三亞學(xué)院自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革探索

王玲玲 丁學(xué)用

摘 要：“自動(dòng)控制原理”是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。針對三亞學(xué)院學(xué)生現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)合該課程的特點(diǎn)及三亞學(xué)院本科人才培養(yǎng)方式，提出了以能力為核心的教學(xué)課程體系和教學(xué)方式；在課程體系、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、考核形式等方面進(jìn)行改革探索，對自動(dòng)控制課程的教學(xué)起了較好的效果。并為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)應(yīng)用型人才做了積極地探索和有益地實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：關(guān)聯(lián)教學(xué)法；MOOC；MATLAB

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）10-0099-03

Abstract： "Automatic Control Principle" is a theoretical and practical course. According to the student's actuality and the undergraduate talents cultivation in Sanya College， this paper puts forward the curriculum system and teaching methods with ability as the core of teaching. With the reform of course system， teaching methods， practices and evaluation form， the automatic control teaching has been improved， and the cultivating of high-quality applied talents has been explored and practiced.

Keywords： Related teaching method； MOOC； MATLAB

自動(dòng)控制原理課程為信息控制類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也適用于工科其他專業(yè)作為選修課程。課程以經(jīng)典控制理論[1]為基礎(chǔ)，主要研究控制系統(tǒng)的分析、校正與設(shè)計(jì)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制的基本理論，建立控制系統(tǒng)的概念，改善控制系統(tǒng)性能的基本措施，了解工程設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)與管理等。課程強(qiáng)調(diào)方法論，理論性強(qiáng)，計(jì)算繁瑣。為了提高自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)效果，提高學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力[2]，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的高質(zhì)量人才，本文從自動(dòng)控制原理課程的課程體系、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式等方面進(jìn)行了一系列改革和探索。

一、課程體系

目前，大部分高校自動(dòng)控制原理課程在體系結(jié)構(gòu)[3]定義上仍以上傳統(tǒng)為主，基本傳統(tǒng)作法是：將自動(dòng)控制原理劃分為包含經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制理論兩部分的課程，以及只有經(jīng)典控制理論部分的課程，不同專業(yè)根據(jù)專業(yè)需要選擇不同的教學(xué)內(nèi)容。但是這樣選擇往往將兩部分孤立起來，這與日新月異的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展不相符合，不利于學(xué)生對自動(dòng)控制學(xué)科基礎(chǔ)理論和總體框架有整體的認(rèn)識。

三亞學(xué)院是一所獨(dú)立設(shè)置的民辦普通本科院校，招生的學(xué)生以三本為主，學(xué)校整體培養(yǎng)方向以社會(huì)需求為定位，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，逐步與國際接軌。所以了自動(dòng)控制原理課程體系改革的總體思路是：“經(jīng)典控制理論”與“現(xiàn)代控制理論”有機(jī)結(jié)合，以應(yīng)用型創(chuàng)新性的觀點(diǎn)來融合這兩部分基礎(chǔ)內(nèi)容，在授課平臺上闡述這兩部分內(nèi)容的“個(gè)性”，表達(dá)它們的“共性”以及綜合應(yīng)用。即將“經(jīng)典控制理論”與“現(xiàn)代控制理論”各自基本內(nèi)容、特點(diǎn)以及之間的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別都包含在內(nèi)。使學(xué)生在對比教學(xué)中認(rèn)識自動(dòng)控制理論，用統(tǒng)一的觀點(diǎn)建立對控制理論基礎(chǔ)知識的認(rèn)識。

二、教學(xué)方法

獨(dú)立學(xué)院電子類專業(yè)生源復(fù)雜，學(xué)習(xí)能力偏差和基礎(chǔ)知識薄弱。學(xué)生中既有理科背景的，還有少部分文科背景的；既有高考偶然因素失利的，也有勉強(qiáng)達(dá)到錄取分?jǐn)?shù)線的；結(jié)合三亞學(xué)院“應(yīng)用型本科”的人才培養(yǎng)模式，講課內(nèi)容在保證知識結(jié)構(gòu)體系完整的前提下，注重基本概念，追求過程簡明、清晰和準(zhǔn)確，重在原理，壓縮繁瑣的理論推導(dǎo)。做到重點(diǎn)突出、敘述簡潔、易教易學(xué)。

在教學(xué)方法上，課程重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生系統(tǒng)分析問題能力、模型建立能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合結(jié)合多種方法工程應(yīng)用能力等方面的培養(yǎng)。主要采用講授法、實(shí)例講解法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)等方法來加強(qiáng)教學(xué)的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，突出應(yīng)用性，培養(yǎng)學(xué)生具有掌握分析和解決自動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)嶋H問題。

（一）制定詳細(xì)的課程大綱

在學(xué)期開課之初，給出本門課程的詳細(xì)課程大綱，便于學(xué)生對課程有一個(gè)整體的了解。大綱內(nèi)容包含：課程簡介與目標(biāo)達(dá)成，課程資料與課程準(zhǔn)備，具體學(xué)時(shí)分配，課程考核與成績構(gòu)成，考試安排，倫理規(guī)范，其他資料與資源推薦。其中在學(xué)時(shí)分配中會(huì)給出具體的每次課的內(nèi)容提要，學(xué)生課前需準(zhǔn)備的內(nèi)容，每次課程的測驗(yàn)與習(xí)題。其他資料與資源推薦中會(huì)給出課程相關(guān)的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，主要包括科技前沿、網(wǎng)站資源學(xué)習(xí)等。具體如圖1所示。

（二）MOOC資源學(xué)習(xí)

根據(jù)課程安排選擇合適的在線學(xué)習(xí)資源，其中以學(xué)堂在線的自動(dòng)控制理論課程與中國大學(xué)MOOC網(wǎng)站的學(xué)習(xí)資源。以中國大學(xué)MOOC為例，本門課程的開課時(shí)間與學(xué)校開課時(shí)間基本想吻合，其中包括文本課件與視頻資源為主。每次課程時(shí)間為10分鐘左右，并包含隨堂練習(xí)，方便學(xué)生能夠隨時(shí)隨地抽出時(shí)間學(xué)習(xí)，當(dāng)場練習(xí)有利于學(xué)生對本次課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的加深理解。MOOC學(xué)習(xí)資源受眾較廣，對課程的深度把握合適，且搭配有相應(yīng)的動(dòng)畫，能聽提高學(xué)生的注意力及學(xué)習(xí)的積極性，在整體上比較適合三本院校的學(xué)生學(xué)習(xí)。其每次課程主要包含內(nèi)容如圖2所示。

（三）關(guān)聯(lián)教學(xué)法

課程之間關(guān)聯(lián)教學(xué)-關(guān)聯(lián)教學(xué)法，即剖析課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，將相關(guān)課程知識點(diǎn)進(jìn)行分類歸納對比，找出課程與課程之間的相似部分和不同部分，讓不同課程之間知識產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。 “自動(dòng)控制原理”和“信號與系統(tǒng)”均為電氣信息大類專業(yè)的基礎(chǔ)平臺課程，這兩門課程在內(nèi)容上存在一定的重復(fù)。比如，線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，方框圖、信號流圖、傳遞函數(shù)、Laplace 變換和 Z 變換，系統(tǒng)階躍響應(yīng)，線性定常系統(tǒng)的零極點(diǎn)及穩(wěn)定性判斷等內(nèi)容在這兩門課中均有出現(xiàn)。雖然它們在有些內(nèi)容表現(xiàn)上有一定的重復(fù)，但在課程體系及出發(fā)點(diǎn)上卻大不相同。信號與系統(tǒng)偏重于理論，在教學(xué)上主要側(cè)重于數(shù)學(xué)分析和運(yùn)算，較少涉及應(yīng)用。而自控課程則側(cè)重于控制工程概念及其應(yīng)用，兩者之間有明確的區(qū)分和較好的銜接。因此在自動(dòng)控制原理的教學(xué)過程中，加重對基本概念、理論和方法的闡述，使學(xué)生在思維中形成一定的工程應(yīng)用概念。將這兩門課的內(nèi)容有選擇性地結(jié)合在一起，進(jìn)行優(yōu)化，合理安排教學(xué)內(nèi)容，混合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，達(dá)到一加一大于二的效果。

課程不同知識點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)教學(xué)，即關(guān)聯(lián)不同層次，把課程知識點(diǎn)以難度相當(dāng)而內(nèi)容不同劃分并關(guān)聯(lián)。教師在教學(xué)過程中，根據(jù)自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及知識的內(nèi)在聯(lián)系，加強(qiáng)各部分關(guān)聯(lián)內(nèi)容的講解。形式可以多種多樣，既可采用分類教學(xué)的方式，也可以采用列舉例題的方式，使學(xué)生們體會(huì)并掌握課程的核心思想。例如對連續(xù)線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別，打破了章節(jié)限制，集中講解其重要性和分析手段。經(jīng)典控制理論給出了基本的三種判別方法，勞斯判據(jù)、根軌跡法、奈奎斯特判據(jù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定分析的學(xué)習(xí)過程中，可以把這三種方法關(guān)聯(lián)起來，促進(jìn)知識的融會(huì)貫通，加深理解記憶。這種關(guān)聯(lián)教學(xué)法針對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對比較薄弱的學(xué)生更能加深其對專業(yè)課程的理解。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自動(dòng)控制原理作為一門工科的基礎(chǔ)課程，實(shí)踐環(huán)節(jié)是必不可少的。目前學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要仍以實(shí)驗(yàn)箱為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)大多數(shù)也是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。首先實(shí)驗(yàn)箱的利用率不高，其次學(xué)生基本上依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有加入自己的思考和理解，更有甚者在實(shí)驗(yàn)完成之后并不知道實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)和理論知識內(nèi)容的聯(lián)系在哪里。不知其所以然，實(shí)驗(yàn)也就失去了其本身的目的和意義。所以在教學(xué)中配合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可適當(dāng)加大仿真環(huán)節(jié)，合理配置驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，充分利用仿真實(shí)驗(yàn)的便利條件，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。

在自動(dòng)控制原理這門課程中應(yīng)用最廣的就是MATLAB軟件[4]。將matlab/simulink融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[5]，構(gòu)建系統(tǒng)模型，用語言及圖形化的編程方法，直觀地描述控制系統(tǒng)理論，加深學(xué)生對抽象理論知識的理解和掌握。將matlab仿真與實(shí)驗(yàn)箱有機(jī)地結(jié)合起來，不僅為學(xué)生加深了控制系統(tǒng)建模的應(yīng)用，還提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)技能，還可以讓學(xué)生將理論于實(shí)際聯(lián)系起來，輕松發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在的問題。同時(shí)，matlab仿真縮短了理論與實(shí)際系統(tǒng)之間的距離，使理論更容易理解。整個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生以英語的形式給出，這種做法利于提高學(xué)生的專業(yè)術(shù)語英文水平。在專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，閱讀英文的科技文獻(xiàn)，可以對前沿知識了解有了更好的改進(jìn)。

四、考核方式

自動(dòng)控制原理課程的理論性、實(shí)踐性和綜合性都較強(qiáng)，內(nèi)容多，概念抽象，涉及面廣。想要學(xué)好這門課程，還必須有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如：高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)以及積分變換等數(shù)學(xué)知識，學(xué)生普遍感到有一定的難度。尤其是對于三亞學(xué)院的學(xué)生而言，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱。很多學(xué)生在就業(yè)選擇上，從事本專業(yè)，例如自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)類工作可能相對較少，以至于學(xué)習(xí)積極性不高，考試掛科率很高。大多數(shù)學(xué)生對自身的學(xué)習(xí)成績有一定的要求，對實(shí)踐實(shí)訓(xùn)感興趣，動(dòng)手能力也很強(qiáng)，對期末考試“一考定終身”的形式深惡痛絕，挫傷了平時(shí)學(xué)習(xí)特別是技能訓(xùn)練的積極性。為了改善這種狀況，采取分步的考核方式勢在必行，由傳統(tǒng)的考核方式向累加考核轉(zhuǎn)變。本課程堅(jiān)持知識、技能、能力等方面全面考核，以能力和態(tài)度考核為重點(diǎn)。

1. 課堂表現(xiàn)與部分章節(jié)小測驗(yàn)：每組課講（1次）+平時(shí)課堂答題（3次）+章節(jié)測試（4次）。

2. 隨堂作業(yè)：每上交一次課后作業(yè)即得1分，最高得10分。

3. 實(shí)驗(yàn)成績：每完成一次實(shí)驗(yàn)及上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告（優(yōu)秀）得5分，最高得20分。

4. 期末成績=課堂表現(xiàn)與部分章節(jié)小測驗(yàn)（20%）+隨堂作業(yè)（10次）（10%）+實(shí)驗(yàn)成績（20%）+期末試卷測試（50%）相結(jié)合。如圖3所示。

課堂表現(xiàn)、作業(yè)考查學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度、上課互動(dòng)性以及作業(yè)等完成情況；章節(jié)小測檢查其階段性的學(xué)習(xí)成果，通過測驗(yàn)，督促學(xué)生提高平時(shí)的學(xué)習(xí)主動(dòng)性；實(shí)踐實(shí)訓(xùn)將加強(qiáng)理論課程的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對本課程中的基本理論知識及基本概念的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過各個(gè)實(shí)驗(yàn)過程對課堂講授內(nèi)容融會(huì)貫通；期末考試成績所占總成績的比例相應(yīng)減小，主要為檢查、督促學(xué)生對平時(shí)學(xué)習(xí)進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)習(xí)和鞏固，而不是為了應(yīng)付考試而考試，對促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)起到畫龍點(diǎn)睛的作用。

五、結(jié)束語

本文闡述了三亞學(xué)院在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的一些改革意見和體會(huì)。只有在教學(xué)過程中不斷學(xué)習(xí)教育理論、積極研究和改進(jìn)教學(xué)方法、采取多樣化的教學(xué)方式和手段，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法提出新的研究方向，才能提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更多的人才。

參考文獻(xiàn)

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