新時(shí)代背景下“自動(dòng)控制理論”教育方法的探討

劉棟博 房玉 黃永茂 郭奕 王維博 王海濱

摘 要 目前社會(huì)處在技術(shù)飛速發(fā)展的新時(shí)代，“自動(dòng)控制理論”作為機(jī)電專業(yè)、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的理論基礎(chǔ)課程，是一門工程性比較強(qiáng)的專業(yè)理論課程。本文針對(duì)“自動(dòng)控制理論”課程在教育教學(xué)方面的現(xiàn)狀進(jìn)行思考，從理論教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)的雙重角度探討新時(shí)代下“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)內(nèi)容與方法，提高學(xué)生在新背景下實(shí)踐應(yīng)用所要求的能力及“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)質(zhì)量，

關(guān)鍵詞 自動(dòng)控制理論 新背景 教學(xué) 方法

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.01.033

On the Educational Method of "Automatic Control Theory" in the New Era

LIU Dongbo， FANG Yu， HUANG Yongmao， GUO Yi， WANG Weibo， WANG Haibin

（School of Electrical Engineering and Electronic Information， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039）

Abstract At present， the society is in a new era of rapid development of technology. "Automatic control theory"， as a theoretical basis course of mechanical and electrical specialty， automation and other related majors， is a professional theoretical course with strong engineering. Based on the current situation of "automatic control theory" course in education and teaching， this paper discusses the teaching content and methods of "automatic control theory" course in the new era from the perspective of theory teaching and students' learning， so as to improve the ability of students' practical application in the new background and the teaching quality of "automatic control theory" course.

Keywords automatic control theory; new background; teaching; methods

“自動(dòng)控制理論”作為工程背景專業(yè)下特別是自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)體系中都有著非常重要的意義。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展及運(yùn)用，“自動(dòng)控制理論”課程的不斷發(fā)展和深入有利于將很多分散的學(xué)科問(wèn)題融合在一起，并運(yùn)用于同一種問(wèn)題上，主要是使相關(guān)專業(yè)的學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論原理能夠有基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，掌握解決實(shí)際技術(shù)問(wèn)題和控制設(shè)計(jì)的基本思想，深化學(xué)生對(duì)控制原理的理解，從而提升學(xué)生的專業(yè)能力，并為后續(xù)的專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

結(jié)合目前“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)內(nèi)容，主要是講解傳統(tǒng)控制理論中各種線性系統(tǒng)模型的建立及性能分析的方法。由于自動(dòng)控制課程屬于專業(yè)理論基礎(chǔ)課，需要圍繞系統(tǒng)模型建立及分析進(jìn)行教學(xué)，課程中有著大量的如微分方程、傳遞函數(shù)等數(shù)學(xué)模型及理論推導(dǎo)，同時(shí)也需要學(xué)生掌握傳統(tǒng)控制理論中根軌跡、伯德圖等圖形化的分析方法，再學(xué)習(xí)通過(guò)時(shí)域及頻域進(jìn)行綜合性能的分析及設(shè)計(jì)。

理論講解的過(guò)程需要研究抽象的傳遞函數(shù)，學(xué)生往往很難建立起抽象模型與實(shí)際對(duì)象之間的概念，對(duì)于本課程的教學(xué)質(zhì)量及效率有著很大的影響。從本門課程自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來(lái)看，往往缺乏實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容背景下分析原理、解決問(wèn)題、處理問(wèn)題的相關(guān)能力，因此針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與更新就非常重要了。

1.1 理論教學(xué)內(nèi)容的更新

學(xué)生首先需要從整體上掌握自動(dòng)控制理論這門課程的主導(dǎo)思想，從這方面考慮，需要對(duì)原有理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行充實(shí)與改革，明確學(xué)生需要掌握的內(nèi)容，重點(diǎn)分析控制系統(tǒng)與控制模型之間的聯(lián)系，解決問(wèn)題的思維方式。在學(xué)習(xí)這種思維方式的基礎(chǔ)上，掌握相關(guān)的基本原理、方法和概念，并加強(qiáng)教學(xué)力度，從而能將本門理論基礎(chǔ)課程的思想方法進(jìn)行發(fā)散，充分發(fā)揮學(xué)生的潛力并提高學(xué)生的能力。

1.2 理論與實(shí)際結(jié)合的內(nèi)容創(chuàng)新

同時(shí)也要結(jié)合培養(yǎng)計(jì)劃，將理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐背景結(jié)合的更加緊密。面向?qū)嶋H的專業(yè)工程與實(shí)際項(xiàng)目的問(wèn)題，在教學(xué)內(nèi)容中將實(shí)際例子與理論教學(xué)結(jié)合起來(lái)講解，不僅能提高學(xué)生全面分析問(wèn)題，綜合設(shè)計(jì)的能力，更能提高學(xué)生對(duì)于自己專業(yè)課程濃厚的興趣。新時(shí)代背景下自動(dòng)控制科技發(fā)展日新月異，在實(shí)際問(wèn)題的分析與教學(xué)當(dāng)中，更要與時(shí)俱進(jìn)，面向新型的技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際的理論基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)生理解和學(xué)習(xí)內(nèi)容的效率，從而提高“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合具體的專業(yè)項(xiàng)目背景，突出以學(xué)生為中心，通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合的方式，以學(xué)生 “學(xué)會(huì)了什么”，“學(xué)好了什么”的具體學(xué)習(xí)效果為中心。在新工科時(shí)代背景下，對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)模式與內(nèi)容不斷改進(jìn)，不僅要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)“自動(dòng)控制理論”的成果，更要在教學(xué)內(nèi)容上建立一種持續(xù)改進(jìn)的學(xué)習(xí)機(jī)制和培養(yǎng)模式。

兩者緊密結(jié)合，從而促進(jìn)本門課程教學(xué)內(nèi)容的改革，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更加科學(xué)與靈活地調(diào)整安排。

2? 教學(xué)方式的改革

雖然目前對(duì)于學(xué)生的教學(xué)方式仍是以課堂教學(xué)的方式方法為主，但是由于信息化時(shí)代的飛速發(fā)展，學(xué)生獲取知識(shí)的途徑和方法已經(jīng)不僅僅是來(lái)源于課堂的教學(xué)，學(xué)生可以通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)獲取想要的知識(shí)。在信息化時(shí)代的背景下，如何將學(xué)生的注意力吸引到課程教學(xué)中來(lái)，并提高課堂教學(xué)的效率是我們?cè)凇白詣?dòng)控制理論”的課程教學(xué)中需要解決的重要問(wèn)題。在新工科時(shí)代背景下應(yīng)將知識(shí)能力與工程素質(zhì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題和高級(jí)思維的能力。隨著教學(xué)方式方法的進(jìn)一步深入，為了提高教學(xué)質(zhì)量，設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)代技術(shù)前沿性的內(nèi)容，需要對(duì)原有的課堂教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 課堂教學(xué)方式的改進(jìn)

在課堂教學(xué)中，需要由過(guò)去的“被動(dòng)學(xué)習(xí)”為主的方式轉(zhuǎn)化為“主動(dòng)學(xué)習(xí)”為主的教學(xué)方式?！氨粍?dòng)學(xué)習(xí)”主要是單純的講授專業(yè)理論知識(shí)，進(jìn)行示范，學(xué)生以視聽(tīng)結(jié)合的方式進(jìn)行被動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的效率隨著時(shí)間會(huì)逐漸下降。而結(jié)合“主動(dòng)學(xué)習(xí)”的教學(xué)方式，可以通過(guò)學(xué)生分組討論，使面向?qū)嵺`問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行立即的運(yùn)用，達(dá)到提高課堂教學(xué)效率的目的。

2.2 教學(xué)演示效果的優(yōu)化

由于“自動(dòng)控制理論”課程知識(shí)面比較廣，理論知識(shí)多，技術(shù)更新快。在課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于抽象的理論知識(shí)理解起來(lái)比較困難，例如在頻率響應(yīng)法這一重點(diǎn)章節(jié)中，奈奎斯特圖與伯德圖的暫態(tài)分析、穩(wěn)定性分析的理論知識(shí)往往需要通過(guò)抽象的數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解。針對(duì)這一問(wèn)題，可以通過(guò)軟件仿真的方式，進(jìn)行圖形的演示，從而能夠使學(xué)生有著更加直觀的認(rèn)識(shí)，在理論教學(xué)的過(guò)程中，一遍理論教學(xué)，一遍讓學(xué)生觀察演示圖，感受調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)中暫態(tài)過(guò)程、穩(wěn)態(tài)過(guò)程及各種頻率分析圖形的影響，從而增強(qiáng)了教學(xué)方式的靈活性。

2.3 現(xiàn)代教學(xué)工具及平臺(tái)的運(yùn)用

將現(xiàn)代化的教學(xué)工具運(yùn)用到“自動(dòng)控制理論”課程當(dāng)中，充分調(diào)動(dòng)現(xiàn)代學(xué)生的積極性。由于手機(jī)已經(jīng)是生活中必備的一種工具，在現(xiàn)代課程的教學(xué)中，可以利用“微信”等平臺(tái)將學(xué)生與老師聯(lián)系起來(lái)，也可以通過(guò)諸如“雨課堂”等教學(xué)輔助平臺(tái)幫助互動(dòng)答疑、作業(yè)管理工作?，F(xiàn)代化的工具不僅能提高學(xué)生的興趣，更能輔助老師進(jìn)行更好的課堂教學(xué)。

多樣化的教學(xué)方式方法的轉(zhuǎn)變，能夠提高學(xué)生對(duì)于理論課程的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，加強(qiáng)師生課堂的有效互動(dòng)，能夠幫助學(xué)生更加直觀的掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析和解決問(wèn)題的方法。

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為“自動(dòng)控制理論”課程中必不可少的環(huán)節(jié)，主要是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生創(chuàng)新思維及設(shè)計(jì)能力的重要途徑。自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重于培養(yǎng)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維，啟發(fā)學(xué)生的思想，激勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的興趣以及在實(shí)踐中的動(dòng)手能力。需要在保證學(xué)生有著基本理論支撐的前提下，建立完善且全面的“自動(dòng)控制理論”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，研究提高學(xué)生綜合能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

目前的“自動(dòng)控制理論”課程中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要是針對(duì)課程中理論知識(shí)的觀察及驗(yàn)證，略顯薄弱，難以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。自動(dòng)控制理論課程的理論性較強(qiáng)，有著大量的抽象問(wèn)題有待分析和解決，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生往往只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟去完成要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，往往在很大程度上限制了學(xué)生在實(shí)踐上的創(chuàng)新思維，缺乏主觀能動(dòng)性，束縛了學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的熱情及積極性也不高。因此本門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革也就顯得尤為重要了。

為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)主動(dòng)性及綜合實(shí)踐能力，需要對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。首先需要增加實(shí)驗(yàn)的多樣性，包含驗(yàn)證型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)等多個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以讓學(xué)生嘗試同時(shí)進(jìn)行仿真型實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手型實(shí)驗(yàn)，主要幫助學(xué)生去觀察鞏固所學(xué)的理論知識(shí)。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生真正參與其中，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)，從而提升學(xué)生在實(shí)際處理過(guò)程中解決問(wèn)題的綜合能力。

其次在學(xué)生培養(yǎng)方面，也可以通過(guò)開(kāi)展一些適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽活動(dòng)，提高學(xué)生實(shí)踐能力的熱情。這樣，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，更能提高學(xué)生綜合的實(shí)踐創(chuàng)新能力，有效地推動(dòng)這門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著新時(shí)代背景下自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)方法需要更進(jìn)一步的深入研究。本文主要從課程教學(xué)的內(nèi)容，新教學(xué)方式的改進(jìn)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)進(jìn)行了積極的探討，加強(qiáng)專業(yè)學(xué)生對(duì)實(shí)際應(yīng)用綜合能力的培養(yǎng)，希望對(duì)“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)質(zhì)量的提高、復(fù)合型專業(yè)人才的培養(yǎng)有促進(jìn)意義。

基金項(xiàng)目：西華大學(xué)高等教育研究中心2019年開(kāi)放課題“云教學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)在高校課程教學(xué)管理中的應(yīng)用研究（GDJY2019- 020）”;西華大學(xué)2017年校級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)“信息與通信工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)”建設(shè)項(xiàng)目;2018-2020年四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目，“以能力為核心，構(gòu)建學(xué)科融合與多元協(xié)同的電子信息類人才培養(yǎng)體系”;教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：交叉專業(yè)的數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)課程資源建設(shè)，201802151017、新工科下信息通信專業(yè)核心課教學(xué)改革研究201801129114

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