自動控制原理卓越課程全方位教學(xué)改革探討

趙咪 魯敏

摘? 要 為了切實提高學(xué)生的知識應(yīng)用能力和科研素養(yǎng)，以自動控制原理課程為突破點，展開卓越課程全方位教學(xué)改革體會與實踐，創(chuàng)建以學(xué)生為主體，集立體式理論教學(xué)體系與多層次實驗教學(xué)體系為一體的全方位教學(xué)平臺。這種教學(xué)改革模式能有效突出教學(xué)重點，增強學(xué)生的動手能力，提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)自動控制原理的卓越課程建設(shè)。

關(guān)鍵詞 自動控制原理;教學(xué)改革;實驗教學(xué)體系;卓越課程;MATLAB

Abstract In order to stimulate enthusiasm and enhance the applica-tion ability of knowledge and scientific literacy， this paper mainly introduces the experience and practice of comprehensive education reform for automatic control theory， and establishes a set of student-oriented normalized dynamic teaching platform with stereo theory teaching system and multilevel experiment teaching system. The practice indicates that these reform patterns can effectively highlight key teaching points， strengthen the practice ability， and achieve the excellent course construction for automatic control theory.

Key words automatic control theory; teaching reform; experiment teaching system; excellent course; MATLAB

1 引言

隨著卓越工程師教育培養(yǎng)計劃在國內(nèi)高校的全面推行，高等教育逐步由研究型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。在高等教育轉(zhuǎn)型過程中，學(xué)生的專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新能力成為衡量教育水平的一個重要指標(biāo)。此外，自《中國制造2025》頒布以來，智能制造的地位凸顯出來，國內(nèi)外研究焦點集中于智能化自動控制系統(tǒng)，這就意味著相關(guān)研究領(lǐng)域急需精通自動控制技術(shù)的專才。因此，為滿足復(fù)合型人才的培養(yǎng)以及現(xiàn)代化教學(xué)的需求，自動控制原理課程改革亦必須不斷完善，更好地適應(yīng)科技和社會發(fā)展需求。

自動控制原理作為一門技術(shù)科學(xué)，主要研究自動控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，涉及系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和相關(guān)技術(shù)。在教學(xué)過程中，由于其理論性很強，且具有煩瑣的數(shù)學(xué)計算和復(fù)雜的繪圖理論，學(xué)生很難掌握課程精髓。因此，為達到理想的教學(xué)效果，必須不斷優(yōu)化課程體系，完善教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段。為了實現(xiàn)卓越課程建設(shè)，本文構(gòu)建自動控制原理課程的全方位教學(xué)改革體系，旨在使學(xué)生能夠掌握基礎(chǔ)知識，追蹤科技前沿，開發(fā)創(chuàng)新思維，更好地服務(wù)社會。

2 立體式理論教學(xué)體系

隨著理論知識的不斷更新與教學(xué)方式的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式和體系結(jié)構(gòu)已遠遠不能滿足科技進步和時代發(fā)展。為了滿足復(fù)合型人才的培訓(xùn)需求，自動控制原理的教學(xué)要堅持理論與實踐并重。針對本課程特色，本文提出多層次立體化的教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，對理論教學(xué)與實驗教學(xué)改革進行深入探索。圖1所示是立體式理論教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)化課程內(nèi)容? 伴隨科技的日新月異，新的控制方法和控制手段亦越來越多。為了迎合本科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和特色，必須不斷整合新內(nèi)容與教學(xué)成果，運用系統(tǒng)化的教學(xué)思想，構(gòu)建課程的知識體系，保證課程內(nèi)容的先進性與系統(tǒng)性。此外，必須加強應(yīng)用工程實例的介紹，啟發(fā)學(xué)生將理論與實際相結(jié)合，深化學(xué)生對知識體系的認知和全局觀念的培養(yǎng)，從而提升相應(yīng)的工程實踐能力。

多元化教學(xué)方法? 在教學(xué)過程中，根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生實際情況，精心設(shè)計教學(xué)過程，綜合運用多元化教學(xué)方法是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。如在講解核心內(nèi)容和概念時，可采用專題研討式，揭露研究熱點和知識的應(yīng)用情況，拓寬學(xué)習(xí)思路。利用問題探究式方法有助于激發(fā)學(xué)生的探索意識，針對研究內(nèi)容，學(xué)生自主思考存在的問題，并提出解決方案，錘煉學(xué)生的獨立思考和邏輯推理能力。此外，在處理兩個或多個相似性概念或問題時，采用關(guān)聯(lián)對比式教學(xué)方法，強化對知識的理解和記憶。

多樣化教學(xué)手段? 自動控制原理課程具有較多學(xué)生難以理解和掌握的抽象性內(nèi)容，必須運用信息技術(shù)手段幫助學(xué)生清晰全面地把握課程內(nèi)容。利用音頻、視頻和動畫等多媒體技術(shù)將相關(guān)課程內(nèi)容制成優(yōu)秀的多媒體課件，形象生動地體現(xiàn)與課程內(nèi)容相關(guān)的基本概念和理論。在講解圖形繪制和系統(tǒng)分析時，利用MATLAB軟件輔助完成部分教學(xué)內(nèi)容，提高課堂效率。此外，網(wǎng)絡(luò)交互式輔助教學(xué)也是對傳統(tǒng)教學(xué)的有益補充。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)課程互動平臺，通過視頻微課、習(xí)題試題庫和網(wǎng)上答疑等共享資源庫，為教師和學(xué)生建立一個不受地域與時間限制的交流平臺。

多角度科研互促? 在教學(xué)中講授理論知識的同時，必須增加一些與科研結(jié)合的內(nèi)容。通過課程設(shè)計、科技競賽和第二課堂等科技活動，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，為科研活動的開展打好基礎(chǔ)。選拔成績優(yōu)秀且科研興趣濃厚的學(xué)生，參與教師的科研課題，提升專業(yè)能力。以科研促教學(xué)，將科研成果應(yīng)用到教學(xué)實踐中，提高教學(xué)質(zhì)量，促進教學(xué)改革。

3 多層次實驗教學(xué)體系

在實驗教學(xué)過程中，為了滿足不同層次的學(xué)生需求，充分鍛煉和提升學(xué)生的實驗操作技能，本文提出多層次實驗教學(xué)體系，如圖2所示。多層次的實驗體系結(jié)構(gòu)層層遞進關(guān)聯(lián)，在資源有限的前提下，更好地滿足個性化教學(xué)需求，逐步實現(xiàn)“以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式。

基礎(chǔ)驗證性實驗? 作為實驗教學(xué)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)驗證性實驗主要鍛煉學(xué)生的實際操作技能。在熟悉實驗指導(dǎo)書的前提下，遵循實驗指導(dǎo)書操作方法完成相應(yīng)的實驗過程，并通過分析實驗結(jié)果對已學(xué)理論知識進行驗證，從而加深對理論知識的理解。如在教學(xué)時域分析法時，設(shè)立典型環(huán)節(jié)時域分析、穩(wěn)定性分析和校正實驗等，使學(xué)生對控制系統(tǒng)及其分析方法有更為透徹的理解。

設(shè)計仿真性實驗? 基礎(chǔ)驗證性實驗著重于理論知識點的驗證，缺乏必要的設(shè)計環(huán)節(jié)，難以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。設(shè)計性實驗則不同，除了對系統(tǒng)原理有清晰認識外，還要熟練掌握系統(tǒng)各個元件不同的設(shè)計方法。此外，該類實驗僅僅提供實驗?zāi)康摹⒃O(shè)備和性能要求，學(xué)生必須根據(jù)需求自行設(shè)計實驗方案，并在MATLAB仿真軟件或模擬試驗箱上進行驗證。

創(chuàng)新性實驗? 相較于設(shè)計性實驗，創(chuàng)新性實驗要求更高，只需提供某個實際需求或性能指標(biāo)，學(xué)生自主設(shè)計自動控制系統(tǒng)，在實驗過程中對建模方法、實驗題目、實驗設(shè)備、控制方式等不做任何限制。因此，不僅需要堅實的理論基礎(chǔ)，還需要一定的工程經(jīng)驗。這類實驗非常有利于加強學(xué)生的創(chuàng)新意識，并為培養(yǎng)高素質(zhì)的工程應(yīng)用人才提供了平臺。

綜合性實驗? 上述三種實驗偏向于計算機仿真軟件實現(xiàn)，而綜合性實驗更重視實物對象的研究。學(xué)生在綜合利用書本知識的基礎(chǔ)上，對自動控制系統(tǒng)進行整體分析和設(shè)計的實驗，如PID控制器設(shè)計、直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和狀態(tài)觀測器實驗等。可根據(jù)不同專業(yè)的工程應(yīng)用背景，增設(shè)綜合性實驗，拓寬專業(yè)面，全面提升學(xué)生的工程實踐能力。

4 結(jié)語

圍繞高校教育轉(zhuǎn)型這一背景，在自動控制原理課程建設(shè)中改革傳統(tǒng)的教學(xué)觀念、教學(xué)方法和教學(xué)手段，注重使用先進的教學(xué)方法，合理運用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，推進課堂教學(xué)、實驗教學(xué)等改革，將自動控制理論課程建設(shè)的各個環(huán)節(jié)融入創(chuàng)新教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方式，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。實踐證明，只有對課程教學(xué)不斷革新，因材施教，牢牢把握學(xué)生觀念思想的變化，才能進一步提高自動控制原理課程的教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)自動控制原理卓越課程的建設(shè)。

參考文獻

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