“控制工程基礎(chǔ)”案例式教學(xué)法初探

摘要：指出了“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)中存在的問題，闡述了案例式教學(xué)的內(nèi)涵和實施步驟，探討了“控制工程基礎(chǔ)”課程案例式教學(xué)中案例的選擇，最后通過對兩個案例的深層次剖析，探討了案例教學(xué)法在“控制工程基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：控制工程基礎(chǔ)；案例式教學(xué)；軍隊院校

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0070-02

隨著軍隊院校教育改革的進一步深化，在構(gòu)建新型課程體系中應(yīng)堅持通識教育與專業(yè)教育相結(jié)合，注重加強基礎(chǔ)和提高適應(yīng)能力。按照大專業(yè)、多方向、寬口徑的培養(yǎng)思想，在新版人才培養(yǎng)方案中，將“控制工程基礎(chǔ)”設(shè)為全院所有工程專業(yè)的專業(yè)教育選修課程。該課程全面闡述了自動控制的基本概念、基本理論與基本應(yīng)用，理論嚴(yán)謹(jǐn)，系統(tǒng)性強，且具有很強的工程背景。該課程不僅可以為各專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，而且對于培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力和創(chuàng)新能力，提高綜合分析問題、解決問題的能力等方面，都具有重要的意義。在以往的授課中，存在以下問題直接影響著教學(xué)效果：一是控制工程基礎(chǔ)理論性強，公式多，抽象難懂，缺乏理論與實踐的緊密結(jié)合，因此學(xué)生看到的是抽象的理論，而沒有實際操作，久而久之，學(xué)生會對高深的理論失去信心。二是教師往往嚴(yán)格按知識點的順序進行講授式教學(xué)，雖然邏輯嚴(yán)密，但學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難見全貌，并且以講授為主的教學(xué)手段，使課堂氣氛沉悶，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)效果也不理想。三是筆者所在工程院校，“控制工程基礎(chǔ)”課程是面向所有專業(yè)開設(shè)的選修課程。不同于控制專業(yè)的學(xué)生，通信、電氣等專業(yè)的學(xué)生普遍認(rèn)為“控制工程基礎(chǔ)”課程與本專業(yè)沒什么關(guān)系，學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)生的學(xué)習(xí)目的不明確。

為解決以上問題，需對“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的各環(huán)節(jié)進行改革。其中，案例式教學(xué)就是一種運用日益廣泛且相當(dāng)有效的課程教學(xué)方法。在“控制工程基礎(chǔ)”課程授課中合理采用案例式教學(xué)法，能有效調(diào)動學(xué)員的積極性，加深學(xué)員對重要概念、理論的理解，提升學(xué)員解決實際問題的工程實踐能力等，具有明顯的優(yōu)勢。

一、案例式教學(xué)法

案例教學(xué)法的歷史可以追溯到孔子與蘇格拉底的“問答式”教學(xué)，其定義是：教師以教學(xué)案例為載體，在課堂上幫助學(xué)習(xí)者達到特定學(xué)習(xí)目標(biāo)的一套教學(xué)方法。案例教學(xué)法是一個以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體、全員分析與解決問題的過程。[1]學(xué)員在案例處理中，運用課程所學(xué)的“源知識”，發(fā)揮自己的思考和智慧解決問題，在參與中理解、探索出“衍生知識”，“參與”就是“掌握”的保障。

案例式教學(xué)法一般可分為學(xué)員自行準(zhǔn)備、小組討論準(zhǔn)備、小組集中討論和總結(jié)四個階段。首先，一般在正式開始集中討論前，就要把案例材料發(fā)給學(xué)員。讓學(xué)員閱讀案例材料，搜集必要的信息，并積極思索，初步形成關(guān)于案例中的問題的原因分析和解決方案。教師可以在這個階段給學(xué)員列出一些思考題，讓學(xué)員有針對性地開展準(zhǔn)備工作。其次，各小組應(yīng)以有效的方式自行組織討論。再次，在正式上課時間內(nèi)組織集中討論。由各小組派出代表介紹本小組對于案例的分析和處理意見，并接受其他小組的訊問并作出解釋。教師可以提出幾個意見比較集中的問題和處理方式進行重點討論，以將學(xué)員的注意力引導(dǎo)到方案的合理解決上來。最后，討論完成之后，教師應(yīng)該留出一定的時間讓學(xué)員自己進行思考和總結(jié)，同時這也是獲取知識和經(jīng)驗的重要方式。案例引入有案例—講解—總結(jié)回顧、講解—案例—反饋、案例—講解—案例—總結(jié)回顧三種方式。[2]應(yīng)根據(jù)具體知識點，在教學(xué)過程中不斷摸索和改進，合理選擇案例引入方式和科學(xué)應(yīng)用。

案例式教學(xué)的關(guān)鍵在于案例的準(zhǔn)備、編寫是否妥當(dāng)，能否激發(fā)學(xué)生的思路、提高課堂授課效果，這都決定了案例式教學(xué)的成功與否。案例是許多知識的綜合體，優(yōu)秀案例應(yīng)具備以下特點：一是趣味性。二是結(jié)果多元化。三是案例內(nèi)容具有一定的代表性和普遍性，具有舉一反三、觸類旁通的作用。同時，不是所有的知識點都能夠或者都有必要尋求典型案例的分析。因此，并不是所有的課程以及課程的所有知識點都普遍適合采用案例教學(xué)法。筆者認(rèn)為，針對“控制工程基礎(chǔ)”課程的特點，可以選擇以下兩類案例用于課程教學(xué)：一是能夠貫穿整個課程教學(xué)過程的綜合案例。該案例應(yīng)盡可能涵蓋經(jīng)典控制理論中的所有知識點，涵蓋各種工程應(yīng)用技術(shù)，同時還應(yīng)是貼近生活、容易理解的案例，如水位控制系統(tǒng)、直流電機速度控制系統(tǒng)等。二是數(shù)個小案例。在通過上述完整案例講授某一知識點時，適當(dāng)補充幾個小案例有利于學(xué)生對該知識點的進一步理解。但案例教學(xué)不是舉例教學(xué)，人們所習(xí)慣的“案例教學(xué)”實際上是舉例子，往往是就事論事，缺乏深層次的理論思考，所舉例子也只是虛構(gòu)的或真實案例片斷或者干脆是教師即興所得，其功能僅限于解釋和補充說明所講授的理論內(nèi)容，是對所宣講理論的簡單重復(fù)。

二、案例式教學(xué)的課堂實踐

下面引用一個連續(xù)案例和一個獨立案例來分析案例式教學(xué)所能達到的效果。

1.綜合案例

液位控制系統(tǒng)[3]在控制工程方面有一定的典型性，比較貼近學(xué)生的經(jīng)驗，易于學(xué)生理解，其中液位、流量等變量都比較直觀，而且它們之間定性和定量的關(guān)系也易于理解，為后面深入系統(tǒng)地分析且引導(dǎo)出相應(yīng)的概念、原理打下堅實的感性認(rèn)識基礎(chǔ)。液位控制系統(tǒng)是一個貫穿整門課程的綜合案例。

課中，可以舉出諸如抽水箱水位控制、鍋爐液位控制系統(tǒng)等實例，使學(xué)生在濃厚的興趣中對自動控制產(chǎn)生感性認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)單調(diào)的理論知識與生活實例、工程實例之間的聯(lián)系，并準(zhǔn)確掌握控制系統(tǒng)組成、基本控制方式等基本概念。隨著學(xué)習(xí)的深入，作為定量分析的基礎(chǔ)，結(jié)合具體系統(tǒng)可以總結(jié)建立系統(tǒng)各種數(shù)學(xué)模型的方法，并通過對比，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種模型的特點和聯(lián)系。在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)時域分析法時，可以獲得系統(tǒng)實際液位的變化曲線，幫助學(xué)生形象地理解各種性能指標(biāo)的含義。介紹到PID控制器時，可以啟發(fā)學(xué)生進一步探討水箱水位控制系統(tǒng)的控制器是什么，通過課堂討論，分析出該系統(tǒng)是利用杠桿原理實現(xiàn)的比例控制。通過對案例的深入分析，讓學(xué)生能夠充分理解理論知識和實際應(yīng)用的聯(lián)系，提高學(xué)生的知識應(yīng)用能力。[4]

2.穩(wěn)定性補充案例

針對穩(wěn)定性部分的教學(xué)內(nèi)容，使用“垮塌的塔科馬大橋”作為補充案例，用于引出控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題、總結(jié)穩(wěn)定性的定義，同時案例的趣味性可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

案例描述：1940年11月8日美國華盛頓州的《塔科馬新聞?wù)搲房橇艘粍t轟動一時的爆炸新聞，大字標(biāo)題“海峽大橋坍塌”。塔科馬大橋是一座跨海懸索橋，姿態(tài)苗條，造型優(yōu)美，號稱當(dāng)時世界第三。大橋于1940年7月1日建成通車，只要有風(fēng)，這座大橋就會晃動。1940年11月7日，一陣不算很大的風(fēng)激發(fā)起大橋的振動，且隨著持續(xù)的風(fēng)吹，跨邊上下翹起的最大幅度越來越大，以指數(shù)狀增大，僅十幾分鐘，振幅就達到28英尺（8.5米），最終大橋在震耳欲聾怒吼聲中坍塌。

問題：從控制理論的角度分析大橋垮塌的原因。

分析：從生動的生活實例引導(dǎo)學(xué)生從控制理論的角度分析問題，將大橋當(dāng)做一個控制系統(tǒng)，定性分析當(dāng)風(fēng)作為外作用時大橋的形變問題。結(jié)合大橋垮塌的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生得出大橋本身是一個臨界穩(wěn)定系統(tǒng)的結(jié)論。進一步通過計算機仿真或理論推導(dǎo)等手段，啟發(fā)學(xué)生理解對于臨界穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，當(dāng)正弦外作用的頻率等于系統(tǒng)固有頻率時，系統(tǒng)響應(yīng)發(fā)散，這也是導(dǎo)致大橋最終斷裂的原因之一。說明臨界穩(wěn)定系統(tǒng)不具有工程實用性。

三、結(jié)論

案例教學(xué)法是以培養(yǎng)學(xué)生的能力為核心的新型教學(xué)法，使用該教學(xué)方法，選擇某些合適的工程實際，通過多媒體的有效傳媒手段，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)手段，對提高理工科院校專業(yè)課的教學(xué)效果幫助很大，具有一定的推廣性。同時，優(yōu)秀的案例具有一定的交流性，對于提高整體授課質(zhì)量有著不小的益處。但是在案例式教學(xué)應(yīng)用中，應(yīng)注意以下方面：一是案例式教學(xué)耗時較多；二是授課中不同專業(yè)背景的學(xué)生往往更容易接受和理解本專業(yè)的一些案例，所以要針對授課對象具體為之；三是案例式教學(xué)彌補了傳統(tǒng)講授法的一些不足，具有很大的優(yōu)越性，但它并不能取代講授法而獨立存在。

參考文獻：

[1]王學(xué)仁，艾春安，寧超.高等院?！皞鳠釋W(xué)”案例式教學(xué)法探討[J].中國電力教育，2010，（12）：74-76.

[2]王平.案例式教學(xué)中關(guān)于案例引入方式的思考[J].濟南職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008，（2）：29-30.

[3]黃堅.自動控制原理及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]孫宇貞，黃福珍.自動化專業(yè)本科教學(xué)中的案例設(shè)計與實踐[J].中國電力教育，2011，（9）：145.

（責(zé)任編輯：孫晴）