自動控制理論課程的教學(xué)模式淺談

李敏

摘要：本文從教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)內(nèi)容次序安排、教學(xué)方法的設(shè)計和教學(xué)輔助手段等方面談自動控制理論課程的教學(xué)模式，如何順應(yīng)學(xué)生的認知規(guī)律和邏輯思維習(xí)慣是建立教學(xué)模式的根本出發(fā)點。

關(guān)鍵詞：認知規(guī)律；邏輯思維習(xí)慣；主線式教學(xué)；案例式教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0167-02

自動控制理論是電氣工程及其自動化、機械設(shè)計制造及其自動化以及相近專業(yè)的骨干專業(yè)必修課或選修課，是控制理論學(xué)科的首要基礎(chǔ)理論課。這門課程具有抽象性、邏輯性、理論性強、內(nèi)容多等特點，尤其與數(shù)學(xué)知識聯(lián)系密切。它為后期的電力拖動自動控制系統(tǒng)、電力電子技術(shù)、運動控制，伺服控制等專業(yè)課打下堅實的理論基礎(chǔ)。課程結(jié)束后，學(xué)生除了零星記得幾個概念，會做幾個題目以外，對這門課程缺乏一個系統(tǒng)的整體認識，更不知道學(xué)習(xí)這個課程有何意義。雖然課程的系統(tǒng)性、典型案例和研究意義，每個授課教師都會強調(diào)，但是教學(xué)效果卻不理想。究其原因，傳統(tǒng)教學(xué)模式與學(xué)生接受能力和接受習(xí)慣不對應(yīng)，我們關(guān)注教師如何去教，卻忽視了學(xué)生如何學(xué)這個問題。在杜威的“反傳統(tǒng)”教學(xué)模式及國內(nèi)同行探討教學(xué)模式的綜合熏陶下[1-4]，所在教研團隊多年的教學(xué)體會和實踐使我們深刻認識到在安排課程的教學(xué)模式時要充分考慮學(xué)生的認知心理學(xué)和學(xué)習(xí)的邏輯思維習(xí)慣。本文圍繞學(xué)生“如何學(xué)”作為教學(xué)模式研究的出發(fā)點，探討自動控制理論的教學(xué)模式

一、明確教學(xué)目的

傳統(tǒng)的教學(xué)目的是把盡可能多的學(xué)科知識傳授給學(xué)生。課堂是滿堂灌，大多數(shù)教材的編寫也是把盡可能多的知識點和知識框架呈現(xiàn)給讀者。在教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)教材沒必要寫得煩瑣，課堂上也沒必要講那么多，只需把這個方法講透徹了，總結(jié)的工作留給學(xué)生。學(xué)生覺得主線清晰，自己去做總結(jié)，很有成就感。

就自動控制理論學(xué)科而言，教師需要把學(xué)科的基本概念，基本原理和解決問題的思路方法傳授給學(xué)生，過多的知識點探討對于初次接觸控制理論學(xué)科的學(xué)生是不合時宜的。

每一門課程都有自己的特點，或是算法，或是技術(shù)，或是理論方法。自動控制理論作為控制理論的入門學(xué)科，重要的是方法的引導(dǎo)，一切教學(xué)方式都以學(xué)生是否系統(tǒng)地掌握了被控對象的控制方法為目的。圍繞這個目的，學(xué)生自然會對概念、分析被控對象所用的工具（原理）和控制器的設(shè)計原理感興趣，我們也就按照思維習(xí)慣層層逼近地把基本的知識點呈現(xiàn)給他們。

二、教學(xué)內(nèi)容的選擇

明確了課程教學(xué)的目的，我們也就知道了如何對教學(xué)內(nèi)容進行選擇。對于自動控制理論而言，不同專業(yè)學(xué)時雖然不一樣，但是對這門課程的要求是一樣的，掌握控制被控對象的方法。我們可以根據(jù)學(xué)時多少來決定所介紹方法的多少和內(nèi)容的深淺，但至少保證一種理論方法的完整介紹。需要強調(diào)的是，我們介紹原理是為方法服務(wù)的，過多的原理探討影響學(xué)生對主體內(nèi)容的把握。

三、教學(xué)內(nèi)容次序的安排

教師講授一門課程的目的和學(xué)生學(xué)習(xí)一門課的目的應(yīng)該是一致的?！蹲詣涌刂评碚摗肥且婚T控制理論，它研究被控對象的建模、分析和設(shè)計，要求學(xué)生熟練掌握控制方法。為了完成這個目的，我們主要介紹三種方法：時域法，頻域法和根軌跡法，實際對應(yīng)被控對象的三種不同數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)教學(xué)是按照教材的章節(jié)來進行的，教材為了條理性是按照建模、分析和設(shè)計分開來書寫的，但是學(xué)生的邏輯思維能力是無法在初步接觸一本課程時，就能層層剝繭從中分離出解決問題所需要的知識體系的。我們的教學(xué)決不能囿于教材，我們要按照學(xué)生能夠輕松接受的思維邏輯順序來安排教學(xué)內(nèi)容順序。自動控制理論適合按照三種數(shù)學(xué)模型分別講解對應(yīng)的分析和設(shè)計的理論方法。教學(xué)順序要依次解決學(xué)生的認知疑惑，符合學(xué)生的邏輯思維習(xí)慣。

四、教學(xué)方法的設(shè)計

我們期望學(xué)生能把握這個學(xué)科的“魚主骨”脈絡(luò)，唯有如此，學(xué)生才能系統(tǒng)地掌握這個控制方法。既然希望學(xué)生掌握“魚主骨”，那么我們就按照魚主骨的方式進行講授，這是符合學(xué)生接受新事物的思維習(xí)慣的。眾所周知，長期的熏陶遠勝短時間的灌輸，我們系統(tǒng)地去傳授這個方法，學(xué)生才可能系統(tǒng)地掌握它。我們都有一種體會，剛接觸一個新鮮事物時，我們不能把握它的細節(jié)，但是喜歡從宏觀角度上去認識它，然后再去攻克它的細節(jié)。

傳統(tǒng)教學(xué)一般采用章節(jié)式教學(xué)，優(yōu)勢是知識體系較為完整，我們所傳授的每個知識點都是面面俱到的，導(dǎo)致了學(xué)生失去了探索的興趣。并且大而全也容易將主線湮沒了。每一章結(jié)束處的舉例教學(xué)缺點在于為了和當前一章的知識點對應(yīng)，所談到的應(yīng)用一般是支離破碎的，這嚴重影響了學(xué)生的全局意識。

我們采用主線式教學(xué)和案例教學(xué)交互方式開展教學(xué)，收到良好效果。

主線式教學(xué)是以簡單案例引入研究對象，給出其中一類數(shù)學(xué)模型對應(yīng)的建模過程，其次給出分析問題時所使用的方法及其所涉及的理論原理，最后討論設(shè)計時所采用的原理和相應(yīng)的步驟等。主線式教學(xué)易使學(xué)生從宏觀角度看待問題，抓住解決問題的本質(zhì)，然后再去攻克小問題的處理方式。

每一種控制理論方法都采用主線式教學(xué)。每一種控制理論方法的綜合應(yīng)用采用一個復(fù)雜的融合了主要知識框架的案例教學(xué)。案例教學(xué)的優(yōu)勢是密切聯(lián)系實際，了解問題的工程背景，從實際問題中找到模型的對應(yīng)模塊，是一個從工程背景資料中學(xué)會抽象建模的過程，確定任務(wù)目標，然后運用系統(tǒng)分析的原理進行分析，最后運用校正設(shè)計的原理進行設(shè)計，并做仿真或?qū)嶒炦M行驗證。

主線式教學(xué)和案例教學(xué)從課堂上實現(xiàn)了理論與實踐的初步結(jié)合。兩種方法是相鋪相成的。例如，在頻域法的案例教學(xué)中會時域性能指標，這時需要回到主線把時域和頻域的聯(lián)系補充完畢，才能把案例問題解決?？傊?，教學(xué)方法的采用與思維發(fā)展順序密切相關(guān)，采取水到渠成的思路教學(xué)易被學(xué)生接受。

五、教學(xué)輔助手段

為了知識體系的系統(tǒng)性和簡潔性，在主線式教學(xué)中必然要去除教材中部分內(nèi)容。但是為了學(xué)科知識的完整性，還需要學(xué)生去了解或者掌握，這些內(nèi)容在有限學(xué)時內(nèi)是無法完成的。例如，時域分析法這一部分，典型研究對象是二階的，對于三階被控對象的分析和設(shè)計無法在課堂上完成。為了完成這部分內(nèi)容的教學(xué)目標，設(shè)計思考問題和作業(yè)引導(dǎo)學(xué)生課下完成自學(xué)。國外大學(xué)課后作業(yè)需要學(xué)生自學(xué)，查閱大量資料，才能完成，也是這個原因。

為了提升學(xué)生對三種控制控制方法的掌握程度，設(shè)計一個綜合的課程設(shè)計專題，包括仿真和電路實驗，考察學(xué)生靈活運用三種控制方法的能力以及是否能夠區(qū)分它們的聯(lián)系和不同。

六、考核方式

本文提到的教學(xué)模式有利于學(xué)生從全局把握學(xué)科，但是深入學(xué)科的程度靠學(xué)生課下完成。為了提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，平時成績所占比例大大提高，占到60%，包括平時作業(yè)成績占20%，課堂表現(xiàn)成績占20%，課程設(shè)計成績占20%。

綜上所述，本文所探討的教學(xué)模式對應(yīng)了一句諺語“師父領(lǐng)進門，修行在個人”。根據(jù)筆者多年的個人科研經(jīng)歷和教學(xué)體會，深刻認識到，每個學(xué)科進門是不容易的，需要花大量時間才能把握這門學(xué)科的思想和方法，現(xiàn)在我們的大學(xué)教學(xué)就是應(yīng)該把脈絡(luò)清晰的“魚主骨”呈現(xiàn)給學(xué)生，如何進入各個通道的方法傳授給他們。自動控制理論作為一個基礎(chǔ)學(xué)科，首先應(yīng)該做一個通識教育，激發(fā)他們的鉆研斗志，為后期的控制理論課程打下了堅實的方法論基礎(chǔ)。

參考文獻：

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