獨(dú)立學(xué)院“控制理論”精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐

李靜 許芳

【摘 要】圍繞“控制理論”課程的特點(diǎn)及獨(dú)立學(xué)院本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合“控制理論”校級(jí)精品課程的建設(shè)，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法、實(shí)踐教學(xué)體系等方面提出一系列改革措施。通過近3年的教學(xué)實(shí)踐，在培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等方面起到了良好的作用。

【關(guān)鍵詞】控制理論；精品課程；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)手段與方法；實(shí)踐教學(xué)體系

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2016）14-0042-03

“控制理論”是自動(dòng)化和電氣及自動(dòng)化專業(yè)必修的一門專業(yè)核心課程，作為武昌首義學(xué)院的校級(jí)精品課程建設(shè)項(xiàng)目于2012年開始建設(shè)。筆者結(jié)合課程特點(diǎn)和專業(yè)實(shí)際，提出了“以培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才”為主線的改革思想，在近3年的精品課程建設(shè)過程中，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法、多媒體課件制作、實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用等方面做了一系列的優(yōu)化和改革，逐步形成了一套適應(yīng)獨(dú)立學(xué)院、工科院校的控制理論課程的教學(xué)體系。

一、教學(xué)內(nèi)容安排

課程組根據(jù)獨(dú)立學(xué)院生源參差不齊，學(xué)生接受知識(shí)、對(duì)知識(shí)的理解能力差異較大的特點(diǎn)，對(duì)課程的內(nèi)容進(jìn)行了整合，制定了新的教學(xué)大綱，優(yōu)化了教學(xué)課件，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建立課程群

對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生而言，“控制理論”課程是一門承上啟下的課程，該門課程以前期的“高等數(shù)學(xué)”“信號(hào)與系統(tǒng)”“電路”“模擬電子技術(shù)”等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)課程“過程控制系統(tǒng)”“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”等的基礎(chǔ)。因此，課程組結(jié)合課程性質(zhì)，首先構(gòu)建了由這些課程形成的課程群，一起討論并優(yōu)化了幾門課程的教學(xué)內(nèi)容，保證了各門課程知識(shí)的連貫性、兼容性，做到課程知識(shí)間的承上啟下，避免了任課教師盲目上課，內(nèi)容重復(fù)或重點(diǎn)內(nèi)容不突出的現(xiàn)象。例如，有關(guān)拉普拉斯變換的定義及性質(zhì)部分的內(nèi)容在“信號(hào)與系統(tǒng)”中已經(jīng)詳細(xì)講授過，在“控制理論”中僅帶著學(xué)生復(fù)習(xí)一下性質(zhì)的具體內(nèi)容，讓學(xué)生知道如何使用即可；有關(guān)BODE圖的繪制及其特點(diǎn)這些內(nèi)容“控制理論”講得很詳細(xì)，后續(xù)的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程中這個(gè)部分也可以弱化，等等。

2. 關(guān)注發(fā)展前沿，保持內(nèi)容先進(jìn)性

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，控制理論的發(fā)展也日新月異，智能控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制等方向都取得了很大進(jìn)展。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓其了解本專業(yè)方向的發(fā)展前沿，保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，教師在授課過程中應(yīng)適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生接觸一些新理論、新技術(shù)。比如，在講授與穩(wěn)定系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的不穩(wěn)定系統(tǒng)的例子“倒立擺”時(shí)，引入雙輪自平衡機(jī)器人這一典型的倒立擺模型，引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)及成果；在講授PID控制算法時(shí)，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法和魚群算法等智能控制算法，引導(dǎo)學(xué)生去了解這些算法的基本思想，等等。這樣不僅加深了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，更重要的是大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3. 淡化推導(dǎo)，重視例題習(xí)題

“控制理論”課程理論性很強(qiáng)，涉及“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”等課程的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，如果課堂上太過注重?cái)?shù)學(xué)公式的推導(dǎo)、證明，很容易讓學(xué)生感覺抽象且難以理解，所以在講課過程中應(yīng)盡量淡化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)、證明。例如，繪制根軌跡的基本規(guī)則中漸近線、分離點(diǎn)等規(guī)則的數(shù)學(xué)證明較為煩瑣，在授課過程中僅提供證明思路即可，關(guān)鍵是講清楚如何運(yùn)用規(guī)則繪制根軌跡、分析系統(tǒng)性能。

另一方面，鑒于此門課程的強(qiáng)理論性，在詳細(xì)講解了重要知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，需多講解一些綜合性較強(qiáng)的例題，讓學(xué)生清楚地知道如何運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)解題，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。課程組在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)有很多學(xué)生反映：課堂上老師講的都能聽懂，但是一到課下自己做題就會(huì)遇到問題，特別是考研真題中有些綜合性的題目感覺無從下手，這些情況歸根結(jié)底還是因?yàn)閷?duì)知識(shí)點(diǎn)掌握得不夠扎實(shí)，不會(huì)靈活運(yùn)用，所以有針對(duì)性的練習(xí)必不可少。

4. 重視工程應(yīng)用，增強(qiáng)實(shí)例列舉

“控制理論”課程貫穿始終的一條主線是：建立模型、分析系統(tǒng)性能、綜合設(shè)計(jì)，學(xué)生學(xué)習(xí)的最終目的是要能進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步的要能解決實(shí)際工程應(yīng)用問題，因此，在授課過程中應(yīng)盡量多結(jié)合實(shí)際的工程實(shí)例來講解。例如，在講解課程中非常重要的“閉環(huán)控制”概念時(shí)，引入大家所熟知的馬桶液位自動(dòng)控制系統(tǒng)、加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)等實(shí)例來講解，使得學(xué)生對(duì)反饋控制系統(tǒng)的組成及工作原理有更深刻的認(rèn)識(shí)。

二、教學(xué)手段與方法的改革

教學(xué)手段與方法的改革是精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)，主講教師在課堂教學(xué)過程中應(yīng)盡量做到熟悉課程內(nèi)容，授課內(nèi)容豐富，信息量適當(dāng)，思路清晰，重難點(diǎn)突出等，還應(yīng)大力提倡采用“啟發(fā)式”“互動(dòng)式”教學(xué)方法，以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生參與到教學(xué)過程中來。具體實(shí)施如下：

1. 引入MATLAB/SIMULINK仿真，讓學(xué)生更加直觀地理解系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面的性能分析等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生在課余時(shí)間也可以通過仿真軟件分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)，鞏固理論知識(shí)。

2. 引入學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)秀作品，將理論講解與實(shí)物演示結(jié)合，讓學(xué)生更加直觀地理解閉環(huán)控制系統(tǒng)、PID控制算法在實(shí)踐中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性。

3. 設(shè)置一些問題或者指定部分內(nèi)容，留給學(xué)生課后思考、自學(xué)。通過檢查或者讓學(xué)生自己上臺(tái)來講1次課等形式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

4. 將傳統(tǒng)的板書和多媒體教學(xué)手段相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。多媒體課件需注意強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)難點(diǎn)，圖文逐條顯示，充分展現(xiàn)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系；另外還要引入一些動(dòng)畫或者仿真曲線等充實(shí)課件的內(nèi)容，吸引學(xué)生的注意力；而對(duì)于重點(diǎn)公式的推導(dǎo)、重要知識(shí)點(diǎn)的理論分析、習(xí)題的解題步驟等內(nèi)容則先以板書的形式給出，然后再結(jié)合多媒體課件加深印象，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果。

三、實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

獨(dú)立院校培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才，需努力改變以往“高學(xué)歷，低能力”的狀況和不適應(yīng)用人部門對(duì)應(yīng)用型人才需要的情況，因此，實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為此，可采用以下辦法：

1. 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力

修訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，更新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)講義，除了加強(qiáng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，新增了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，另外還增加了MATLAB仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。課程組在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上也進(jìn)行了改革和探索。具體體現(xiàn)為：

（1）上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，除了在課表中安排的指導(dǎo)老師外，課程組其他沒有課的青年教師中必須有1～2個(gè)進(jìn)行協(xié)助指導(dǎo)，提高指導(dǎo)效率。

（2）課堂上事先布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生做好預(yù)習(xí)，并檢查預(yù)習(xí)情況。這樣，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)更有目的性。

（3）實(shí)驗(yàn)開始前，實(shí)驗(yàn)教師說明實(shí)驗(yàn)要求，并對(duì)有關(guān)重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，但不再告訴學(xué)生如何一步一步接線，如何搭建系統(tǒng)，要求學(xué)生自己思考，自己連接，構(gòu)造系統(tǒng)，經(jīng)教師檢查合格后方能運(yùn)行、調(diào)試。這樣就避免了部分學(xué)生過于依賴教師，記憶式接線，完全沒有系統(tǒng)的概念，也完全沒有收獲，這種方法有效地提高了實(shí)驗(yàn)效果。

（4）實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)老師不再有問必答，而是結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析，引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生慢慢總結(jié)問題，然后提出改進(jìn)措施，再實(shí)施、驗(yàn)證。

（5）實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生不僅要提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，部分被抽查到的學(xué)生還要針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容回答指導(dǎo)教師的提問，促使學(xué)生端正態(tài)度、認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)。

通過以上改革，學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)比以前更有內(nèi)涵了，實(shí)驗(yàn)效果明顯提升。此外，為檢驗(yàn)并進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，每學(xué)期會(huì)針對(duì)學(xué)生組織一次專業(yè)技能測(cè)試，在自動(dòng)化專業(yè)的所有學(xué)生里隨機(jī)抽取一定比例的學(xué)生，在一定時(shí)間內(nèi)完成指定內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，由3名評(píng)估老師根據(jù)學(xué)生在測(cè)試過程中的表現(xiàn)予以評(píng)分，不合格的學(xué)生需要重修對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。此方法能促進(jìn)學(xué)生對(duì)所有實(shí)驗(yàn)課程的重視程度，較好地提高了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

2. 用心指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)，努力提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力

鑒于“控制理論”課程沒有配套的課程設(shè)計(jì)，課程組就在指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)上多下功夫。項(xiàng)目建設(shè)期間，每年指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，均是盡量擬定能切實(shí)鍛煉學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的課題，凡是能做出實(shí)物的課題均嚴(yán)格要求學(xué)生動(dòng)手做實(shí)物。近3屆課程組老師在指導(dǎo)控制類畢業(yè)設(shè)計(jì)中共獲得校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)項(xiàng)29項(xiàng)，其中湖北省優(yōu)秀畢業(yè)論文8篇，切實(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3. 積極參與學(xué)科競(jìng)賽，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

學(xué)科競(jìng)賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的一個(gè)重要平臺(tái)，課程組非常重視將學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)與課程教學(xué)相結(jié)合，注重創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。課程組每年均會(huì)指導(dǎo)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽、飛思卡爾智能車大賽和機(jī)器人大賽等學(xué)科競(jìng)賽，較好地把控制理論教學(xué)輻射到科技制作、學(xué)科競(jìng)賽等方面，在加深對(duì)課程內(nèi)容理解的同時(shí)，切實(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

同時(shí)，結(jié)合精品課程建設(shè)，課程組也積極開展了相關(guān)的教學(xué)、科學(xué)研究，并積極引導(dǎo)學(xué)生參與這些項(xiàng)目，這為學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐訓(xùn)練提供了極為有利的條件，也為學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽取得好成績(jī)提供了強(qiáng)大支撐，學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新精神得到了有效提高。

四、網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時(shí)間和空間的限制，利用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和多媒體的交互性，能有效地實(shí)現(xiàn)資源的共享。我校已于2015年底全面建成了精品資源共享課程平臺(tái)，“控制理論”課程的教學(xué)大綱、課件、MATLAB仿真實(shí)例、習(xí)題集、競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)作品調(diào)試的視頻等所有相關(guān)資源均已實(shí)現(xiàn)了共享，并及時(shí)提供更新和維護(hù)，學(xué)生可以隨時(shí)下載所需的資料用于課前預(yù)習(xí)或者課后復(fù)習(xí)。同時(shí)，網(wǎng)站還開辟了師生在線交流欄目，學(xué)生可以在網(wǎng)上針對(duì)學(xué)習(xí)過程中遇到的問題、對(duì)教學(xué)的意見、建議等及時(shí)與教師溝通交流。網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)為師生互動(dòng)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，獲得學(xué)生的一致好評(píng)。

五、總結(jié)

在校級(jí)精品課程“控制理論”近三年的建設(shè)過程中，以上一系列措施極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力，近三屆自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生在考研率、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面取得較好的成效。但是“控制理論”課程的改革是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，下一步我們將在以下幾個(gè)方面繼續(xù)進(jìn)行探索和改進(jìn)：

1. 進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，重視師資培養(yǎng)，改善職稱結(jié)構(gòu)，同時(shí)選拔教師進(jìn)企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，培養(yǎng)1～2名雙師型教師，讓團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)更加合理化。

2. 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)裝置的作用，將實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)范化、規(guī)?；?。

3. 進(jìn)一步加強(qiáng)課程群建設(shè)，合理優(yōu)化、整合資源。

4. 加強(qiáng)校企合作，爭(zhēng)取建立1～2處自動(dòng)控制領(lǐng)域相關(guān)的實(shí)習(xí)基地，接受部分學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)或生產(chǎn)實(shí)習(xí)或自主實(shí)習(xí)，切實(shí)提升學(xué)生的社會(huì)實(shí)踐能力。

5. 不斷更新、完善課程網(wǎng)站，重點(diǎn)建設(shè)好網(wǎng)上學(xué)生答疑平臺(tái)、互動(dòng)平臺(tái)，最大限度地發(fā)揮網(wǎng)站作用。

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（編輯：秦俊嫄）