《自動控制原理》的“雨課堂”教學(xué)設(shè)計探討

生 寧,朱云云

(1.青島科技大學(xué) 自動化與電子工程學(xué)院,山東 青島 266000;2.青島晨宇環(huán)?？萍加邢薰?，山東 青島 266000)

自動控制原理是工科類專業(yè)一門非常重要的基礎(chǔ)課程，課程的教學(xué)目標(biāo)：介紹自動控制原理的基本概念、基本分析方法和設(shè)計方法，以及時域分析方法、根軌跡分析設(shè)計方法和頻域分析和設(shè)計方法。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解自動控制的基本概念，正確認(rèn)識自動控制技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用及重要作用，掌握時域分析、根軌跡法和頻域分析等內(nèi)容；通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備下列能力：

(1)能夠準(zhǔn)確理解自動控制原理的基本概念和基本理論;

(2)能夠運(yùn)用自動控制原理的基本分析與設(shè)計方法來解決實際問題;

(3)能夠把握自動控制理論發(fā)展的前沿知識;

(4)能夠具有從事相關(guān)工程和技術(shù)工作的基本素質(zhì)。

1 以雨課堂為媒介的教學(xué)設(shè)計與方法設(shè)計舉例

借助雨課堂教學(xué)軟件，以教學(xué)內(nèi)容的第二章的三節(jié)內(nèi)容為例，介紹教學(xué)設(shè)計和方法設(shè)計：

第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(教學(xué)目標(biāo)2、4)

第一節(jié)：控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型(教學(xué)目標(biāo)2)

運(yùn)用“案例教學(xué)”手段，利用典型的電學(xué)物理系統(tǒng)“RLC”振蕩電路系統(tǒng)和物理學(xué)原理背景知識建立物理系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型。首先通過雨課堂發(fā)布問題，讓學(xué)生復(fù)習(xí)已學(xué)過的物理背景知識，反饋能夠?qū)懗龅奈锢黻P(guān)系式；課堂上利用雨課堂隨機(jī)提問學(xué)生預(yù)習(xí)情況，引導(dǎo)學(xué)生動手自己建立控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型，并分析該模型的特點(diǎn)，最后通過定義給出時域數(shù)學(xué)模型的一般形式。弱化講解數(shù)學(xué)手段，如對于非線性環(huán)節(jié)線性化。課后通過雨課堂布置相關(guān)控制系統(tǒng)建立時域數(shù)學(xué)模型的題目，規(guī)定學(xué)生完成時間并在下一次課上做答案和解答情況總結(jié)。課后通過雨課堂記錄學(xué)生學(xué)習(xí)情況。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠通過已有背景知識建立實際系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型(教學(xué)目標(biāo)2)。

第二節(jié)：控制系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型(教學(xué)目標(biāo)2)

通過雨課堂發(fā)布問題，讓學(xué)生提前復(fù)習(xí)傅里葉變換，拉普拉斯變換的基本數(shù)學(xué)方法；通過雨課堂隨機(jī)提問的方式檢驗學(xué)習(xí)效果，在提問過程中將第一節(jié)所建立的“RLC”振蕩電路系統(tǒng)時域數(shù)學(xué)模型各個部分巧妙的轉(zhuǎn)化成復(fù)數(shù)域下的模型，待學(xué)生參與回答后，匯總答案寫出總的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型的形式，引導(dǎo)學(xué)生理解如何將時域數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步通過雨課堂以個人加分形式提問思考題：如何將復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成時域。接下來通過案例形式給出典型環(huán)節(jié)的時域數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生自主得到復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型。最后總結(jié)整個教學(xué)過程，并通過雨課堂發(fā)布作業(yè)。以下次課利用雨課堂隨機(jī)提問的形式或者雨課堂發(fā)布選擇題的形式，反饋學(xué)習(xí)效果。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠通過已有背景知識建立實際系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型(教學(xué)目標(biāo)2)。

第三節(jié)：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(教學(xué)目標(biāo)2、4)

繼續(xù)采用“RLC”振蕩電路系統(tǒng)，讓學(xué)生結(jié)合第一章所學(xué)的畫結(jié)構(gòu)圖的內(nèi)容，課前將其結(jié)構(gòu)圖畫出來，上課時現(xiàn)場以發(fā)送綜合題目的形式，讓學(xué)生拍照上傳所畫結(jié)構(gòu)圖，課上給出評分和講解反饋，順利完成對結(jié)構(gòu)圖畫法的講解，進(jìn)一步給出一個較為復(fù)雜的電壓測量裝置示意圖，讓同學(xué)自主完成其結(jié)構(gòu)圖的畫法，總結(jié)畫方框圖的方法，提出疑問：復(fù)雜系統(tǒng)在不知道或知道不完整背景知識下如何求它的時域或者復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型？利用數(shù)學(xué)中的黑箱原理，引導(dǎo)學(xué)生理解由方框圖得到復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型的方法，并給出方框圖的簡化規(guī)則，每一條簡化規(guī)則的給出都是一步步引導(dǎo)學(xué)生思考，學(xué)生參與回答；最后給出復(fù)雜的系統(tǒng)方框圖，讓學(xué)生動手通過簡化方框圖的方式，自己得到系統(tǒng)的復(fù)數(shù)域傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生以加分方式推導(dǎo)時域數(shù)學(xué)模型，從而幫助學(xué)生理解第二章的前三節(jié)內(nèi)容之間的關(guān)系，實現(xiàn)學(xué)生能夠運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖基本分析與設(shè)計方法來解決實際問題的能力(教學(xué)目標(biāo)2)和培養(yǎng)學(xué)生具有從事相關(guān)工程和技術(shù)工作的基本素質(zhì)的能力(教學(xué)目標(biāo)4)。

2 以雨課堂為媒介的教學(xué)預(yù)期目標(biāo)

自動控制原理因理論性強(qiáng)，教師講授難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)吃力，采用雨課堂教學(xué)的信息化教學(xué)方式的改革目標(biāo)是讓教師的“以教為主”變成學(xué)生的“以學(xué)為主”。改革思路是以學(xué)生為導(dǎo)向，借助雨課堂的功能，擬采取提前發(fā)布預(yù)習(xí)問題，課堂隨機(jī)提問或發(fā)送題目讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)和尋求解決問題的方法，課后督促學(xué)生自主復(fù)習(xí)，讓學(xué)生融入課堂，參與學(xué)習(xí)，尋求解決問題的方法，使學(xué)生更有興趣主動的學(xué)習(xí)，降低教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)作用。

多年來，自動控制原理因其專業(yè)重要性和學(xué)習(xí)起來吃力兩個對立的原因而在學(xué)生中溢滿了“不得不學(xué)”的負(fù)面情緒，自動控制原理教學(xué)改革預(yù)期效果是讓學(xué)生不再懼怕對本課程的學(xué)習(xí)，能夠在參與學(xué)習(xí)中享受到學(xué)習(xí)的樂趣，改良負(fù)面情緒，讓被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。預(yù)期成果是在全校開設(shè)自動控制原理的專業(yè)，開展基于雨課堂的自動控制原理的學(xué)習(xí)。