“自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐

摘要：“自動(dòng)控制理論”是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在高校本科自動(dòng)化專業(yè)的所有課程中起著承前啟后的作用，是自動(dòng)化專業(yè)的一塊敲門磚。對于這樣一門舉足輕重的課程，研究教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量具有重大的意義。結(jié)合實(shí)際教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)，對自動(dòng)控制理論課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制理論；教學(xué)方法；教學(xué)手段

作者簡介：曹敏（1976-），女，貴州習(xí)水人，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授；徐凌樺（1976-），男，貴州貴陽人，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授。（貴州#8194;貴陽#8194;550025）

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0085-02

“自動(dòng)控制理論”是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，由于其理論性強(qiáng)，涉及知識面廣，與先修課程聯(lián)系緊密，容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。然而，該門課程又是自動(dòng)化專業(yè)的一塊敲門磚，能否扎實(shí)掌握該門課程所學(xué)內(nèi)容，直接影響到對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和理解，而且，該課程同時(shí)也是自動(dòng)化類碩士研究生的必考科目之一。為此，結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)歷，筆者對自動(dòng)控制理論課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行了探討。

一、講在所有授課內(nèi)容之前

由于“自動(dòng)控制理論”這門課程在整個(gè)自動(dòng)化專業(yè)本科知識體系中占據(jù)了重要的一席之地，因此，在講授該門課程之前，對課程在本專業(yè)的地位、教學(xué)目的、考核方式等等做一個(gè)簡要的介紹極其必要。在講授所有具體內(nèi)容前，事先告知該門課程有什么用，并用通俗易懂的話簡要概括課程所要講授的內(nèi)容，讓學(xué)生了解該課程在整個(gè)專業(yè)學(xué)習(xí)中所占據(jù)的地位，需要用到哪些已經(jīng)所學(xué)的知識以及將對之后要學(xué)習(xí)的專業(yè)課程的貢獻(xiàn)等等。另外，還可對課程的學(xué)習(xí)方法及考核方式等問題一一簡要介紹。這樣做，一方面避免了學(xué)生學(xué)習(xí)的盲目性，解決了學(xué)生“為何要學(xué)這門課程”的問題，減輕同學(xué)的畏難心理，另一方面也強(qiáng)調(diào)了課程的重要性，有助于學(xué)生樹立學(xué)習(xí)這門課程應(yīng)具有的正確學(xué)習(xí)態(tài)度，增強(qiáng)對課程的重視程度。

二、“自動(dòng)控制理論”在自動(dòng)化專業(yè)的課程地位

“自動(dòng)控制理論”是本科自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其在整個(gè)自動(dòng)化專業(yè)課程體系中所占據(jù)的地位，簡單說來就是“承前啟后”。

由于課程主要講授分析和構(gòu)建自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論和方法，需要用數(shù)學(xué)手段抽象出由實(shí)際物理器件或由各種電子元器件搭建而成的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從而要用到高數(shù)、工數(shù)、電路、電機(jī)、模電、數(shù)電等知識。因此在學(xué)習(xí)該門課程之前，學(xué)生應(yīng)已先修“高數(shù)”、“工數(shù)”、“電路原理”、“電機(jī)與拖動(dòng)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”等課程。

此外，作為自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，“自動(dòng)控制理論”又為后繼課程所用。如以電機(jī)為主要研究對象的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、以各種具體生產(chǎn)過程為研究的過程控制系統(tǒng)，以及以單片機(jī)、工控機(jī)、PLC為核心控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等常會(huì)使用傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并使用時(shí)域或頻域法來分析系統(tǒng)的性能，衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又或是對具體的各種控制系統(tǒng)使用“自動(dòng)控制理論”的方法來對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由此可見，“自動(dòng)控制理論”是自動(dòng)化專業(yè)的一塊敲門磚，是一門不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課。

三、“自動(dòng)控制理論”的課程內(nèi)容

盡管“自動(dòng)控制理論”理論性強(qiáng)，內(nèi)容多，涉及面廣，概念抽象，且知識環(huán)環(huán)相扣，其以線性系統(tǒng)為主要研究對象，囊括了自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及簡化、線性系統(tǒng)的時(shí)域分析、系統(tǒng)的根軌跡、系統(tǒng)的頻域分析、系統(tǒng)的校正及離散系統(tǒng)等內(nèi)容?？雌饋韮?nèi)容紛繁復(fù)雜，且與先修的多門課程聯(lián)系緊密，但總的說來，該課程講述了兩個(gè)內(nèi)容：一是自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析，而另一個(gè)內(nèi)容就是自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合（設(shè)計(jì)）。要講述第一個(gè)內(nèi)容，那就先要了解什么是自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是由什么組成的，對于組成它的各個(gè)環(huán)節(jié)有哪些專有稱謂等等；接著在了解了自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成后，要分析系統(tǒng)，則需要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；之后便是用時(shí)域法、根軌跡及頻域法等來分析系統(tǒng)。而對于第二個(gè)內(nèi)容，控制系統(tǒng)的綜合，則是設(shè)計(jì)出滿足相關(guān)性能指標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)不滿足性能時(shí)，則考慮通過增加校正環(huán)節(jié)來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以使設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)滿足要求。由此，“自動(dòng)控制理論”的內(nèi)容可簡要概括如下：

系統(tǒng)分析：系統(tǒng)的概念；系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)的時(shí)域分析；系統(tǒng)的根軌跡分析；系統(tǒng)的頻域分析。系統(tǒng)綜合：系統(tǒng)的校正方法；系統(tǒng)的校正。

以上這些內(nèi)容，可深可淺，具體的章節(jié)內(nèi)容安排還應(yīng)與采用的教學(xué)手段、教學(xué)方法以及課程的學(xué)時(shí)數(shù)安排等相結(jié)合，制作出既不偏離“自動(dòng)控制理論”主體內(nèi)容，又符合培養(yǎng)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣要求的課程內(nèi)容。

四、“自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)中所采用的教學(xué)手段

1.張弛有度的多媒體教學(xué)

隨著現(xiàn)代化教學(xué)模式的引進(jìn)，各種多媒體教學(xué)課件涌入課堂，授課教師從繁重的傳統(tǒng)板書教學(xué)中解脫出來，節(jié)省了課堂時(shí)間。然而，過分依賴于多媒體課件，常常會(huì)導(dǎo)致課堂節(jié)奏快，學(xué)生對所學(xué)知識印象流于表面。并且由于節(jié)省了板書時(shí)間，課堂的知識量無形中會(huì)加大，學(xué)生常來不及對各個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行深入思考并理解掌握。尤其對于“自動(dòng)控制理論”課程來說，需要推導(dǎo)大量的定理、公式及法則等，若這些工作都只靠課件來完成，學(xué)生則處于被動(dòng)接受知識的狀態(tài)，其學(xué)習(xí)效果可見一斑。眾所周知，人接受理解并掌握新事物、新知識需要一個(gè)過程，且在此過程中通過積極思考、主動(dòng)參與才會(huì)留下深刻印象，深入認(rèn)知后方可舉一反三靈活應(yīng)用。授課經(jīng)驗(yàn)表明，將傳統(tǒng)的板書模式與現(xiàn)代化多媒體教學(xué)方法相結(jié)合，對于諸如系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，系統(tǒng)分析及校正裝置的設(shè)計(jì)等重點(diǎn)內(nèi)容通過板書、應(yīng)用啟發(fā)引導(dǎo)進(jìn)行推導(dǎo)演算的互動(dòng)式教學(xué)更有助于學(xué)生對知識的掌握理解，提高學(xué)習(xí)效果培養(yǎng)其計(jì)算分析能力和解決問題的能力。現(xiàn)代化多媒體教學(xué)手段在“自動(dòng)控制理論”課程中的使用要張弛有度并與其他教學(xué)手段相結(jié)合方能起到最佳教學(xué)效果。

2.主干清晰的宏觀教學(xué)

“自動(dòng)控制理論”具有理論性強(qiáng)，內(nèi)容豐富，涉及面廣，概念抽象，環(huán)環(huán)相扣，與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密且需要較強(qiáng)的計(jì)算能力等特點(diǎn)，容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、棄學(xué)情緒。因此，在講授具體知識之前，用通俗易懂的一兩句話從宏觀角度高度概括課程內(nèi)容，事先讓學(xué)生對“自動(dòng)控制理論”有一個(gè)整體的認(rèn)知，解決“這門課有什么用”，“需要用到哪些已經(jīng)學(xué)過的知識”，“主要講什么內(nèi)容”，“為后繼哪些課程服務(wù)”等問題，有助于學(xué)生樹立對課程的整體觀念，避免知識片面、孤立。而每堂課開始使用幾分鐘的時(shí)間對所講內(nèi)容進(jìn)行概括性簡介，指出所授知識點(diǎn)難點(diǎn)及重點(diǎn)，既有助于學(xué)生抓住主干，理清思路，又可讓他們在學(xué)習(xí)的過程中有目的地去構(gòu)建相關(guān)知識，提高其課堂注意力。

事實(shí)上，從宏觀上說控制理論主要圍繞著系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能三方面敘述了以線性反饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)兩大內(nèi)容。有了這個(gè)整體概念，在宏觀教學(xué)思想的指導(dǎo)下，可將課程內(nèi)容自上而下地劃分為幾大模塊，在講授過程中，從模塊用途開始，逐步細(xì)化模塊知識，層層分解，直至各個(gè)末枝細(xì)節(jié)，最后確定各個(gè)模塊在主干中所處的位置，與其他模塊之間的關(guān)聯(lián)狀況等。即由主干梳理到具體知識的精分，又由知識濃縮到課程主干的提取。教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，這種主干——枝葉——主干的教學(xué)方式，有助于加深學(xué)生用整體統(tǒng)一的思想將控制原理的知識體系融會(huì)貫通，把彼此相互聯(lián)系的概念、觀點(diǎn)源源不斷地納入一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行合理的分門別類。通過主干，構(gòu)造了“自動(dòng)控制理論”課程的框架，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程則是對這個(gè)框架不斷充實(shí)的過程，最終，學(xué)完課程后，學(xué)生則能思路清晰地總結(jié)出課程主要內(nèi)容，梳理出課程的主干，避免只學(xué)到零碎的知識片段。

3.提問+回答式的互動(dòng)教學(xué)

在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生是永遠(yuǎn)的主體。如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，把他們由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)探究，是授課教師義不容辭的責(zé)任。為此，在教學(xué)過程中，筆者常根據(jù)所要講授的內(nèi)容，提出一些緊密相關(guān)的問題，讓學(xué)生進(jìn)行討論分析，引導(dǎo)他們解決問題，總結(jié)出問題的答案并進(jìn)行回答。最后教師會(huì)就問題再次進(jìn)行歸納和總結(jié)。此外，在每次課講解新的內(nèi)容前，對于已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識，花5～8分鐘的時(shí)間，讓一名學(xué)生對上次所學(xué)知識進(jìn)行簡要的回顧，并由其余同學(xué)對其進(jìn)行提問，對于回答不完善或不正確的，可由提問者進(jìn)行補(bǔ)充回答或糾正。教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，采用這種方式進(jìn)行授課更有助于學(xué)生對所學(xué)知識的理解及掌握，且印象深刻，加強(qiáng)了師生間以及同學(xué)間的相互交流，有利于各種創(chuàng)新思維的迸發(fā)，同時(shí)也調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增加了他們的學(xué)習(xí)信心，培養(yǎng)了他們分析并解決問題的能力以及歸納總結(jié)和語言表達(dá)的能力。

4.學(xué)生自主式學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)

“自動(dòng)控制理論”涵蓋內(nèi)容多，如果在教學(xué)中一味采用以教師為主體的填鴨式教學(xué)，則在無形中助長了學(xué)生棄學(xué)、厭學(xué)的思想，壓制了其主觀能動(dòng)性及思維的創(chuàng)新性發(fā)展，不利于其學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，筆者在教學(xué)中采用了以學(xué)生為主的課堂教學(xué)方式。即把學(xué)生分成幾組，分別選取“自動(dòng)控制理論”中易于讀懂的章節(jié)知識在課下進(jìn)行學(xué)習(xí)并制作相應(yīng)的課件，然后在課堂上選取一名小組成員配以自制的課件來向全體同學(xué)傳授知識。其余小組成員可以進(jìn)行補(bǔ)充，而其他同學(xué)則可以就不清楚不明白的地方向該小組同學(xué)進(jìn)行提問。教師根據(jù)每組同學(xué)的情況會(huì)給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)，并將其計(jì)入“自動(dòng)控制理論”課程的總成績中。教學(xué)效果表明，學(xué)生們在課堂上更為活躍，這種授課方式大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過程中去真正體會(huì)學(xué)習(xí)——理解——掌握知識的過程。通過教師對學(xué)生的鼓勵(lì)、支持及肯定，則進(jìn)一步增強(qiáng)了他們的學(xué)習(xí)情緒和自信心，同時(shí)還培養(yǎng)了他們的團(tuán)隊(duì)合作精神。反過來，從這種以學(xué)生為主的課堂教學(xué)中，學(xué)生在課堂中所展示出的各種創(chuàng)造性思維則為思維幾乎已經(jīng)模式化的教師開辟了新的天地，更有助于教師自身教學(xué)水平的提高。這種良性互動(dòng)，正是教學(xué)過程中喜聞樂見的。

五、結(jié)束語

教學(xué)方法的探索和教學(xué)模式的改革是教學(xué)過程中永恒的話題，“自動(dòng)控制理論”是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，筆者經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出以上一些教學(xué)方法并進(jìn)行了實(shí)施，獲得了一定的效果。為提高教學(xué)質(zhì)量，在今后的教學(xué)實(shí)踐中，只有不斷擴(kuò)充新的方法，不斷總結(jié)，不斷改進(jìn)，才能更好地引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識，為后繼課程夯實(shí)基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）