌惹度氲秸n程中，培養(yǎng)學生的工程方法觀和職業(yè)能力。第四，因材施教，滿足學生個性需求?？紤]學生的個性需求、專業(yè)后續(xù)需求，在知識點的選取上采取分層次、多層次教學，既滿足考研學生的需求也滿足選擇就業(yè)學生的需求。

四、教學方法創(chuàng)新

為了提高“自動控制原理”課程的教學質量，在借鑒國內外先進教學方法的基礎上，我們對教學方式方法進行了大膽的探索和創(chuàng)新，摸索出一系列行之有效的教學方式方法。

1.主干式教學

傳統(tǒng)的教學多采用“填鴨式”和“布道式”，也不管學生懂不懂，學沒學會，直接采用“滿堂灌”，這樣下來，老師雖然完成了教學任務，但學生卻并沒有學好。針對傳統(tǒng)教學方式的缺點，我們采用了新的教學方式——主干式教學，變接受式教學為啟發(fā)式教學。主干式教學根據(jù)課程的主線把重點和難點給學生講通講透，讓學生弄懂該課程的主干部分，剩下的讓學生自己補充、自學，也就是往樹干上添枝加葉。這種教學方法有利于培養(yǎng)學生的思考能力和自學能力。

2.研討式教學

為了激發(fā)學生的學習興趣，鍛煉學生的思維，發(fā)掘學生的分析問題能力，主講教師通常會安排一定的課時作為研討式教學時間。在這個時間內，主講教師通常就某一問題或知識點，讓學生進行研究討論。研討的形式可以多種多樣，但通常采用的是分組研討法，即把學生分成若干個小組，并自行推選出組長，在研討結束的時候由組長總結發(fā)言，如果組長的發(fā)言不完善，其他組員也可以進行補充。老師可以根據(jù)每組的發(fā)言情況，給其一個分數(shù)，這個分將計入到最后該門課程的總成績中。這種研討方式既促進了學生動腦思考，也培養(yǎng)了學生的團隊精神。

3.案例式教學

“自動控制原理”是一門比較抽象的課程，學生通常難以理解，因而，采用案例式教學很有必要，一方面可以幫助學生理解所學知識，另一方面也可以把理論和實際聯(lián)系起來。在本門課程中，為了體現(xiàn)專業(yè)特色，我們主要采用冶金自動化工程案例和金融自動化工程案例。比如，以軋鋼生產(chǎn)線為例，中間涉及電機的控制、軋輥的控制、位置檢測、誤差檢測、溫度控制等，這些都可以將其與所學理論聯(lián)系起來。在講解系統(tǒng)模型的建立時，可以通過分析電機的原理，建立電機的微分方程，并求出其傳遞函數(shù)模型；在講解滯后環(huán)節(jié)時，可以分析鋼板的誤差檢測過程，分析產(chǎn)生滯后的原因，并建立其傳遞函數(shù)模型；在講解反饋控制時，可以結合溫度控制，如果沒有傳感器裝置將實際溫度反饋到給定，則溫度將無法控制在合理范圍等等。

4.探究式教學

探究式教學就是針對某一問題，讓學生在老師的指導下，自行制訂計劃或設計方案，自主尋求答案，并將結論與教師或同學進行交流的一種教學方法。[6]教師可以圍繞某個問題創(chuàng)設情境，提供相關信息和條件，學生則可圍繞問題展開分析研究，最終解決問題。比如，在講到PID控制器時，可以布置學生自己動手，設計一個PID控制器硬件電路。實際上這個問題是建立在學生已有電子、電路等知識的基礎上，完全能夠通過思考和動手來解決的。

5.演示式教學

“自動控制原理”課程中，涉及很多復雜的數(shù)學計算及圖形的繪制，如系統(tǒng)響應指標的計算、根軌跡、Bode圖、Nyquist圖的繪制等知識點，老師講解起來費勁不說，學生理解起來也很難。基于MATLAB軟件的強大功能和諸多優(yōu)點，可以借助其進行演示，該軟件的引入可以簡化計算和繪圖，使分析結論形象、直觀。[7]例如：繪制根軌跡時，利用MATLAB得到的圖形能讓學生了解到根軌跡是閉環(huán)極點隨k變化的動態(tài)曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，還可尋找k為常數(shù)時系統(tǒng)的時域指標，從而定量地分析某一確定系統(tǒng)的“穩(wěn)、準、快”特性。但“自動控制原理”課畢竟不是“計算機仿真”課，因此引入MATLAB必須適度。為了不占用過多的課堂時間，我們通常利用WinCam屏幕錄像軟件，在備課時將利用MATLAB計算和繪圖的過程錄下來，然后在課堂上邊播放邊講解就可以了。[8]

五、考核方式改革

1.實行結構分制

傳統(tǒng)的考核方式通常采用一考定乾坤的做法，但這種做法不利于教學質量的控制，因此我們采取的是結構分制。將總成績分成三個部分：一是平時成績，占15%，包括出勤、作業(yè)、提問、論文、小測驗等；二是實驗成績，占20%，包括預習報告、實驗表現(xiàn)、實驗報告等，如果該項成績沒有達到及格以上，則本課程總成績記為不及格；三是期末考試成績，占65%，包括對各個重要知識點的考核等。通過近年來的實施情況表明，結構分制極大地促進了學生對該課程學習的積極性，提高了其動手能力，避免了“平時不努力，臨時抱佛腳”的情況，突出了對學生學習過程的重視，達到了良好的教學效果。

2.建立題庫，實行教考分離

為了統(tǒng)一授課標準，排除在對學生考核中的人為不利因素，團隊根據(jù)教學要求及教學大綱，建立了“自動控制原理”試題庫，期末考試題必須在試題庫中隨機抽取，任課教師不參與抽題，實行教考分離；評閱試卷時采取封閉式流水作業(yè)，最大限度保證考試的公平公正性。

六、提高教學質量的其他措施

為了鞏固和提高“自動控制原理”課程的知識，有必要采取一些配套的相關措施。針對課堂教學時間有限、后續(xù)需知識延伸和鞏固等特點，我們采取了如下措施：

1.建立網(wǎng)絡教學平臺，對課堂教學環(huán)節(jié)進行有益補充

與課堂教學相配套，建立了課程學習網(wǎng)頁。網(wǎng)頁上主要包括三個部分：網(wǎng)絡課件、網(wǎng)上答疑輔導、習題演練及檢測。由這三個部分構成的網(wǎng)絡平臺，一方面為教師和學生的交流提供了不限時間的橋梁；另一方面，也為學生消化、補充、鞏固、檢測課堂知識提供了自由的空間。充分發(fā)揮網(wǎng)絡這一現(xiàn)代工具提高了課程教學的質量。

2.安排相關課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力

課程設計是一個綜合運用知識、鍛煉學生能力的實踐環(huán)節(jié)。為了更好地讓學生理解“自動控制原理”中的知識，并將其與其他課程以及實際系統(tǒng)聯(lián)系起來，在后續(xù)教學計劃中開設了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)等課程設計。通過這些課程設計的實施，學生綜合運用知識的能力得到進一步提高。

七、結束語

本文結合遼寧科技大學“自動控制原理”省級精品課程的建設，闡述了在建設過程中的一些改革和創(chuàng)新做法，旨在起到拋磚引玉的作用，吸引更多同行一起來交流探討，以便更好的改進和完善。有道是教學有法，而無定法，貴在得法。在今后的課程建設和教學實踐中，只有不斷探索、不斷總結、不斷革新，才能不斷提高教學質量，才能為新世紀培養(yǎng)更多更好的高素質應用型人才。

參考文獻：

[1]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009，32(2):66-72.

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[3]董明，黃民德.自動控制原理課程教學改革與創(chuàng)新實踐[J].中國電力教育，2010，(30):113-114.

[4]徐維暉.自動控制原理課程的教學研究與探索[J].中國電力教育，

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[5]李昌春，韓力，左為恒.自動控制原理課程建設的體會與思考[J].電氣電子教學學報，2010，(2):74-78.

[6]唐超穎，姜斌.自動控制原理課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，29(6):91-93.

[7]劉艷紅.基于Matlab的探究式教學在自動控制原理中的應用[J].中國高新技術企業(yè)，2010，136(1):184-185.

[8]歐陽鑫玉，趙楠楠.控制系統(tǒng)仿真課的雙語教學[J].遼寧科技大學學報，2008，31(2):190-193.

（責任編輯：王祝萍）