基于“問題導向”的課程教學改革
——以計算機專業(yè)《自動控制原理》課程為例

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(浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023)

黨的十六大報告提出了“以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化”的科學決策，十七大進一步提出要“促進信息化與工業(yè)化融合，走新型工業(yè)化道路”。這表明我國對于自身所處發(fā)展階段的深刻認識。浙江工業(yè)大學計算機科學與技術(shù)學院(下文簡稱“學院”)從國家戰(zhàn)略出發(fā)，結(jié)合學院自身特色，在計算機科學與技術(shù)+自動化一體化雙專業(yè)(下文簡稱“計自專業(yè)”)和計算機科學與技術(shù)專業(yè)(下文簡稱“計科專業(yè)”)增設(shè)了部分自動控制類課程，包括《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制工程》等，著力培養(yǎng)道德、知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，能從事計算機和自動化科學與技術(shù)研究、計算機和自動化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，以及系統(tǒng)運行管理的高級技術(shù)人才和管理人才[注]①http://172.16.7.86//pubgl/pubgl_index.aspx.。

為此，學院對本科教學課程設(shè)置進行了改革，在本科三年級第一學期開設(shè)了《自動控制原理》課程，共計48學時?！蹲詣涌刂圃怼肥抢碚撆c工程實踐相結(jié)合的一門課程，該課程的主要任務(wù)是通過對控制理論知識的學習，培養(yǎng)學生對控制系統(tǒng)的分析設(shè)計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力[1]。通常國內(nèi)高校將該課程設(shè)置為自動化專業(yè)、機電專業(yè)、電氣專業(yè)的骨干課程，而在計算機專業(yè)中開設(shè)該課程則是一個新的嘗試[2-3]。因此在該課程的教學中，針對計算機專業(yè)的特點和要求，結(jié)合該課程特點，探索新的教學模式是非常重要和必要的。

本科生的教育質(zhì)量高低關(guān)系重大，尤其是創(chuàng)新精神與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)是高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[4]。為了探索培養(yǎng)既有扎實的基礎(chǔ)理論知識、又具備創(chuàng)新開拓精神的學生的道路，筆者多年來在從事《自動控制原理》課程教學的過程中堅持從多個環(huán)節(jié)進行教改實踐。

一、問題指向與分析

(一)學生基礎(chǔ)知識薄弱

《自動控制原理》課程較偏重于理論，邏輯性與抽象性較強，工程應(yīng)用知識涉及面較廣。這就決定了該課程的學習需要學生具有相應(yīng)的數(shù)學基礎(chǔ)、邏輯分析能力和較廣泛的工科知識背景。比如，在高等數(shù)學和工程數(shù)學方面要預(yù)修微積分、拉普拉斯變換、矩陣理論、復變函數(shù)等知識；在工程知識上要預(yù)修化學工程方面或電力電子方面或機械設(shè)計方面的有關(guān)課程。但是，計算機專業(yè)的學生沒有全面系統(tǒng)地學習過這些數(shù)學知識，學生幾乎都沒有學習過拉普拉氏變換，多數(shù)學生復變函數(shù)學習得不夠深入。此外，計算機專業(yè)作為一個大眾型專業(yè)，也缺乏相應(yīng)的工程應(yīng)用背景知識。

(二)經(jīng)典適用教材缺乏

目前國內(nèi)《自動控制原理》的教材非常多。其中，分別由浙江大學孫優(yōu)賢院士和清華大學吳麒教授主編的兩本教材因內(nèi)容豐富、講解清晰最具代表性，在國內(nèi)屬于經(jīng)典的《自動控制原理》教材。但孫優(yōu)賢主編的教材在闡述被控對象實例過程中涉及到眾多化工對象，如流體管道、液位儲槽、加熱器等，適合過程控制專業(yè)學生；吳麒主編教材的教材包含眾多的電機、電子、電路方面的知識，適合電氣自動化專業(yè)學生[5-6]。但計算機專業(yè)的學生對這些對象知識了解得不夠深入，也沒有學習過化工過程方面的知識。因此學生很難看懂教材上的例子，從而失去對該課程的興趣。

(三)課堂教學學時偏少

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新的教學要求和教學內(nèi)容越來越多，而本科課程容量卻相對有限。為此，學院近年來不斷對計算機專業(yè)學生的培養(yǎng)計劃進行調(diào)整，以適應(yīng)新形勢的發(fā)展?！蹲詣涌刂圃怼氛n程的特點是內(nèi)容豐富且理論性強，涉及知識面廣且信息量大，很多概念較抽象，習題類型較多且難度較大。這就要求對教學內(nèi)容進行適當?shù)恼{(diào)整和刪減，對教學方法進行改進，以適應(yīng)教學改革發(fā)展的需要。

(四)理論與實踐分離

教師通常容易在《自動控制原理》的教學中把時間和精力用于原理的講解和公式的推導，卻忽略了這些原理在工程應(yīng)用中的案例講解。筆者曾做過一項調(diào)查，有近60%的學生在修完該課程后表示只收獲了一些原理和公式推導計算方式，而對其在實踐中的應(yīng)用知之甚少。因此使得學生感覺該課程似乎就是一門數(shù)學課，對該課程學習的實用性認知模糊，似乎與計算機專業(yè)就業(yè)沒有太直接關(guān)系，直接影響到教學的效果。

(五)與傳統(tǒng)專業(yè)課程融合不足

學院計自專業(yè)和計科專業(yè)傳統(tǒng)的核心專業(yè)課程有：《C++程序設(shè)計》、《計算機組成原理》、《操作系統(tǒng)原理》、《數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用》、《軟件工程》、《嵌入式系統(tǒng)》、《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》、《編譯原理》等。學生在修完本科階段課程后普遍認為，傳統(tǒng)的計算機核心專業(yè)課程與《自動控制原理》課程是兩條平行的直線，相互之間似乎沒有交集，體會不到計算機和自動化的有機融合。

要解決以上問題，筆者認為不能按照傳統(tǒng)的教學模式來講授這門課程。我們必須根據(jù)學院計算機專業(yè)的實際情況，開展相應(yīng)的課程教學改革，引導學生主動學習課程理論知識、營造討論式的課堂氛圍、建立課內(nèi)外學習相結(jié)合的模式，著重培養(yǎng)學生的自學能力、思維能力、實踐能力和知識應(yīng)用能力，從而探索適應(yīng)于當前教學條件和學生能力的教學內(nèi)容、教學方法與考核方式，讓學生通過該門課程的學習真正體會到自動控制理論的精髓所在。

二、課程內(nèi)容優(yōu)化與改進

(一)教材與參考書選用

筆者選用浙江工業(yè)大學王萬良教授編著的普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《自動控制原理》[7]。該教材主要有三個特點：(1)將MATLAB輔助分析與設(shè)計控制系統(tǒng)方法貫穿在各個章節(jié)中，有利于學生通過MATLAB仿真深刻了解穩(wěn)定性、快速性、準確性等控制性能。(2)簡化了非必要的原理分析和公式推導，盡量排除經(jīng)典教材中的電機及電路或化工等學生不熟悉的對象作為例子，而是選用生活中常見的系統(tǒng)為例子進行講解，便于學生理解所講授的內(nèi)容。(3)對重要的定理、公式、判據(jù)、結(jié)論用藍色字體進行標注，學生非常方便找到課程的知識重點。因此，筆者認為王萬良教授編著的《自動控制原理》教材非常適合計算機專業(yè)學生。

(二)教學內(nèi)容優(yōu)化

從計算機專業(yè)特點與理論聯(lián)系實踐角度出發(fā)，對課程教學內(nèi)容進行調(diào)整與優(yōu)化。筆者在教學過程中主要講解了經(jīng)典控制理論中的線性連續(xù)定常系統(tǒng)的內(nèi)容，包括系統(tǒng)數(shù)學模型(微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖)的建立、系統(tǒng)時域分析及勞斯穩(wěn)定性判據(jù)、系統(tǒng)頻域分析方法、線性系統(tǒng)的校正。另外考慮到后續(xù)《計算機控制系統(tǒng)》課程教學的需要，適當?shù)刂v解離散控制系統(tǒng)理論內(nèi)容。因為目前在工程應(yīng)用中很少用根軌跡法分析方法設(shè)計系統(tǒng)，因此在講解根軌跡內(nèi)容時，我們主要講解根軌跡的基本概念、根軌跡的分布與動態(tài)性能之間的關(guān)系，而根軌跡的繪制及基于根軌跡方法的控制系統(tǒng)設(shè)計可以忽略不講。我們對這一章節(jié)內(nèi)容有針對性地進行選講，主要講授頻率特性函數(shù)的基本概念、基本單元的頻率特性函數(shù)、穩(wěn)定裕度的基本概念。介紹奈奎斯特圖穩(wěn)定判據(jù)時，跳過復變函數(shù)理論中的幅角原理，直接通過幾道典型例題來介紹判據(jù)具體應(yīng)用方法。

(三)增加專業(yè)英語詞匯量

《自動控制原理》課程中的許多基本理論和分析方法大都是從國外引進和翻譯過來的，加上國外學術(shù)界習慣用人名命名定理，如勞斯判據(jù)就是以英國數(shù)學家Edward John Routh命名的，給國內(nèi)學生記憶和理解這些理論和方法造成了一定的困難。此外，最新的科研成果更主要是以英文形式發(fā)表，需要學生有一定的英文文獻閱讀能力。有鑒于此，筆者在教學過程中，堅持以中文為主、英語為輔的授課方式。具體來講，在開學初給學生整理一份常用的自動控制技術(shù)相關(guān)的專業(yè)英文詞匯。另外，每當?shù)谝淮纬霈F(xiàn)新的名詞、原理和方法時，筆者先用中文進行詳細講解，然后告訴大家這些名詞、原理和方法在英文中的表示方法和來源，并在以后遇到這些名詞、原理和方法時，更多地采用英文表述。如傳遞函數(shù)(Transfer Function)、階躍響應(yīng)(Step Response)。此外，還引導學生適量閱讀英文參考書和專業(yè)文獻，如Benjamin C. Kuo所著的AutomaticControlSystems。

三、教學方法的多樣與創(chuàng)新

(一)重視第一次課的講授

《自動控制原理》課程的理論性很強，因此學生在學習中會感到枯燥無味，學習的積極性不高。在講解第一節(jié)課緒論時，就要以調(diào)動學生學習積極性為目的，向?qū)W生解釋清楚學習本課程的意義，讓學生了解自動控制技術(shù)幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域及社會生活的各個方面，是推動新技術(shù)革命和新產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。同時，應(yīng)強調(diào)計算機技術(shù)與自動化技術(shù)結(jié)合在當前信息化、工業(yè)化的作用，使得學生明白學習本課程的目的。此外，在首次授課時要簡要介紹一下本課程的主要內(nèi)容以及教學安排，讓學生大致了解課程總體目標，便于后續(xù)復習和預(yù)習。

(二)靈活應(yīng)用板書和多媒體課件相結(jié)合的教學方式

《自動控制原理》課程相當多的內(nèi)容是以原理講解、公式推導、定理應(yīng)用、作圖分析，信息量非常大。多媒體課件教學適合繪圖和原理的講授，直觀性好，容易吸引學生注意力。而板書教學對于公式推導、定理應(yīng)用的講解效果較好，能降低授課速度，使學生的思維速度及時跟上教師的講解思路。因此，筆者在授課過程中靈活應(yīng)用板書及多媒體課件教學相結(jié)合的方式進行教學，以期達到良好的教學效果。

(三)采取大班課與討論課相結(jié)合的教學模式

大班課系統(tǒng)講授一個專題內(nèi)容，注重基礎(chǔ)概念和主要線索、章節(jié)的前后關(guān)聯(lián)、講述易錯易混的概念，設(shè)計更融會貫通的案例。通過穿插少量提問、等待學生反饋，衡量學生理解程度。教師布置討論題和思考題，以挖掘?qū)W生潛力、激發(fā)學生思考和舉一反三的能力；布置、鼓勵課外閱讀，讓學生選擇性地閱讀經(jīng)典著作，了解學科最新的進展，增強對學科的興趣。

討論課形式有兩種：第一種是大班課來講述需要學生自學的知識。一般是大班課內(nèi)容的擴展或?qū)嵗?，由學生自行準備課件，課堂上抽簽決定某個小組上臺演講。第二種是比較難的、具有拓展性質(zhì)的、開放的問題(反復辯論，需要觀點而非答案)。兩種做法都是以小組方式，需要學生預(yù)先深入討論，形成共識，通過郵件在上課之前發(fā)來討論文件。我們隨機抽點某個小組某個同學上臺宣講自己的觀點(或視情況將比較好的方案拿出來)，以此給整個小組打分。

(四)關(guān)注教學效果的反饋

教學效果的高密度、高頻度反饋，對于及時掌握學生學習情況，調(diào)整教學內(nèi)容和方案非常重要。筆者用反饋控制原理來指導教學，加強過程管理，提高教學效果和質(zhì)量。具體來說，就是通過課后作業(yè)、隨堂練習、課堂討論、臨時提問等，獲得定量/定性的學習情況反饋信息，形成各教學要素與教學效果之間的數(shù)學模型，以此為基礎(chǔ)及時調(diào)整教學方案。如思考題：課堂講述內(nèi)容的擴展，相對容易，同學自己可以獨立、深入思考開放題目。教師在上課時可以隨機抽點學生來闡述觀點，以此引導學生對課程內(nèi)容的進一步理解。

(五)利用Matalab輔助課程教學

《自動控制原理》著重闡述線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性、誤差分析方法及系統(tǒng)的總和等問題，其中不乏繁瑣的數(shù)學推導。Matalab軟件使用方便，尤其是對于計算機專業(yè)的學生較容易上手。筆者在該課程的教學中采用 Matlab進行輔助教學，使學生擺脫繁瑣的數(shù)學推導,直觀地了解自動控制的原理及特性，體會自動控制仿真樂趣和創(chuàng)造性。比如，筆者在講解一階系統(tǒng)的暫態(tài)性能分析時，先通過簡單的數(shù)學推導和定性分析，使學生了解了一階系統(tǒng)的暫態(tài)性能取決于K和T的值，通過Matalab軟件分別給出K不變時T=1、3、5、7、9時的單位階躍響應(yīng)曲線，以及T不變時K=1、4、7、10時的單位階躍響應(yīng)曲線(如圖1)。通過Matlab仿真處理可清楚地看到兩參數(shù)的變化對一階系統(tǒng)輸出響應(yīng)的定量影響，加深了學生對一階系統(tǒng)的理解。

(a)K固定，T變化

(b)T固定，K變化

圖1 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

四、教學成果的展示與設(shè)想

本課程將通過作業(yè)、隨堂練習、課堂討論、臨時提問等，獲得定量/定性的學習情況反饋信息，形成各教學要素與教學效果之間的數(shù)學模型，以此為基礎(chǔ)及時調(diào)整教學方案，從而使考核貫穿在整個教學過程中。最終的課程成績評定由以下幾部分組成：課堂討論25%、平時作業(yè)10%、階段測驗10%、實驗部分10%、課外閱讀及報告5%、期終考試40%。

通過課堂討論、作業(yè)、測驗、課外閱讀等考核平時掌握課程知識脈絡(luò)的情況、對課程內(nèi)容的宏觀把握能力和活學活用的能力。期末卷面考試答題為2小時，設(shè)計相關(guān)的開放式題目，減少死記硬背內(nèi)容，進一步考核處于壓力狀態(tài)下學生應(yīng)用知識的能力，形成對學生全面的評估。

在同國外工科專業(yè)的比較中發(fā)現(xiàn)，國外大學很多工科專業(yè)設(shè)有自動控制原理的專業(yè)基礎(chǔ)課，例如美國密蘇里大學電子工程系開設(shè)EE301(Control Systems)，美國康涅狄格大學的機械工程系開設(shè)ME3295(Linear Automatic Control Systems)。在課程的講授過程中，不僅講授基本的數(shù)學原理，更強調(diào)與工程實踐的結(jié)合，利用某個工程問題貫穿整個課程。在成績評定上結(jié)合作業(yè)(homework)、課堂測驗(quiz)、期中考試(mid-term)、大作業(yè)(project)和期末考試(final)等手段，考察綜合得分。課程講授的形式多樣，結(jié)合教室學習和工業(yè)現(xiàn)場參觀，課堂討論激烈，很大程度上激發(fā)學生的學習積極性。這些特點都對我們有所啟發(fā)，并取得了良好的教學效果(見表1)，可以在今后的教學工作中進行借鑒和實踐。

表1 教學效果對比

《自動控制原理》課程是學院為適應(yīng)我國兩化融合戰(zhàn)略而新開設(shè)的一門課程。針對該課程在教學中存在的一些問題，筆者結(jié)合計算機專業(yè)的特色和該課程的特點，對該課程的教學內(nèi)容、教學方法和課程考核進行了探索。從教學效果來看，該課程的教學模式的改革調(diào)動了學生學習的積極性，大大提高了課程的教學效果，激發(fā)了學生學習的興趣，較好地達到了教學目標。

參考文獻：

[1] 顏文俊，陳素琴，林峰.控制理論CAI教程(第2版)[M].北京：北京科學出版社，2006.12.

[2] 馮愛祥，左信.自動控制原理課程實施研究型教學模式的探討[J].電氣電子教學學報，2009，(5)：12-13．

[3] 畢軍.交通運輸專業(yè)自動控制原理課程教學模式探索[J].時代教育，2013，(3)：39-40．

[4] 王慧，等.從學生綜合素質(zhì)養(yǎng)成的角度談專業(yè)課程教學的改進[J].化工高等教育，2012，(2)：12-14.

[5] 孫優(yōu)賢，王慧.自動控制原理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.56.

[6] 吳麒，王詩宓.自動控制原理(第2版)[M].北京：清華大學出版社，2006.112.

[7] 王萬良.自動控制原理(第1版)[M].北京：高等教育出版社，2008.156.