淺談自動(dòng)化類專業(yè)基礎(chǔ)課“金字塔型”教學(xué)模式

金學(xué)波 張慧妍

摘 ? ?要：自動(dòng)化類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)面臨著“教”與“學(xué)”之間諸多矛盾，針對(duì)這些矛盾，文章以“自動(dòng)控制原理”為例，構(gòu)建了由教學(xué)環(huán)節(jié)、練習(xí)環(huán)節(jié)及提高環(huán)節(jié)組成的“三維立體化金字塔型”教學(xué)模式，教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在“自動(dòng)控制原理”的學(xué)習(xí)中，理論和實(shí)踐方面得到了不同程度的提高，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣、興趣方法等方面取得了明顯的實(shí)效。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法;教學(xué)模式;自動(dòng)控制原理;理論學(xué)習(xí);實(shí)踐學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2021）07-0071-03

隨著高等教育的普及化和大眾化，尋求高效、科學(xué)的教學(xué)方法已經(jīng)是近年來(lái)教學(xué)研究的熱點(diǎn)話題。對(duì)于自動(dòng)化類專業(yè)來(lái)說(shuō)，信息科學(xué)的發(fā)展對(duì)課程內(nèi)容的要求越來(lái)越高，5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)更是要求自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生具有較高的學(xué)科融合能力，利用多媒體技術(shù)、仿真工具的教學(xué)方法應(yīng)運(yùn)而生，在教學(xué)中起到了至關(guān)重要的作用[1-2]。然而，對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)課來(lái)說(shuō)，學(xué)生不動(dòng)筆練習(xí)、教師在課堂上沒(méi)有板書講解并通過(guò)詳細(xì)步驟演示習(xí)題的解法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)極大的弊端：學(xué)生不具備靈活運(yùn)用微積分、復(fù)變函數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)解題的能力，造成“看看就會(huì)，其實(shí)不會(huì)”的現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是，造成了許多學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的淡化意識(shí)，甚至厭煩、抵制學(xué)科基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。

因此，專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)既不同于基礎(chǔ)課，也不同于專業(yè)課，在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩方面都需要加強(qiáng)，在教學(xué)方法、手段上既不能脫離多媒體等現(xiàn)代信息技術(shù)，也不能拘泥于這些方法，需要將傳統(tǒng)的、現(xiàn)代的教學(xué)方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)有效選擇內(nèi)容和方法，既可以快速傳遞大量的信息，對(duì)于核心理論內(nèi)容還要“慢下來(lái)”“細(xì)下來(lái)”“沉下來(lái)”，以達(dá)到“既打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，又引導(dǎo)專業(yè)知識(shí)與興趣”的目的。

針對(duì)自動(dòng)化類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)方法研究一直是教學(xué)研究的熱點(diǎn)話題，研究者對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐性環(huán)節(jié)及與其他課程的關(guān)系等進(jìn)行了廣泛深入的研究[3-6]。

本文立足于“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)方法研究專業(yè)基礎(chǔ)課程的通用教學(xué)方法。與目前的立體化教學(xué)方法相比，本教學(xué)模式更注重從下至上的“金字塔”體系結(jié)構(gòu)[7-9]，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)層層遞進(jìn)、相互支撐的關(guān)系，并著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，關(guān)注不同類型學(xué)生的知識(shí)獲取渠道和效果。

一、“自動(dòng)控制原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課“教”和“學(xué)”中矛盾分析

在教學(xué)實(shí)踐中，教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)之間的主要矛盾表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）學(xué)時(shí)偏少但內(nèi)容較多，學(xué)生掌握知識(shí)的深度不夠

現(xiàn)代電子、信息技術(shù)的飛速發(fā)展給電子類專業(yè)的課程設(shè)置帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，課程內(nèi)容較多，例如“自動(dòng)控制原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容涉及到時(shí)域分析、頻域分析、復(fù)頻域分析、狀態(tài)空間分析等內(nèi)容，在數(shù)學(xué)方面涉及到微積分計(jì)算、微分方程、差分方程的求解、復(fù)頻域變換、拉普拉斯變換、Z變換等知識(shí)，還包括上述各內(nèi)容的相互轉(zhuǎn)換?！白詣?dòng)控制原理”課程內(nèi)容與相應(yīng)的數(shù)學(xué)課又有所不同，需要依托一定的應(yīng)用背景進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的分析，如求解RLC網(wǎng)絡(luò)的電壓及電流輸出、倒立擺控制系統(tǒng)、冷鏈物流系統(tǒng)控制等內(nèi)容，課堂教學(xué)很難做到面面俱到，尤其是與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，受學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)條件限制，往往只能涉及一小部分。這一共性問(wèn)題引發(fā)了一部分教師的思考，對(duì)此進(jìn)行了教學(xué)改革，方法值得借鑒[10-12]。

（二）課程難度大，學(xué)生缺乏興趣

由于專業(yè)基礎(chǔ)課程多具有一定難度和循序漸進(jìn)的特點(diǎn)，因此在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生一旦在教師講解某個(gè)關(guān)鍵理論時(shí)走神，則會(huì)銜接不上、貫通無(wú)效，就很難真正理解該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，進(jìn)而也就無(wú)法對(duì)課程產(chǎn)生濃厚的興趣，在做作業(yè)時(shí)得過(guò)且過(guò)不進(jìn)行思考，無(wú)法掌握理論與實(shí)踐知識(shí)，考試成績(jī)不理想，分析實(shí)際問(wèn)題的能力較低。

（三）教學(xué)資源豐富，但沒(méi)有充分利用

目前，隨著我國(guó)教學(xué)質(zhì)量工程的發(fā)展，很多專業(yè)基礎(chǔ)課都進(jìn)行了國(guó)家、省級(jí)精品課程的建設(shè)。比如“自動(dòng)控制原理”課程的國(guó)家精品建設(shè)課程為數(shù)眾多，省級(jí)精品課程數(shù)目也不少，這些充足的網(wǎng)絡(luò)資源為教師提供了大量的習(xí)題、教學(xué)方法等資料，也為學(xué)生提供了廣闊的學(xué)習(xí)資源。然而，實(shí)踐證明，學(xué)生遠(yuǎn)沒(méi)有教師留心這些網(wǎng)站，受學(xué)生本身自學(xué)能力的約束，很多學(xué)生根本沒(méi)有形成自己的學(xué)習(xí)體系，無(wú)法充分利用這些學(xué)習(xí)資源。

二、教學(xué)方法的探索——“三維立體化金字塔型”教學(xué)模式

針對(duì)上述矛盾與問(wèn)題，在教學(xué)方法上可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的嘗試。

1.課堂講解抓住知識(shí)主線，介紹重點(diǎn)、分解難點(diǎn)，充分利用傳統(tǒng)和現(xiàn)代科學(xué)教學(xué)方法，將視頻、PPT、板書、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，保證學(xué)生能夠掌握課程主要知識(shí)。同時(shí)搭建優(yōu)秀的自學(xué)平臺(tái)作為課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。

2.精心選擇工程實(shí)例問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！白詣?dòng)控制原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課的理論性很強(qiáng)，同時(shí)又與實(shí)際工程背景有極大的聯(lián)系。然而，課堂教學(xué)無(wú)法給學(xué)生足夠的思考時(shí)間，很多學(xué)生知道書本上的函數(shù)卻無(wú)法將其與實(shí)際的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，因此，工程實(shí)例的講解介紹是必不可少的。另外，由于課堂時(shí)間有限，自學(xué)平臺(tái)上也應(yīng)包含一些工程實(shí)例，方便有興趣的學(xué)生進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)。

3.形成系統(tǒng)化的教學(xué)方法框架，并有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。我們認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力來(lái)源于其內(nèi)心的渴望，而學(xué)習(xí)的成效取決于科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。因此，教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)方法其實(shí)比教會(huì)其某一個(gè)公式、某一道習(xí)題更為重要。專業(yè)基礎(chǔ)課教師不僅要教會(huì)學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)和培養(yǎng)他們將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，還要注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于此，筆者在浙江理工大學(xué)、北京工商大學(xué)教學(xué)期間對(duì)所在專業(yè)構(gòu)建了“自動(dòng)控制原理”課程建設(shè)小組，積極投身參與并指導(dǎo)、組織一線授課教師精心研究了“自動(dòng)控制原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)方法。通過(guò)在教學(xué)實(shí)踐中不斷地探索，構(gòu)建了由教學(xué)環(huán)節(jié)、練習(xí)環(huán)節(jié)及提高環(huán)節(jié)組成的“三維立體化金字塔型”教學(xué)模式，如圖1所示。

具體說(shuō)明如下。

1.預(yù)習(xí)與思考環(huán)節(jié)。作為應(yīng)用范圍較廣的一類理論課，“自動(dòng)控制原理”具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓院蛷?fù)雜性。為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，通過(guò)提問(wèn)及布置后續(xù)需要復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)的課程內(nèi)容引發(fā)學(xué)生思考、掌握以往應(yīng)知應(yīng)會(huì)的知識(shí)點(diǎn)輔助學(xué)生理解一些抽象、難懂的知識(shí)點(diǎn)。

如在學(xué)習(xí)“傳遞函數(shù)”之前，布置學(xué)生閱讀以往學(xué)習(xí)過(guò)的“拉普拉斯變換”部分的內(nèi)容;而在引入“諧波線性化”概念之前，通過(guò)回顧周期函數(shù)的“傅里葉級(jí)數(shù)分解”，方便學(xué)生理解第7章非線性系統(tǒng)分析這部分比較抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)：廣泛使用科學(xué)有效的教學(xué)方法和手段，包括課堂板書（針對(duì)習(xí)題、重點(diǎn)知識(shí)的推導(dǎo)等）、視頻、PPT等教學(xué)媒介，將課程的范圍、歷史、新興發(fā)展方向以及重點(diǎn)與難點(diǎn)以多種形式演示，使課堂教學(xué)內(nèi)容形象生動(dòng)，體現(xiàn)立體化“教與學(xué)”的特點(diǎn)。另外，針對(duì)“傅立葉變換性質(zhì)”“拉普拉斯變換性質(zhì)”等多而復(fù)雜，但難度不高的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可使用自學(xué)、課堂小測(cè)試、再講解并引出相關(guān)性質(zhì)的方法提升教學(xué)效果。

硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)：作為電子類專業(yè)的學(xué)生，“自動(dòng)控制原理”的系統(tǒng)應(yīng)以電子系統(tǒng)為主并輔助以其他系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可將硬件系統(tǒng)拋棄不顧，那樣會(huì)使學(xué)生脫離實(shí)際。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有目的地引入與計(jì)算機(jī)結(jié)合較好的新型實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)于繼承傳統(tǒng)、厘清發(fā)展脈絡(luò)、培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展觀都是大有裨益的。

網(wǎng)上電子書：將教材、課件等教學(xué)內(nèi)容放置到網(wǎng)上，引導(dǎo)學(xué)生利用先進(jìn)的信息化手段進(jìn)行預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)。同時(shí)給學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源，如國(guó)家精品課程、省級(jí)精品課程的鏈接。此外，由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)的不斷發(fā)展，還可以通過(guò)引入學(xué)堂在線課程資源進(jìn)行混合式教學(xué)，統(tǒng)計(jì)學(xué)生上網(wǎng)次數(shù)、停留時(shí)間、測(cè)試學(xué)習(xí)成績(jī)，有效地監(jiān)控學(xué)習(xí)過(guò)程。

網(wǎng)上仿真實(shí)驗(yàn)：利用北京工商大學(xué)教務(wù)處購(gòu)置的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)直觀的仿真實(shí)驗(yàn)，包括時(shí)域特性、頻域特性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。實(shí)驗(yàn)可以在校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室客戶端進(jìn)行，也可以在網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行，地點(diǎn)與時(shí)間比較靈活，方便學(xué)生，并輔助其加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

3.練習(xí)環(huán)節(jié)。課后作業(yè)：不能拋棄傳統(tǒng)的課后作業(yè)練習(xí)，但可以對(duì)部分優(yōu)秀學(xué)生使用“只留知識(shí)點(diǎn)，不留具體題目”的方式，讓學(xué)生自己翻閱參考書，選擇并做出自己感興趣的并與知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的經(jīng)典題目，寫出解題思路，總結(jié)解題步驟。實(shí)踐證明，這種方法效果非常好，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一條有效途徑。

網(wǎng)上自測(cè)與測(cè)試：學(xué)校購(gòu)買的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自帶了部分習(xí)題庫(kù)，習(xí)題庫(kù)中的習(xí)題可以自行擴(kuò)容、刪除和修改。結(jié)合每屆學(xué)生的基礎(chǔ)與特點(diǎn)一學(xué)期更新一次學(xué)生可見(jiàn)的習(xí)題，要求學(xué)生每一單元進(jìn)行自測(cè)并記錄成績(jī)，每學(xué)期進(jìn)行一到兩次的網(wǎng)上綜合測(cè)試。

網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)W習(xí)：這部分內(nèi)容是基于2020年新冠肺炎疫情期間，北京高校一學(xué)期沒(méi)有線下授課，人工智能學(xué)院研發(fā)的模塊。疫情期間，教師與學(xué)生心理壓力較大，需要適當(dāng)?shù)氖杞馀c放松，因此課程小組網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議討論后確定利用雨課堂、微信等平臺(tái)開(kāi)發(fā)網(wǎng)上學(xué)習(xí)軟件，將知識(shí)點(diǎn)融入游戲中，并在游戲中設(shè)置關(guān)卡，放入相應(yīng)題目，讓學(xué)生闖關(guān)并記錄分?jǐn)?shù)。這項(xiàng)練習(xí)激起了學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生之間互相競(jìng)爭(zhēng)，而相應(yīng)的分?jǐn)?shù)也作為課程平時(shí)分?jǐn)?shù)的一部分。

4.能力提高環(huán)節(jié)。MATLAB具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，在科技應(yīng)用軟件的數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。其主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。通過(guò)以上分析可知，MATLAB對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)具有極強(qiáng)的輔助與支撐作用。因此，將“自動(dòng)控制原理”的知識(shí)與MATLAB有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用1至2節(jié)課進(jìn)行基本培訓(xùn)，對(duì)MATLAB的使用方法進(jìn)行說(shuō)明、演練。后續(xù)在網(wǎng)上有針對(duì)性地篩選出一些具有工程意義的實(shí)例，如火炮射擊的隨動(dòng)控制系統(tǒng)、倒立擺控制系統(tǒng)、恒溫箱控制系統(tǒng)等，其中部分提供參考答案，部分是開(kāi)放式的，以供學(xué)生探索如何利用MATLAB編程、分析、求解一些學(xué)科、專業(yè)的科學(xué)與工程實(shí)踐問(wèn)題。

5.總結(jié)與歸納環(huán)節(jié)?！白詣?dòng)控制原理”課程內(nèi)容邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、概念多，若是不注意歸納總結(jié)，搭建知識(shí)點(diǎn)之間的“金字塔”，則很可能出現(xiàn)非系統(tǒng)化的一盤散沙狀態(tài)。因此，學(xué)習(xí)過(guò)程中應(yīng)及時(shí)地總結(jié)與歸納，注意將新學(xué)習(xí)的概念歸入學(xué)生已有的知識(shí)體系，通過(guò)新舊知識(shí)的聯(lián)通、互融，形成系統(tǒng)的知識(shí)體系，使知識(shí)不易遺漏或遺忘，對(duì)學(xué)生總體能力的提升具有促進(jìn)作用。

三、取得的成效

近年來(lái)，通過(guò)不斷地努力，筆者及課程建設(shè)小組研究并試行了上述“三維立體化金字塔型”教學(xué)模式的大部分內(nèi)容，實(shí)踐證明，大部分學(xué)生在理論、實(shí)踐方面都得到了不同程度的提高，尤其是部分學(xué)生在該模式的引導(dǎo)下，掌握了立體化學(xué)習(xí)方法，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、工程實(shí)踐能力等方面取得了明顯的實(shí)效。

在同等試題難度下，期末考試平均成績(jī)提高了10～15%，考取北京理工大學(xué)、北京交通大學(xué)等國(guó)內(nèi)名牌大學(xué)研究生的學(xué)生數(shù)量大幅度上升，其中大部分學(xué)生選擇考“自動(dòng)控制原理”科目。另外，學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計(jì)大賽等實(shí)踐性活動(dòng)的積極性大大增強(qiáng)，后續(xù)如“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”“過(guò)程控制”等課程的任課教師反映，學(xué)生對(duì)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)掌握扎實(shí)，具有一定的探索精神，能夠獨(dú)立、有效地利用MATLAB及網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)展一些調(diào)研及仿真實(shí)驗(yàn)。

四、總結(jié)

本文針對(duì)自動(dòng)化類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)方法，具體以工科院校的自動(dòng)化、電氣及其自動(dòng)化等專業(yè)的“自動(dòng)控制原理”課程為例，論述了筆者及課程建設(shè)小組所分析、研究并實(shí)踐過(guò)的目前條件下專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)方法，提出了“三維立體化金字塔型”教學(xué)模式。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式可以解決當(dāng)前學(xué)生人數(shù)眾多、基礎(chǔ)相對(duì)以往較薄弱、不當(dāng)新媒介廣泛存在這種新形勢(shì)下教與學(xué)的矛盾，對(duì)促進(jìn)學(xué)生牢固掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、熱情及科學(xué)的學(xué)習(xí)方法十分有效。

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