問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法在“自動(dòng)控制原理”中的應(yīng)用

鄢圣茂，宋立忠，王 潔

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢430033)

“自動(dòng)控制原理”是工科院校自動(dòng)化類各專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程采用繁多的數(shù)學(xué)工具，其系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，該特點(diǎn)決定了本課程比較抽象和難學(xué)［1]。我們針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)采用了問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法，通過(guò)一環(huán)扣一環(huán)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更具有挑戰(zhàn)性和趣味性。

1 問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的基本內(nèi)涵

問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法按照知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系和教學(xué)功能的不同層次，將教學(xué)內(nèi)容梳理、提煉和升華，設(shè)計(jì)為呈鏈狀結(jié)構(gòu)的環(huán)環(huán)緊扣的問(wèn)題集合，以激發(fā)引導(dǎo)學(xué)生探索性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。

問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法是以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的教學(xué)方式。它包含兩層意思:首先體現(xiàn)在“問(wèn)題”兩個(gè)字上，問(wèn)題的處理是問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)的基本要求;其次是體現(xiàn)在“鏈”字上，鏈字主要表現(xiàn)在知識(shí)的層次上，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中知識(shí)鏈的處理是問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)的核心問(wèn)題。

2 問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的基本要求

2.1 問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的基礎(chǔ)

問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的基礎(chǔ)是問(wèn)題式教學(xué)法，問(wèn)題教學(xué)法的實(shí)施必須做好下面三個(gè)方面的工作。

1)教師在課前依據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出問(wèn)題，所提問(wèn)題按難易程度分為難、較難、一般、較易和容易等五種，按教學(xué)內(nèi)容可分為基本、重點(diǎn)、難點(diǎn)和研究等類型。

2)學(xué)生應(yīng)該在課堂上積極主動(dòng)地思考、分析教學(xué)內(nèi)容，動(dòng)口、動(dòng)手和動(dòng)腦，敢于大膽發(fā)表自己的見(jiàn)解。

3)應(yīng)該建立融洽的師生關(guān)系，創(chuàng)造融洽的討論氣氛。教師必須有一定的應(yīng)變能力，對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中可能遇到的各種特殊情況要有合適的應(yīng)對(duì)措施和處理辦法。

2.2 問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的核心

問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的“鏈”字的含義就在于知識(shí)的按序連接的連續(xù)性和整體性，問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。像“自動(dòng)控制原理”這樣的課程，所有的知識(shí)點(diǎn)不可能是只用一根知識(shí)鏈就可以串起來(lái)的，鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法還要體現(xiàn)問(wèn)題鏈群的整體性。如何完成課程的問(wèn)題鏈，要做好以下三個(gè)方面的工作。

1)教師應(yīng)當(dāng)提出要進(jìn)一步研究和討論的問(wèn)題，讓學(xué)生展開(kāi)討論、分析和對(duì)比，得出正確的結(jié)論后再由教師小結(jié)。

2)在學(xué)生理解各單個(gè)知識(shí)點(diǎn)之后，教師提出進(jìn)一步討論的問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生得出各單個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，得到單個(gè)問(wèn)題鏈。

3)在學(xué)生掌握了單個(gè)問(wèn)題鏈之后，進(jìn)一步獲得各單個(gè)問(wèn)題鏈的聯(lián)系與區(qū)別，得到問(wèn)題鏈。

這三方面是密切聯(lián)系、互相依賴又逐漸提高的，這些工作可歸納為六個(gè)字:“學(xué)習(xí)，掌握，創(chuàng)新”。即:通過(guò)思考、分析和討論來(lái)學(xué)習(xí)新知識(shí);通過(guò)討論來(lái)理解、掌握好新知識(shí);通過(guò)大膽的設(shè)想，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。

3 問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法的具體運(yùn)用

3.1 基本問(wèn)題鏈教學(xué)

在“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)中首先要抓好基本知識(shí)點(diǎn)教學(xué)，抓住控制系統(tǒng)的基本要求:穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，充分運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的有關(guān)工具對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行不同形式的表述［2]。

“自動(dòng)控制原理”的基本知識(shí)鏈如圖1所示，圖中描述了“自動(dòng)控制原理”的基本教學(xué)框架。圖中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都可以提出很多不同性質(zhì)的問(wèn)題，這些問(wèn)題自然的就構(gòu)成一條鏈。例如圖2示出自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本問(wèn)題鏈，圖3是控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本問(wèn)題鏈［3]。

在“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中，緊緊圍繞設(shè)計(jì)這根主線，這樣我們就可很好地將“自動(dòng)控制原理”的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串在一起。在講述根軌跡法、頻率響應(yīng)法和狀態(tài)空間法時(shí)，以設(shè)計(jì)為主線，把分析和設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。例如，在根軌跡一章中，突出由根軌跡選擇系統(tǒng)增益，以及如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)使一對(duì)共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)滿足系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的內(nèi)容;在頻率響應(yīng)一章中，突出用伯德圖方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)滿足穩(wěn)定裕度和穩(wěn)態(tài)誤差指標(biāo)的內(nèi)容。離散控制一章重點(diǎn)講解數(shù)字控制系統(tǒng)的連續(xù)設(shè)計(jì)法和離散設(shè)計(jì)法。通過(guò)比較，各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)、局限性和適用范圍更加明確。

3.2 問(wèn)題鏈群的教學(xué)

我們?yōu)榱藥椭鷮W(xué)生理解“自動(dòng)控制原理”課程的工程背景，授課時(shí)采用以Matlab為主要軟件的控制系統(tǒng)CAD教學(xué)。此外還必須涉及一些控制系統(tǒng)的綜合硬件實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須分組協(xié)作進(jìn)行［4]。

在具體的教學(xué)工作中，我們?cè)灾本€一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了詳細(xì)地講解。圍繞控制器設(shè)計(jì)，我們提出如下七個(gè)問(wèn)題:①直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)建模;②執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特征;③傳感器的特點(diǎn)與數(shù)學(xué)模型;④控制器的數(shù)學(xué)模型;⑤控制器的工程實(shí)現(xiàn)所需面對(duì)的問(wèn)題;⑥控制系統(tǒng)數(shù)字仿真;⑦控制系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)。

每個(gè)問(wèn)題又由若干小的問(wèn)題展開(kāi)。例如:直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)建模這個(gè)問(wèn)題與以下三個(gè)問(wèn)題有關(guān):①直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的控制精度要求;②直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)力學(xué)分析;③直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程分析。

這些問(wèn)題緊緊圍繞控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這根主線展開(kāi)，在控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，在控制器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。各方面的問(wèn)題呈鏈狀結(jié)構(gòu)一步一步深入下去，同時(shí)這些問(wèn)題鏈組成了一個(gè)問(wèn)題鏈群—一般控制器設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.結(jié)語(yǔ)

問(wèn)題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)法是按內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)用循序漸進(jìn)的、系統(tǒng)的思路及講解方法，充分調(diào)動(dòng)教師的主動(dòng)性及學(xué)生的積極性，進(jìn)而完成課程教學(xué)任務(wù)的一種方法。其特點(diǎn)是:

(1)通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯實(shí)現(xiàn)課程各部分之間的緊密銜接，體現(xiàn)出知識(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及系統(tǒng)性和條理性;通過(guò)各部分內(nèi)容的研究方法的講解體現(xiàn)課程的專業(yè)性。

(2)課前發(fā)揮教師的積極性，課堂上調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手和思維積極性。

(3)比較有效地引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生從整體上把握知識(shí)要點(diǎn)。

(4)能比較好地處理好理論知識(shí)與實(shí)踐工程之間的關(guān)系，并能較好地發(fā)揮高等數(shù)學(xué)的工具作用。

［1] 孟令雅自動(dòng)控制原理教學(xué)漫談［J] .南京:電子電氣教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，(2)

［2] 田玉平探索“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)體系改革之路［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)2008(6)

［3] Richard C.Dorf H.Bishop Modern Control Syetems(Ninth Edition)著［M] .北京:科學(xué)出版社

［4] 鄒恩，漆海霞，楊秀麗等“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)的方法研究［J] .北京:中國(guó)電力教育2009(10)