基于多元化模式的自動(dòng)控制原理課程改革

張冬妍?周宏威?戴天虹?賈鶴鳴?鄭綱

摘要：分析了自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)和存在的問題，提出多元化教學(xué)模式在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革中的應(yīng)用，并具體闡述了教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段上的多元化改革。實(shí)踐教學(xué)表明，基于多元化教學(xué)模式的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)，有效提高了教學(xué)效果，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主體參與意識(shí)，改革成效明顯。

關(guān)鍵詞：多元化；自動(dòng)控制原理；教學(xué)模式改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0144-02

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的重要組成部分。[1]自動(dòng)控制原理作為大學(xué)本科自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在控制相關(guān)專業(yè)的課程體系中占有很重要的地位，是學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過程控制等后續(xù)的應(yīng)用型專業(yè)課程必需的知識(shí)基礎(chǔ)儲(chǔ)備。該課程的理論性和工程實(shí)踐性均較強(qiáng)，具有內(nèi)容豐富、理論深度大、涉及知識(shí)面廣、信息量大、更新發(fā)展快的特點(diǎn)。其分析方法較多，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)要求高，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常感覺內(nèi)容抽象，難于理解，進(jìn)而不能很好地掌握，沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和模式成效不大，因而針對(duì)自動(dòng)控制原理的課程教學(xué)改革任重道遠(yuǎn)。

隨著現(xiàn)代化教育的不斷革新，多元化教學(xué)模式成為了傳統(tǒng)課程教學(xué)改革創(chuàng)新的有效手段，如何將枯燥的東西生動(dòng)化，抽象的原理形象化，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)具體化，深?yuàn)W的理論簡(jiǎn)單化，都體現(xiàn)在教學(xué)模式的科學(xué)性、實(shí)效性與合理性上[2]。為此，作者在課程改革過程中，采用多元化教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，進(jìn)行教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的改革嘗試，以全面提高自動(dòng)控制原理課程教學(xué)效果。

一、教學(xué)理念的多元化改革

“所謂師者，傳道，授業(yè)，解惑也?！苯處煹慕虒W(xué)理念直接影響知識(shí)的傳授效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

1.非智力元素的激發(fā)

長(zhǎng)期以來，值得每一位教師注意的一個(gè)問題是，興趣、注意力、心理因素等非智力因素對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)起著非常重要的作用。多元化教學(xué)要實(shí)現(xiàn)的是將視、聽、說有效融為一體，使課堂‘動(dòng)起來，充分利用學(xué)生在學(xué)習(xí)中的非智力因素，把學(xué)生注意力、興趣引導(dǎo)到學(xué)習(xí)對(duì)象上，進(jìn)而使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象獲得深刻、完整的理解，由此調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。尤其是對(duì)自動(dòng)控制原理這樣相對(duì)學(xué)習(xí)難度較大的理論課程，教師在教學(xué)中更應(yīng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生潛在的非智力因素，以有效提高教學(xué)效果。

2.重視第一堂課

俗話說“好的開端是成功的一半”。第一堂課上得好與壞，會(huì)在很大程度上影響到學(xué)生對(duì)本門課程的喜愛程度、聽課興趣和效率。因此，在自動(dòng)控制原理的第一堂課上，除了常規(guī)的課程學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)期目標(biāo)、教學(xué)計(jì)劃、課堂要求、課程考核方式的介紹之外，作者在多年教學(xué)過程中會(huì)注重課程的重要性說明和學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的恐懼心理的消除，以使學(xué)生建立正確的學(xué)習(xí)態(tài)度，有效激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)熱情。

控制的例子隨處可見，所以就從學(xué)生熟知的一些具體的實(shí)際例子入手，闡明自動(dòng)控制在社會(huì)發(fā)展中的重要性，以及在本專業(yè)所有課程中的承上啟下地位，突出學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理對(duì)將來走上工作崗位后的實(shí)用價(jià)值，激起學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的好奇心，讓學(xué)生產(chǎn)生一種學(xué)好本課程的沖動(dòng)。

另外，由于自動(dòng)控制原理課程的邏輯性和理論性都很強(qiáng)，要求的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)較多，所以很多學(xué)生在上課前或多或少地有所了解，而產(chǎn)生一定的學(xué)習(xí)壓力和障礙，認(rèn)為自己‘基礎(chǔ)差或者不夠聰明而不可能學(xué)好這樣的理論課程。[3]針對(duì)這些現(xiàn)象，作者在第一堂課上總會(huì)花一定的時(shí)間去消除學(xué)生的這些顧慮，培養(yǎng)他們對(duì)課程的正確認(rèn)識(shí)和自信心。比如，向?qū)W生指出，盡管自動(dòng)控制原理涉及了眾多的數(shù)學(xué)公式或者物理推導(dǎo)，但作為控制類專業(yè)基礎(chǔ)課我們更側(cè)重的是讓學(xué)生掌握其中的原理、方法，會(huì)利用這些方法手段解決問題，而不是側(cè)重讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何進(jìn)行所運(yùn)用方法的數(shù)學(xué)或物理推導(dǎo)來由。授課過程中會(huì)從一些相對(duì)淺顯的、容易理解的事例出發(fā)，教給學(xué)生具體的知識(shí)認(rèn)知和解決問題的方式方法，從而擴(kuò)展開來，學(xué)會(huì)解決一類或相關(guān)的幾類問題。讓學(xué)生感受只要有堅(jiān)持、有努力，學(xué)習(xí)上的困難是可以迎刃而解的。

3.教師的教育激情

德國(guó)哲學(xué)家Jaspers說：“教育意味著一棵樹搖動(dòng)另一棵樹，一朵云推動(dòng)另一朵云，一個(gè)靈魂喚醒另一個(gè)靈魂?！苯逃恼嬲康牟皇前熏F(xiàn)有的知識(shí)強(qiáng)加給學(xué)生，而是傳授知識(shí)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。學(xué)生的學(xué)習(xí)需要教師的帶動(dòng)，激情使教育充滿情趣，在情意融融的教育氛圍中，學(xué)生才會(huì)受感染并萌發(fā)創(chuàng)造的欲望。[4]在教學(xué)過程中，教師如果能夠開拓教育教學(xué)的多元化，就可以充分激勵(lì)學(xué)生的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。同時(shí)，學(xué)生的反饋也會(huì)給教師帶來新的角度和觀點(diǎn)的交匯，以促進(jìn)教師教育教學(xué)方法的改進(jìn)，而從另外一個(gè)方向給予教師不斷的教學(xué)工作激情的鼓舞。在這樣一個(gè)教師與學(xué)生的信息互動(dòng)過程中，作者一直嘗試把課堂教學(xué)過程看作創(chuàng)造幸福的過程，每一次課都當(dāng)成新課講，去尋求新的發(fā)現(xiàn)，建立新的認(rèn)識(shí)。更大程度地堅(jiān)持做到不斷提升自己的教育激情，用自己不斷擴(kuò)充的知識(shí)儲(chǔ)備去影響學(xué)生，用自己積極樂觀的情緒去感染學(xué)生，以自己飽滿的熱情去帶動(dòng)學(xué)生，從而營(yíng)造和諧的課堂氛圍，改善教學(xué)效果。

二、教學(xué)內(nèi)容多元化改革

縱觀國(guó)內(nèi)、外的經(jīng)典教材，大多數(shù)是以側(cè)重基本理論知識(shí)詳述為主要目的，繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)使學(xué)生的獨(dú)立理解效果大大降低。作者在十幾年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合配套教材的編寫，對(duì)自動(dòng)控制原理課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了多元化的改革。

首先，從理論教學(xué)內(nèi)容上，注重從基本理論和概念出發(fā)，強(qiáng)調(diào)物理概念，淡化繁冗的理論推導(dǎo)。在內(nèi)容闡述上側(cè)重整體感和細(xì)節(jié)顯現(xiàn)的表達(dá)，比如關(guān)于線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡分析法、頻率特性分析法、離散控制系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析的內(nèi)容敘述上，均以‘三結(jié)合敘述模式，即圍繞自動(dòng)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面基本要求這一共同主線形式展開，使邏輯性和清晰度大大提高；關(guān)于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型部分，為了使學(xué)生理性和感性思維上都能有清楚的認(rèn)識(shí)，在系統(tǒng)建模的闡述上從機(jī)械平移系統(tǒng)、靜力平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、以學(xué)生熟悉的直流電動(dòng)機(jī)作為典型實(shí)例的機(jī)電混合系統(tǒng)幾方面介紹，從不同的角度展現(xiàn)對(duì)建模問題的具體實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生從多方面加深對(duì)建模問題的理解和掌握；關(guān)于頻率特性分析法中圖形形式數(shù)學(xué)模型的闡述，改變傳統(tǒng)的極坐標(biāo)圖的介紹，然后對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的介紹的模式，而是根據(jù)兩種圖形存在的共同點(diǎn)，從對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖開始，對(duì)極坐標(biāo)圖的介紹側(cè)重在分析參數(shù)變化時(shí)的圖形特征，從而做到精簡(jiǎn)明了，重點(diǎn)突出。同時(shí)，編寫的教材中融入了MATLAB語言的使用，使學(xué)生在一定程度上開始掌握運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的方法。

其次，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，除了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)外，加入了基于MATLAB的自動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。給出一定的系統(tǒng)性能要求后，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中利用MATLAB進(jìn)行簡(jiǎn)單地系統(tǒng)綜合校正設(shè)計(jì)，具體感受參數(shù)變化帶給系統(tǒng)的影響，熟悉實(shí)際元件參數(shù)的選擇方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和方法。

三、教學(xué)方法多元化改革

自動(dòng)控制原理課程對(duì)學(xué)生的定性分析能力、定量評(píng)價(jià)能力和綜合運(yùn)用能力都有一定的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常是采用‘灌輸式，以教師的講授為主，學(xué)生上課邊聽邊抄筆記，學(xué)習(xí)很被動(dòng)，經(jīng)常會(huì)顧此失彼而使學(xué)生在學(xué)習(xí)中感到困難重重，影響學(xué)習(xí)效果。因此，在課程授課中作者采用類比、啟發(fā)和探究式的多元化教學(xué)方法，由淺入深地講解有關(guān)概念、原理和方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思維，明顯改善了教學(xué)效果。

1.類比式教學(xué)方法

類比法是指通過一系列淺顯生動(dòng)的實(shí)際例子，引導(dǎo)學(xué)生掌握難以理解的抽象問題。比如，講解液位控制系統(tǒng)的實(shí)例時(shí)，提出身邊常見的抽水馬桶、自來水系統(tǒng)的工作原理，讓學(xué)生分析其異同點(diǎn)，從而加深對(duì)此種恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理的認(rèn)識(shí)，并由此引出關(guān)于靜態(tài)有差系統(tǒng)和靜態(tài)誤差系統(tǒng)的概念；講解火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)例分析時(shí)，提出學(xué)生金工實(shí)習(xí)都見過的數(shù)控機(jī)床，讓學(xué)生分析其異同點(diǎn)，從而得出關(guān)于隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)的概念認(rèn)識(shí)。

2.啟發(fā)式教學(xué)方法

啟發(fā)式的教學(xué)適用于眾多課程，教學(xué)過程中常給學(xué)生留懸念，常問為什么，是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)，以有效增強(qiáng)學(xué)生的自主參與意識(shí)和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。尤其對(duì)于自動(dòng)控制原理課程，控制系統(tǒng)的身邊實(shí)例很多，所以可以經(jīng)常提到學(xué)生熟悉的事例，再問為什么，讓學(xué)生消除對(duì)抽象知識(shí)認(rèn)識(shí)的恐懼，有想探索奧秘的熱情。比如，講到開環(huán)控制與閉環(huán)控制，從學(xué)生經(jīng)常接觸的自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)、電烤箱、洗衣機(jī)等實(shí)例開始，向?qū)W生提問題，‘這些系統(tǒng)是怎么工作的呢？工作的方式有什么特點(diǎn)？有什么區(qū)別？售貨機(jī)出來的商品不對(duì)是不是還能自動(dòng)退回去重新來？烤箱怎么就能讓溫度保持想要的值？如此，讓學(xué)生自己去推論認(rèn)識(shí)關(guān)于兩種控制方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。在提問的過程中有效地抓住了學(xué)生的注意力，‘迫使學(xué)生不斷地在思考，跟著老師的教學(xué)思路，并不斷受到點(diǎn)撥式的啟發(fā)而自行發(fā)現(xiàn)了一些新知識(shí)點(diǎn)，一定程度上也帶給學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，從而有效提高了課堂的授課效果。

3.探究式教學(xué)方法

對(duì)自動(dòng)控制原理中的一些關(guān)鍵性的概念和物理問題，有時(shí)可以通過讓學(xué)生對(duì)感興趣的實(shí)例進(jìn)行探究式的討論學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)對(duì)抽象理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)。比如，系統(tǒng)無處不在，控制也無處不在，所以控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)就從我們自身開始。人就是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，如果把人腦看成機(jī)器，那么人用手取物這個(gè)控制系統(tǒng)是怎么工作的呢？把熟悉的問題拋出后讓學(xué)生展開討論，探討這樣具體的控制是如何經(jīng)過一個(gè)連續(xù)的調(diào)節(jié)過程而完成。并由此讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)反饋控制完成的關(guān)鍵要素是信息反饋和偏差，從而引出負(fù)反饋控制的工作原理。使學(xué)生在活潑的探討中，順理成章地掌握了相關(guān)概念和原理。

四、教學(xué)手段多元化改革

教育要面向現(xiàn)代化，不僅要求教育內(nèi)容要符合現(xiàn)代化建設(shè)的需要，而且教學(xué)手段也要與現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)相適應(yīng)。因此，教學(xué)手段在教育教學(xué)中有著舉足輕重的地位，直接影響教育教學(xué)效果。德國(guó)教育家Diesterweg說：“教育的藝術(shù)，不在于傳授的本領(lǐng)，而在于激勵(lì)、喚醒、鼓舞。”教師在教學(xué)中應(yīng)根據(jù)學(xué)生的心理特征發(fā)揮多元化教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)設(shè)情境，從而激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生觀察力和想象力。為此，作者將理論板書講授、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與設(shè)計(jì)相結(jié)合，進(jìn)行自動(dòng)控制原理課程體系中教學(xué)手段的改革探索。

1.板書教學(xué)手段

自動(dòng)控制原理課程的理論推導(dǎo)相對(duì)多一些，而有些理論結(jié)論或定理的由來是學(xué)生正確理解分析方法不可缺少的環(huán)節(jié)，因此，板書授課是本課程教學(xué)過程中的必需手段。作者認(rèn)為，一定程度上在黑板上的一步步推導(dǎo)、解釋、介紹，將在很大程度上加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，正確地理解和掌握原理方法的運(yùn)用模式，避免了單純的幻燈片放映形式的‘一掃而過，不容易‘抓住學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的注意力和興趣。比如，盡管頻率特性分析法包括了很多的圖形，要花很多時(shí)間繪制，但對(duì)于奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)內(nèi)容的講解，還是堅(jiān)持從幅角原理入手循序漸進(jìn)地推導(dǎo)引出判據(jù)內(nèi)容。讓學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上徹底明白此判據(jù)的來龍去脈，以更好地了解如何使用判據(jù)的內(nèi)容做系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。此時(shí)的‘花一些時(shí)間，是為了后續(xù)讓學(xué)生能更好地理解判據(jù)的實(shí)用方法的根據(jù)，而避免單純地從判據(jù)內(nèi)容出發(fā)卻不會(huì)實(shí)際判斷的現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.多媒體教學(xué)手段

傳統(tǒng)的教學(xué)手段是以板書為主的單一模式，缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，嚴(yán)重影響和制約了課程的教學(xué)效果。針對(duì)課程中繁雜的理論推導(dǎo)較多、分析方法較多、涉及的實(shí)際控制系統(tǒng)案例較多的特點(diǎn)，作者研究了基于PPT演示環(huán)境的板書授課輔助教學(xué)，既充分利用板書教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性、邏輯性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又充分利用多媒體教學(xué)的生動(dòng)、逼真、容量大的優(yōu)點(diǎn)，使教學(xué)內(nèi)容更形象、具體，為課堂教學(xué)提供了活力，使學(xué)生更容易理解和掌握，提高了課堂效率。比如，講授自動(dòng)控制理論的由來和發(fā)展時(shí)，采用多幅生動(dòng)形象的圖片展示的多媒體形式來介紹，使學(xué)生感受身邊存在的眾多控制系統(tǒng)，對(duì)控制的發(fā)展有了更具體的感性認(rèn)識(shí)，還避免了‘講歷史形式的理論授課。另外，基于頻率特性分析法的自動(dòng)控制系統(tǒng)校正部分是學(xué)生必須掌握的知識(shí)點(diǎn)之一，但繁瑣的圖畫使授課效率極大降低。因此采用多媒體方式配合此部分的板書講解，以動(dòng)畫的形式直觀展現(xiàn)給學(xué)生校正的過程實(shí)現(xiàn)及校正前后的系統(tǒng)性能改變，大大提高了教與學(xué)的效率。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段

實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)不可缺少的環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)一般以基于實(shí)驗(yàn)箱的‘插件連線式認(rèn)識(shí)操作為主，學(xué)生缺乏實(shí)際與理論的有效聯(lián)系與認(rèn)知理解，往往只是機(jī)械地記住了若干公式定理，面對(duì)具體問題的時(shí)候，不知如何運(yùn)用相應(yīng)的知識(shí)去解決實(shí)際問題?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CSCAD）的出現(xiàn)與發(fā)展推動(dòng)了自動(dòng)控制原理課程體系改革的進(jìn)程。作者在課程改革的過程中，基于MATLAB仿真軟件，開發(fā)研究自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)。在給定的系統(tǒng)性能要求的前提下，由學(xué)生自主提出控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，提高課程實(shí)驗(yàn)的直觀性與交互性，開發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象的理論知識(shí)要點(diǎn)的理解與應(yīng)用能力。

五、結(jié)束語

綜上，盡管自動(dòng)控制原理課程理論性、邏輯性很強(qiáng)，比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)上有一定的困難，但多元化的教學(xué)模式豐富了包括教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等在內(nèi)的一系列課程改革體系，使學(xué)生置身于多維的豐富知識(shí)框架中，感受多角度、多途徑的知識(shí)汲取，從而積極融入課程學(xué)習(xí)，一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生善于思考、樂于探索的主觀能動(dòng)性，提高了課程教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張冬妍，周修理，趙月容，等.自動(dòng)控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]郭勝偉.多元化教學(xué)：本科生培養(yǎng)質(zhì)量提升的必由之路[J].南京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013，14（1）：60-64.

[3]楊國(guó)詩，賈群.“自動(dòng)控制原理”學(xué)習(xí)的心理障礙分析及教學(xué)改革策略[J].中國(guó)電力教育，2012，（14）：67-68.

[4]李存生.論教師的教育激情[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013，33（4）：99-101.

（責(zé)任編輯：劉麗娜）