《自動(dòng)控制原理》全方位教學(xué)改革體系的構(gòu)建思考

王亮 許軍 周奇勛 樂(lè)春峽

摘要：《自動(dòng)控制原理》課程具有數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、理論知識(shí)面廣、結(jié)合工程背景強(qiáng)等特點(diǎn)，這使得不少教師在教學(xué)過(guò)程中感覺(jué)難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)清晰闡述整個(gè)課程的構(gòu)架，而學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)枯燥無(wú)味且內(nèi)容生澀難懂。在這種背景下，學(xué)生只是機(jī)械地記住了若干公式定理，很難用相應(yīng)的控制思想去解決實(shí)際工程中的問(wèn)題，為此研究如何通過(guò)《自動(dòng)控制原理》課程的全方位教學(xué)改革來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，切實(shí)提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力和科研素養(yǎng)，就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；應(yīng)用型教學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)體系

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）18-0081-02

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，高等教育過(guò)于重視研究的缺陷日益突出，為此2010年6月教育部在全國(guó)高校開(kāi)展“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在促進(jìn)高等教育由研究型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變[1]。在高等教育轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，我院為提高自動(dòng)控制專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，構(gòu)建了《自動(dòng)控制原理》課程的全方位教學(xué)改革體系，現(xiàn)就其中比較典型的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

一、《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)現(xiàn)狀

第一，課堂信息量與課時(shí)之間的矛盾比較突出?！蹲詣?dòng)控制原理》涉及較多的理論知識(shí)、圖形（如對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖、工程應(yīng)用原理圖等，在圖形的繪制和講解上需要耗費(fèi)較多的時(shí)間）、公式推導(dǎo)、應(yīng)用介紹等，雖然本院教學(xué)計(jì)劃為96課時(shí)且開(kāi)設(shè)16課時(shí)的實(shí)驗(yàn)，但相對(duì)于如此龐大的課堂信息量，課時(shí)還是略顯不足，同時(shí)學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)很難有效消化眾多的知識(shí)點(diǎn)，使教學(xué)效果大打折扣。

第二，實(shí)驗(yàn)課的授課方式有待改進(jìn)。雖然我院對(duì)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容和環(huán)節(jié)都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，但仍然按照傳統(tǒng)理論授課的方式來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課（即教師對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)講解后，學(xué)生按照步驟來(lái)進(jìn)行操作），這弱化了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，學(xué)生的思維在實(shí)驗(yàn)中處于僵硬狀態(tài)，沒(méi)有讓知識(shí)成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)[2，3]。

第三，多媒體課件的應(yīng)用不夠深入。利用多媒體課件能夠使學(xué)生獲得直觀的印象，激發(fā)學(xué)生的理想式思維（如在頻率特性的講解中，可以通過(guò)動(dòng)畫來(lái)讓學(xué)生了解系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線是如何隨系統(tǒng)參數(shù)的變化而變化），也有助于調(diào)節(jié)單調(diào)的課堂氛圍。但目前多媒體課件在我院應(yīng)用的較少，更多的知識(shí)講解還是依靠板書。

第四，教學(xué)方法比較單一。“傳授知識(shí)點(diǎn)為主，啟發(fā)式教學(xué)為輔”的教學(xué)方法過(guò)于強(qiáng)調(diào)傳授知識(shí)，難以激發(fā)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的熱情和創(chuàng)造力，同時(shí)制約了學(xué)生靈活應(yīng)用知識(shí)的能力。

二、《自動(dòng)控制原理》全方位教學(xué)改革體系的構(gòu)建

1.融合工程實(shí)例來(lái)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。教師在選擇教材時(shí)，不僅要考慮到學(xué)生接受的難易程度及教學(xué)的課時(shí)量，還要考慮到所授專業(yè)未來(lái)的就業(yè)方向[4]。雖然現(xiàn)在《自動(dòng)控制原理》的教材較多[如科學(xué)出版社的《自動(dòng)控制原理》（第五版）教材對(duì)自動(dòng)控制的基本理論進(jìn)行了全面闡述，并將MATLAB軟件的仿真包含在內(nèi)，但其與工程實(shí)踐的結(jié)合還不夠緊密]，但考慮到本院學(xué)生的實(shí)際需求，課程組人員自行編寫了《自動(dòng)控制原理》教材，在教材中除包含系統(tǒng)控制理論和控制方法、系統(tǒng)分析方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及線性系統(tǒng)校正方法等重點(diǎn)內(nèi)容外，還融入了具體實(shí)例（如板帶軋制過(guò)程控制、雙容水箱的壓力控制）來(lái)幫助學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行消化吸收。

2.采用多元化的教學(xué)方法。《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)中可用的方法較多，例如：

第一，專題式教學(xué)法。專題式教學(xué)法比較適合學(xué)時(shí)較少的專業(yè)，其流程如下：教師將若干個(gè)核心內(nèi)容進(jìn)行整合，選出具有代表性的研究熱點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展→講述研究知識(shí)在具體實(shí)踐中的應(yīng)用→向?qū)W生提出需要思考的問(wèn)題和研究方向。

第二，問(wèn)題式教學(xué)法。問(wèn)題式教學(xué)法有助于激發(fā)學(xué)生的探索意識(shí)，其流程如下：教師提出具體的研究?jī)?nèi)容，讓學(xué)生就該內(nèi)容尋找相應(yīng)的問(wèn)題→學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)來(lái)進(jìn)行自主思考，然后與其他學(xué)生進(jìn)行溝通和交流來(lái)制定問(wèn)題的初步解決方案→學(xué)生對(duì)問(wèn)題的解決情況進(jìn)行反思，并對(duì)解決方案進(jìn)行完善，從而力求徹底解決問(wèn)題。

第三，關(guān)聯(lián)教學(xué)法。所謂關(guān)聯(lián)教學(xué)法，是指教師將學(xué)生已掌握知識(shí)和其他利于新知識(shí)理解的相關(guān)信息聯(lián)系起來(lái)，促進(jìn)學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)更好地掌握新知識(shí)，在復(fù)習(xí)已有知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)新知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。

3.靈活應(yīng)用多媒體課件來(lái)輔助課程教學(xué)。如前文所述，《自動(dòng)控制原理》是一門抽象性和理論性很強(qiáng)的課程，很多枯燥煩瑣的理論問(wèn)題如果依靠板書，很難讓學(xué)生產(chǎn)生直觀印象并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，因此適當(dāng)應(yīng)用多媒體課件來(lái)輔助課程教學(xué)就顯得尤為重要。本文將以Matlab在《自動(dòng)控制原理》中的具體應(yīng)用來(lái)進(jìn)行說(shuō)明：

第一，構(gòu)建系統(tǒng)模型。在利用Matlab對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析時(shí)，需要首先進(jìn)行系統(tǒng)建模。利用Matlab的Simulink工具箱可直接構(gòu)建系統(tǒng)的方框圖模型，比傳統(tǒng)的仿真軟件（如差分方程建模）更加靈活和直觀[5]。

第二，進(jìn)行性能分析。如果利用人工來(lái)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，那么需要大量的公式計(jì)算來(lái)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行分析，不僅過(guò)程煩瑣且教學(xué)效果較差，而如果利用Matlab的Simulink工具箱，則可以極大地簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。

第三，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的對(duì)象模型來(lái)確定合適的校正裝置，確保系統(tǒng)達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)性能，而Matlab的Simulink工具箱允許對(duì)參數(shù)進(jìn)行隨意修改，并且可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行即時(shí)觀測(cè)，從而使設(shè)計(jì)者可以通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，以獲得最佳的指標(biāo)[6]。

第四，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。通過(guò)Matlab的Simulink工具箱，教師從模塊庫(kù)中復(fù)制系統(tǒng)所需的模塊，然后按照硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方框圖進(jìn)行連接就可以完成虛擬實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)，不僅提高了仿真結(jié)果的可信度，而且有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感。

4.實(shí)施“以學(xué)生為主體”的模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。本院實(shí)施了“以學(xué)生為主體”的模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在力求讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)主體和兼顧學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件的前提下，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)課劃分為如下幾個(gè)模塊：

第一個(gè)模塊是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基層，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生自主創(chuàng)新能力、分析能力等要求較低，需要學(xué)生在認(rèn)真學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的情況下，遵循實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)對(duì)已學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證（如典型非線性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)）。

第二個(gè)模塊是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)雖然可以提高學(xué)生理解和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，但由于缺乏必要的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往按部就班，難以發(fā)揮學(xué)習(xí)能動(dòng)性，為此在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上延伸了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)），此類實(shí)驗(yàn)只給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和設(shè)備，然后讓學(xué)生根據(jù)所需的理論知識(shí)來(lái)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并在Multisim仿真軟件或模擬試驗(yàn)箱上進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與度。

第三個(gè)模塊是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入工程應(yīng)用背景，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目及實(shí)驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)完成中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。由于結(jié)合相應(yīng)的工程應(yīng)用，并且對(duì)建模方法、實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、控制方式等不做任何限制，因此非常有利于學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，并能夠幫助學(xué)生將書本知識(shí)自主轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程應(yīng)用。

第四個(gè)模塊是綜合性實(shí)驗(yàn)。上述三種實(shí)驗(yàn)的被控對(duì)象是用仿真軟件或模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而綜合性實(shí)驗(yàn)的被控對(duì)象是實(shí)物對(duì)象，是學(xué)生在綜合利用書本知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自主分析和設(shè)計(jì)的試驗(yàn)（包括數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)驗(yàn)等）。

5.構(gòu)建科學(xué)合理的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。學(xué)生的綜合素質(zhì)絕不能僅僅靠考試成績(jī)來(lái)衡量，為此我院構(gòu)建了完善的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，分別包含理論課程的評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)價(jià)兩個(gè)部分（其中理論課程占學(xué)生總成績(jī)的80%，實(shí)驗(yàn)課程占學(xué)生總成績(jī)的20%，具體如表1所示）：

三、討論

經(jīng)過(guò)近年的不斷改革，本院已經(jīng)構(gòu)建了比較完善的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)體系，通過(guò)理論和實(shí)踐的交互來(lái)不斷提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)。但毋庸置疑地，任何一門課程的知識(shí)點(diǎn)都處于動(dòng)態(tài)發(fā)展之中，《自動(dòng)控制原理》課程也不例外，需要我們不斷地對(duì)教學(xué)理念、教學(xué)方法、輔助技術(shù)、教學(xué)評(píng)價(jià)等進(jìn)行改革，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求。

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