“自動控制原理”國家精品資源共享課程建設

范興剛，徐新黎，王萬良

(浙江工業(yè)大學計算機科學與技術學院，浙江杭州 310023)

“自動控制原理”是自動化、電氣工程及其自動化、計算機自動化一體化雙專業(yè)等專業(yè)的一門技術基礎課。主要研究系統(tǒng)的數(shù)學模型、基于數(shù)學模型的控制系統(tǒng)工程分析方法和綜合設計方法三方面的內容。它是一門理論性很強的課程，其數(shù)學推導計算以及繪圖理論較為復雜。

我們針對“自動控制原理”的特點，開展了很多卓有成效的教改工作。2005年我?！白詣涌刂圃怼闭n程被評為國家精品資源共享課程。文獻［1］作為“十一五”國家級規(guī)劃教材，被評為國家級精品教材。

多年來，很多教師從教學方法，教學設計和實驗教學等方面進行了“自動控制原理”的教學研究［2-5］。我們在這些研究成果基礎上，根據(jù)精品資源共享課程的要求，重點從教學錄像拍攝，資源的完整性和規(guī)范化兩方面進行了建設。

1 課堂教學錄像拍攝

在國家級精品資源共享課建設過程中，課堂教學錄像是重點建設內容。教師要對各個環(huán)節(jié)認真設計，精心表演。我們從教學課件的豐富和細化，教學環(huán)節(jié)的設計和動畫視頻注釋編導，習題課和實驗教學視頻拍攝等幾方面進行課程建設。

1.1 教學課件的豐富和細化

“自動控制原理”課程理論性強，有大量的公式推導，原有教學課件采用的演示文稿達不到好的教學效果。我們采用動畫視頻的手段增加教學課件的生動性，細化公式的每一步推導過程，按照推導步驟在課件中設定動畫的順序和效果，每一步進程先做一個停頓，讓學生自己想如何推出下一步。緊接著給出提示和結果。這樣既復習了前面的知識，又學習了新的內容。

例如，在講解如何求取系統(tǒng)的動態(tài)指標時，需要采用冪級數(shù)展開法進行Z反變換。我們先給出冪級數(shù)展開法的提示，這里停頓30秒，讓學生重新回憶起復變函數(shù)的內容。接著在下一張演示視頻上，給出冪級數(shù)展開法的具體過程，給出此例題的Z反變換解題過程和答案。

動畫演示Matlab環(huán)境下，自動控制系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)能夠使學生加深課堂重點內容的理解。對于關鍵的知識點，在動畫視頻上標出教材頁碼，對于涉及到的經(jīng)典案例和熱點前沿也標注出處。學生明確自學的考核要求后可以自己課下自學。我們籍此實現(xiàn)了以傳統(tǒng)的課堂教學為主的教學方法向課內外結合為主的教學方法的轉變。

1.2 教學環(huán)節(jié)的設計和編導

教學設計必須做到目標明確，重點突出，難點合理。在每一章的開始，我們設計了導入環(huán)節(jié)，說明為什么要介紹本章，本章的主要內容是什么?難點是什么?例如，講勞斯判據(jù)時，我們明確告訴學生:勞斯判據(jù)的構造方法是要掌握的主要內容，其難點是如何根據(jù)勞斯表判斷特征根的分布情況。

我們在教學環(huán)節(jié)設計時，根據(jù)課堂的教學內容特點，圍繞教學重點精心設計一些具有啟發(fā)性和指導性的問題穿插到教學中。以此啟發(fā)學生的思維，搜尋自己原有的認知結構，發(fā)現(xiàn)解決問題的途徑，從而實現(xiàn)認知能力的提高，設計一些具有探究價值的問題。例如，提出“什么是朱利判據(jù)?”和“朱利判據(jù)與勞斯判據(jù)的異同點在哪里?”這兩個問題，后一個問題要比前一個問題好得多。提出問題后，讓學生有幾分鐘的獨立思考時間。他們往往在自己先思考之后，再聽教師的解讀能夠有更深刻的理解和體會。

教師在整個教學拍攝過程中應多用肢體語言吸引學生的注意力，用生動的形象和豐富的語言調節(jié)課堂氣氛和學生情緒。在講解慣性環(huán)節(jié)的納氏曲線圖時，筆者用手畫了一個圓圈，從右往下往左半圓是從0到無窮大的大致軌跡。有的學生就用手模仿這個過程，還和筆者進行了眼神的交流。

1.3 習題課與實驗課教學

由于“自動控制原理”定理和公式多，習題課不僅可以鞏固和強化理論知識系統(tǒng)，更重要的是可以提高學生的學習興趣，增進學生對科學的研發(fā)激情和創(chuàng)新能力。我們對習題課進行了專門設計，先將習題課內容提前公布出來，并不要求學生做，然后下一次課講授習題的完整解題過程，課后還會在網(wǎng)上予以公示，這樣可以確保每位學生跟進。講完之后再讓學生表示不同的想法，并進行總結。習題講完以后，直接讓學生進行課內練習，進行延伸，讓學生及時消化吸收。例如離散系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系數(shù)是一個重點，也是一個難點，以課后習題來重點復習這個知識點，先復習典型輸入信號下的靜態(tài)誤差系數(shù)，接著給出解題思路:先推導出開環(huán)Z傳遞函數(shù)G(z)，再根據(jù)極點數(shù)確定系統(tǒng)是0型、1型或2型系統(tǒng)，選擇合適的靜態(tài)誤差系數(shù)計算公式得到誤差系數(shù)，得到穩(wěn)態(tài)誤差。復習完知識點以后，再一步一步給出習題的推導過程，讓學生進一步理解靜態(tài)誤差系數(shù)的概念。

我們從課堂實驗與自主實驗兩方面進行實驗教學環(huán)節(jié)設計［2］。課堂實驗教學中，我們采用經(jīng)典的“自動控制原理實驗箱”，通過視頻講解實驗目的，實驗過程，然后要求學生自己接線，完成實驗內容，記錄實驗數(shù)據(jù)及實驗曲線，并根據(jù)實驗結果認真回答實驗指導書中的思考題。例如典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應及性能的改善實驗過程中，學生通過實驗視頻，能夠更好地理解二階系統(tǒng)的性能，獲得非常好的教學效果。我們進一步設計了一些自主實驗，讓學生用Matlab實現(xiàn)控制系統(tǒng)。

2 資源的完整性和規(guī)范化

精品資源共享課程對資源的完整性和規(guī)范化提出了高要求。我們把“自動控制原理”課程結構分成8個課程模塊，細化每個課程模塊的知識點，保證每一個課程模塊有4-5個知識點，其他資源都圍繞著知識點展開。例如，“連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能”知識點，學習指導告訴大家從穩(wěn)態(tài)性能的定義，穩(wěn)定性的判斷，穩(wěn)態(tài)性能指標等幾個方面去學習。教學重點就是穩(wěn)定性的判斷和穩(wěn)態(tài)性能的計算。難點就是典型信號輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差計算。課后習題是穩(wěn)態(tài)誤差的計算類習題。

為了很好地利用現(xiàn)代化教學手段，我們進一步完善了網(wǎng)站［6］。該網(wǎng)站支持網(wǎng)絡在線答疑和網(wǎng)絡在線輔導，以增強“自動控制原理”教學的互動性。網(wǎng)站新增了在線學習系統(tǒng)，從演示文稿的播放時間，習題的完成時間等幾方面考核自學過程，網(wǎng)站還進一步增加了自動控制原教學領域的時事新聞和熱點跟蹤。

3 結語

我們針對“自動控制原理”課程的特點，根據(jù)國家精品資源共享課程建設經(jīng)驗，研究教學課件的豐富和細化、教學環(huán)節(jié)的設計和教學視頻錄像的編導、習題課教學和實驗教學的改進等方法，探討各種教學資源的進一步完整性和規(guī)范化，使各個資源互相支撐，形成一個有機的整體。學生非常容易建立起“自動控制原理”的體系結構，明白前后的關聯(lián)度，能夠從整體上掌握課程體系，為進一步的自學打好基礎。

［1］王方良，自動控制原理［M］北京，高等教育出版社，2008。

［2］肖萍萍，李曉光.“自動控制原理”課程教學改革［J］.南京:電氣電子教學學報，2012(4):34-35，69

［3］肖理慶，李巍.“自動控制原理”實驗教學改革［J］.南京:電氣電子教學學報，2012(3):88-89，98

［4］沈輝，張湘平，張明.采用思維導圖進行“自動控制原理”的研討式教學［J］.南京:電氣電子教學學報，2012，34(1):93-95

［5］結碩，韓光勝.Matlab在自動控制原理實驗中的應用［J］.北京:實驗技術與管理，2012，29(2):95-97

［6］http://www.zdkz.zjut.edu.cn/