自動(dòng)控制理論系列課程教學(xué)改革探究

薛 薇, 劉振全, 賈紅艷, 戴鳳智, 馮愛惠

(天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300222 )

自動(dòng)控制理論系列課程教學(xué)改革探究

薛 薇, 劉振全, 賈紅艷, 戴鳳智, 馮愛惠

(天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300222 )

本文對我校自動(dòng)控制理論系列課程的一些教學(xué)改革進(jìn)行了討論。對以“自動(dòng)控制理論”課程為主線，以“現(xiàn)代控制理論”、“模糊理論與控制”和“系統(tǒng)仿真”等課程為輔線的系列課程進(jìn)行教學(xué)改革與探究，在系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，課程的合理配置、特色教材的編寫、實(shí)踐環(huán)節(jié)的有效設(shè)置和課程考核與考試方式等方面取得了較好的教學(xué)效果。

自動(dòng)控制理論；教學(xué)團(tuán)隊(duì)；教學(xué)改革

0 引言

“自動(dòng)控制理論”課程是控制科學(xué)與工程一級學(xué)科的主干課程之一，是自動(dòng)化類和電氣及電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1，2]。

作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念、基本理論和基本方法的課程，它也是一門方法論的課程，所研究的系統(tǒng)可以是物理的，也可以是社會的、經(jīng)濟(jì)的、生物的等非物理系統(tǒng)的。學(xué)好它對學(xué)生以后的學(xué)習(xí)和生活等方面都會有幫助。眾所周知，教師的教學(xué)水平是決定教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素[4]。為了提高“自動(dòng)控制理論”及其延伸課程的教學(xué)質(zhì)量，前年我校組建了自動(dòng)控制理論系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，希望群策群力、集思廣益、共同努力提高團(tuán)隊(duì)教師的教學(xué)水平，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。所謂自動(dòng)控制理論系列課程包括“自動(dòng)控制理論”、“離散與非線性控制系統(tǒng)”、“現(xiàn)代控制理論”、“模糊理論與控制”、“系統(tǒng)仿真”和“自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)”等課程。其中，“自動(dòng)控制理論”課程是我校電子信息自動(dòng)化學(xué)院里自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息、通信工程和測控技術(shù)與儀器五個(gè)專業(yè)統(tǒng)一開設(shè)的院級大平臺課程，系列課程中的其他幾門課程則主要是面向自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化這兩個(gè)專業(yè)開設(shè)的限選課或任選課。組建的這支團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在自動(dòng)控制理論系列課程的課程設(shè)置、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核形式的改進(jìn)以及實(shí)踐環(huán)節(jié)的加強(qiáng)等方面進(jìn)行了一系列有益的嘗試與探索，取得了較好的效果。本文把我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)所做的主要工作總結(jié)出來與同行們共享。

1 課程的合理設(shè)置

我院五個(gè)本科專業(yè)覆蓋了控制科學(xué)與工程、電氣工程和儀器科學(xué)與技術(shù)等幾個(gè)不同的一級學(xué)科領(lǐng)域，考慮到我院本科專業(yè)的特點(diǎn)，我們把經(jīng)典控制理論中的線性定常連續(xù)控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容，如數(shù)學(xué)模型建立、時(shí)域分析法、復(fù)域分析法、頻域分析法以及系統(tǒng)綜合等，開設(shè)成學(xué)院的大平臺課——“自動(dòng)控制理論”，該課程為全院五個(gè)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，設(shè)置為必修課程，并且在我院和機(jī)械工程學(xué)院共同培養(yǎng)的機(jī)電一體化卓越人才實(shí)驗(yàn)班中開設(shè)為雙語課程。另外，把“自動(dòng)控制理論”課程的實(shí)驗(yàn)集合成了一個(gè)為期兩周的實(shí)踐環(huán)節(jié)，即“自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)”。而針對自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化這兩個(gè)對自動(dòng)控制理論系列課程掌握要求比較高的專業(yè)，把離散系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)的內(nèi)容整合為一門“離散與非線性控制系統(tǒng)”限選課，把現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識開設(shè)為“現(xiàn)代控制理論”限選課。此外，把“系統(tǒng)仿真”、“模糊理論與控制”這兩門課設(shè)置為任選課。需要特別說明一點(diǎn)，為了讓參加電子競賽、智能車競賽及機(jī)器人競賽的學(xué)生及早掌握智能控制理論基礎(chǔ)，我們把“模糊理論與控制”課程特別提前到了大學(xué)二年級開設(shè)，這樣可以照顧到不同專業(yè)和不同層次學(xué)生的需要。

2 教學(xué)方法、手段和考核方式的改進(jìn)

我們這個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著學(xué)院各專業(yè)的“自動(dòng)控制理論”課程以及多門自動(dòng)控制理論課程的延續(xù)課程。我們近幾年對所承擔(dān)的多門課程，根據(jù)課程特點(diǎn)在教學(xué)方法和教學(xué)手段方面進(jìn)行了一些探索和改革，完成的主要工作如下。

2.1 教學(xué)方法和手段的改善

自動(dòng)控制理論系列課程具有理論性強(qiáng)、涉及高等數(shù)學(xué)和工程數(shù)學(xué)的知識點(diǎn)多等特點(diǎn)，如果單純講解理論分析與推導(dǎo)，學(xué)生會感到太枯燥，容易對這些課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論系列課程的興趣，我們從兩方面入手：一方面是改善教學(xué)方法，在“自動(dòng)控制理論”等課程的教學(xué)中，根據(jù)課程的不同內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際接受程度，有針對性地選擇最適合的教學(xué)方法組織教學(xué)，可以采用啟發(fā)式教學(xué)、比較式教學(xué)和案例式教學(xué)等多元化教學(xué)方法，讓學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)，活躍課堂氣氛[5]。另一方面，結(jié)合多媒體等現(xiàn)代教育技術(shù)和手段來豐富教學(xué)內(nèi)容和層次。在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，課堂上盡量多地列舉一些能引起學(xué)生興趣的并與他們的生活有關(guān)的實(shí)際控制系統(tǒng)的例子，比如全自動(dòng)洗衣機(jī)控制、胰島素注射器自動(dòng)控制等；著力改善教學(xué)內(nèi)容，在保證基本原理內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)性和系統(tǒng)性的前提下，省略掉繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，著重于從工程應(yīng)用的角度來強(qiáng)調(diào)一些結(jié)論的物理意義及其使用方法，在理論闡述上力求簡練易懂，并通過舉例和習(xí)題練習(xí)來鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容[6]。

2.2 編寫具有特色的教材

之前，我們選用過多種不同版本的“自動(dòng)控制理論”教材，感覺有些教材雖然內(nèi)容豐富、有一定深度，但不太適合我校學(xué)生使用。經(jīng)過多年對“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)積累，我們已經(jīng)著手編寫適應(yīng)我校學(xué)生學(xué)習(xí)的“自動(dòng)控制理論”教材，把我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)中幾位講授“自動(dòng)控制理論”課程的教師積累并總結(jié)的一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、方法和體會，融入到所編寫的教材中去，并且把經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論作為兩個(gè)獨(dú)立部分部分編入教材，爭取編寫出一本具有特色并適合我校課堂教學(xué)，方便學(xué)生自學(xué)的“自動(dòng)控制理論”的教材。

2.3 課程考核與考試方式的改進(jìn)

我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)還對“自動(dòng)控制理論”系列課程的考核方式進(jìn)行了改進(jìn)。首先，在“自動(dòng)控制理論”課程成績評定中采用平時(shí)考核和期末考試相結(jié)合的方案，平時(shí)成績由考勤成績和作業(yè)成績組成，占總成績的20%，期末考試成績占80%。期末考試原來采取閉卷考試方式，現(xiàn)在改為半閉卷考試。考試方式的改變主要是弱化公式和結(jié)論的死記硬背，著重于加強(qiáng)學(xué)生靈活掌握知識并用所學(xué)知識解決問題的能力。另外，為了讓學(xué)生能自主地系統(tǒng)總結(jié)和復(fù)習(xí)所學(xué)課程知識內(nèi)容，我們允許每位學(xué)生將自己手寫的一張A4紙大小的復(fù)習(xí)材料，寫上學(xué)號和姓名后帶入考場，考試答卷時(shí)進(jìn)行參考。復(fù)習(xí)材料上的內(nèi)容不做特殊限定，每位學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行準(zhǔn)備，但不允許學(xué)生將任何打印、復(fù)印或縮印的紙質(zhì)材料帶入考場，否則按作弊處理。另外，任課教師和期末考試試卷的出題教師采取“背靠背”形式，出題教師可以選校內(nèi)教師，也可以請校外教師擔(dān)任，而該課程的所有任課教師只在開考前一刻鐘才能看到試卷內(nèi)容。通過這樣的措施，學(xué)生們和任課教師都反映效果不錯(cuò)。

其次，在“現(xiàn)代控制理論”、“模糊理論與控制”及“系統(tǒng)仿真”等選修課中，為了減輕學(xué)生的考試壓力，改變學(xué)生臨時(shí)突擊復(fù)習(xí)、應(yīng)付考試的不良學(xué)習(xí)習(xí)慣，我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)對這幾門選修課改用過程考核方式，取消期末考試，每門課教師可以根據(jù)自己的課程特點(diǎn)和情況確定考核內(nèi)容，比如“現(xiàn)代控制理論”課程的考核內(nèi)容由四部分組成：考勤、作業(yè)、隨堂測驗(yàn)和小論文，每部分成績分?jǐn)?shù)占總成績分?jǐn)?shù)的百分比均為25%，并且其中前兩項(xiàng)嚴(yán)格按照學(xué)校的學(xué)籍管理規(guī)定執(zhí)行，一旦缺勤次數(shù)或缺交作業(yè)次數(shù)達(dá)到了學(xué)籍管理規(guī)定中的紅線，則前兩項(xiàng)成績之和為零分。為了全面、合理地考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，一般情況下，隨堂測驗(yàn)次數(shù)不少于4次，小論文篇數(shù)不少于2篇，留一部分教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生自學(xué)或在教師講解的基礎(chǔ)上再進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，然后按科技論文寫作格式與規(guī)范寫成小論文。這樣，一方面提高了學(xué)生的自學(xué)能力，另一方也鍛煉了學(xué)生科技論文寫作能力，為學(xué)生將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)和撰寫科技論文打下一定基礎(chǔ)。通過在2011級、2012級和2013級學(xué)生中試行，取得了良好的效果，得到了學(xué)生的肯定與歡迎。

3 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

由于“自動(dòng)控制理論”課程理論性較強(qiáng)，課時(shí)比較緊張，在理論課內(nèi)安排實(shí)驗(yàn)難度很大，也難以做到理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)同步[7]。為此，我們采取先集中上課、后集中實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行教學(xué)，即先進(jìn)行64學(xué)時(shí)的“自動(dòng)控制理論”課程課堂理論教學(xué)，對它的基本概念、基本理論和基本方法進(jìn)行系統(tǒng)、完整的介紹。理論課程教學(xué)結(jié)束后再集中2周時(shí)間讓學(xué)生參加“自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)。特別強(qiáng)調(diào)的是，在這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生分別用模擬電路實(shí)物實(shí)驗(yàn)和Matlab數(shù)值仿真手段予以完成。先讓學(xué)生結(jié)合課堂上所學(xué)的知識，針對一個(gè)二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)所提出的性能要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)超前校正裝置或滯后校正裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即校正裝置的傳遞函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，再運(yùn)用電路理論和模擬電子技術(shù)知識，設(shè)計(jì)和制作這個(gè)二階系統(tǒng)及其超前或滯后校正裝置的模擬電路實(shí)體，然后借助Matlab數(shù)值仿真運(yùn)用“自動(dòng)控制理論”中的時(shí)域分析方法和頻域設(shè)計(jì)方法對所設(shè)計(jì)的模擬電路系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。通過這樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅提高了學(xué)生運(yùn)用自動(dòng)控制原理知識分析問題及解決問題的能力，而且也提高了學(xué)生們的動(dòng)手能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和精神。

4 結(jié)語

近幾年來，我們在自動(dòng)控制理論系列課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段上進(jìn)行了一些有益的探索與嘗試，改革后無論是從系列課程的內(nèi)容和設(shè)置上，還是實(shí)踐環(huán)節(jié)及考核方式上都更趨合理。教學(xué)實(shí)踐表明：學(xué)生對自動(dòng)控制理論系列課程知識掌握得更扎實(shí)，學(xué)習(xí)主動(dòng)性有所提高，確實(shí)取得了良好的效果。但我們的工作還存在很多的不足，我們在認(rèn)真探索和完善自動(dòng)控制理論系列課程教學(xué)的同時(shí)，還需要更多地和同城異地的院校同行們進(jìn)行溝通和交流，取長補(bǔ)短，不斷創(chuàng)新。

我們自動(dòng)控制理論系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教師們遵循“千教萬教、教人求真”的原則，秉承“尚德、尚學(xué)、尚行，愛國、愛校、愛人”的我校校訓(xùn)，會進(jìn)一步努力把我校自動(dòng)控制理論系列課程建設(shè)好，讓更多的學(xué)生從中受益，也為更多的院校同行提供可借鑒的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

[1] 李振龍, 喬俊飛, 孫亮, 于建明, 楊金福, 陳梅蓮. 自動(dòng)控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法探討[J]. 秦皇島: 教學(xué)研究, 2009, 32(2): 66-72

[2] 張瑞成, 王福斌, 陳志坤. “自動(dòng)控制原理” 課程立體化教學(xué)體系研究與實(shí)踐[J]. 北京: 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013, 30(9): 181-184

[3] 田玉平. 探索“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)體系改革之路[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(3): 8-11

[4] 別敦榮. 大學(xué)教學(xué)方法創(chuàng)新與提高高等教育質(zhì)量[J]. 北京: 清華大學(xué)教育研究, 2009, 30(4): 95-101, 118

[5] 崔明濤, 國潤秋, 盛英, 葉俊杰, 段學(xué)超. “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革探究與實(shí)踐[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 37(3): 24-26,113

[6] 謝林柏,徐穎秦. 面向卓越計(jì)劃的“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)探究[J]. 北京: 中國電力教育, 2013(290): 91-92

[7] 田思慶, 吳桂云. “自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)研究與實(shí)踐[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(1): 112-113

[8] 姚利民,段文彧. 高校教學(xué)方法探討[J]. 北京: 中國大學(xué)教學(xué), 2013(8): 60-64

Exploration for Teaching Reform of Automatic Control Theory Series Courses

XUE Wei， LIU Zhen-quan ，JIA Hong-yan， DAI Feng-zhi， FENG Ai-hui

(SchoolofElectronicInformationandAutomation,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222,China)

In this paper we discuss teaching reform of automatic control theory series courses. A number of reforms and explorations in serial courses have been done. Our main line is Automatic Control Theory course; others such as Modern Control Theory, Fuzzy Theory & Control as well as System Simulation serve as auxiliary lines. Promising results have been achieved in various aspects such as teaching team construction， rational allocation of curriculum, characteristics in textbook editing, proper arrangement of practical session, course assessment and examination model, etc.

automatic control theory; teaching team, teaching reform

2015-11-19;

2016-04-05 基金項(xiàng)目:天津科技大學(xué)教育教學(xué)改革“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目(C06)

薛 薇(1963-)，女, 碩士,教授,主要從事自動(dòng)化方面的教學(xué)及科研工作，E-mail: xuewei@ tust. edu. cn

C642

A

1008-0686(2016)05-0033-03