“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

張 園， 劉淑波， 初俊博

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部，遼寧 大連 116018)

0 引言

“自動(dòng)控制原理”課程是我院的專業(yè)基礎(chǔ)課。在課程建設(shè)過程中，我們一直探索將軍事應(yīng)用案例、Matlab仿真引入教學(xué)。但隨著教改的逐步深入和細(xì)化，以下問題日益凸顯：第一，案例的設(shè)計(jì)和使用缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)，通常只是主講教師面向局部教學(xué)內(nèi)容選取，隨意性大，連貫性差，沒有面向整個(gè)課程通盤考慮、統(tǒng)一設(shè)計(jì)，更談不上兼顧后續(xù)課程。第二， 實(shí)踐環(huán)節(jié)只有硬件仿真(以有源網(wǎng)絡(luò)硬件模擬控制系統(tǒng))，理論和硬件仿真之間缺少軟件仿真的練習(xí)與考核；加上理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)，致使理論與實(shí)踐存在一定程度的脫節(jié)。第三，學(xué)生應(yīng)試思維普遍，工程思維匱乏。面向題庫的應(yīng)試學(xué)習(xí)方式仍然存在，沒有形成面向工程應(yīng)用的思維和習(xí)慣。

為不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，特別是提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，我們基于工程教育理念，結(jié)合軍隊(duì)院校實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)要求，以“案例貫穿、理實(shí)一體、混合探究”教學(xué)模式為中心，從教學(xué)內(nèi)容、案例設(shè)計(jì)、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)機(jī)制四個(gè)方面對(duì)課程進(jìn)行了系統(tǒng)的改革，解決了課程原來存在的案例選取與使用隨意不連貫、理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)不統(tǒng)一以及學(xué)生工程思維匱乏重應(yīng)試等問題。

1 整合教學(xué)內(nèi)容

1.1 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，與案例探究相同步

一是內(nèi)容主線化。以實(shí)際應(yīng)用需求為驅(qū)動(dòng)載體，將“探究解決艦載裝備控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)問題”這一課程的總體目標(biāo)作為教學(xué)內(nèi)容的主線。

二是主線案例化。用幾個(gè)典型艦載裝備應(yīng)用案例貫穿覆蓋整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，使主線落到實(shí)處。

三是模塊過程化。在基本內(nèi)容不變的前提下，將原來的原理組成、數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析、頻域分析4個(gè)模塊，按照實(shí)際問題的解決過程：定性分析→定量分析(建模→分析→設(shè)計(jì))，整合重構(gòu)為原理、建模、分析、設(shè)計(jì)4個(gè)模塊(如圖1所示)。雖然基本內(nèi)容保持不變，但內(nèi)容的組織方式發(fā)生了根本改變，不是單純按照分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分類組織，而是面向案例解決過程，使模塊內(nèi)容逐步遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣。

圖1 “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.2 主輔案例配合，使案例貫穿不斷線

“自動(dòng)控制原理”課程“建?！辈糠种饕榻B幾種控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其建模方法。由于組成控制系統(tǒng)的各控制元件的數(shù)學(xué)模型主要放在后續(xù)課程“自動(dòng)控制元件”中介紹，所以“自動(dòng)控制原理”課程“建?！辈糠忠酝饕ㄟ^對(duì)無源(有源)網(wǎng)絡(luò)建模進(jìn)行介紹，雖然方法類似，但典型艦載裝備應(yīng)用案例無法順利貫穿該模塊，學(xué)生也體會(huì)不到真正控制系統(tǒng)的模型及其建模方法。

按照艦載裝備控制系統(tǒng)案例貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)思路，我們以最具代表性的直流伺服電動(dòng)機(jī)的建模為重點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，將控制元件、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其建模方法融合進(jìn)去，使案例貫穿不斷線。

而原有的無源(有源)網(wǎng)絡(luò)建模案例，我們精選其中幾個(gè)作為輔助案例。主輔案例配合使用，既能豐富案例貫穿的脈絡(luò)，又能較好解決課程原有內(nèi)容與增加的相關(guān)課程內(nèi)容之間的關(guān)系。

1.3 軟硬仿真結(jié)合，使案例探究一體化

按照對(duì)貫穿案例的理論分析→軟件仿真→硬件仿真的探究過程，梳理調(diào)整軟件仿真和硬件仿真的相關(guān)內(nèi)容，以便實(shí)現(xiàn)案例探究的理論實(shí)踐一體化。

一是軟件仿真內(nèi)容的融合式增加。以前的做法是將相關(guān)的Matlab/Simulink仿真命令放在各章末尾集中介紹。為使學(xué)生對(duì)案例的理論探究和軟件仿真探究融為一體，我們將原來的集中添加改為融合式增加，在每一個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)講解完畢后緊跟相應(yīng)的Matlab/Simulink仿真方法介紹，然后在對(duì)貫穿案例的理論探究后通過軟件仿真探究加以應(yīng)用。為了幫助學(xué)生對(duì)軟件仿真方法的理解記憶，在理論教學(xué)中順帶給出所有概念術(shù)語的英文關(guān)鍵詞。

二是硬件仿真案例的一體化調(diào)整。目前學(xué)生實(shí)作采用的“TD-ACC+自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是以有源網(wǎng)絡(luò)模擬控制系統(tǒng)，與控制元件、控制系統(tǒng)在直觀上脫節(jié)，不容易使學(xué)生形成控制系統(tǒng)的整體概念。并且，學(xué)生如果按照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生產(chǎn)廠家推薦的案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)使用的案例也脫節(jié)。為此，我們將統(tǒng)一設(shè)計(jì)的艦載裝備應(yīng)用案例貫穿至硬件仿真中，保證學(xué)生始終面對(duì)同樣的案例進(jìn)行理論分析→軟件仿真→硬件仿真探究。

2 設(shè)計(jì)貫穿案例

2.1 示范案例設(shè)計(jì)

選取某火炮隨動(dòng)系統(tǒng)、某火箭深彈發(fā)射炮隨動(dòng)系統(tǒng)作為2個(gè)示范案例，用于課堂教學(xué)。示范案例貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的每一個(gè)教學(xué)進(jìn)度，貫穿理論分析、軟硬仿真各教學(xué)環(huán)節(jié)。為了達(dá)到案例始終貫穿、全面覆蓋的效果，我們精心設(shè)計(jì)，在教學(xué)實(shí)踐過程中反復(fù)修改完善，力求2個(gè)示范案例在難易程度等不同方面具有不同的典型性和代表性。比如：從穩(wěn)定性的角度，應(yīng)該分別代表穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)等等。這樣，兩個(gè)案例相互配合、交叉并行，才能更好地實(shí)現(xiàn)案例的始終貫穿全面覆蓋，更好地驅(qū)動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的自然推進(jìn)。

2.2 練習(xí)案例設(shè)計(jì)

選取某隨動(dòng)操舵系統(tǒng)作為主要練習(xí)案例，用于課后作業(yè)，貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，隨示范案例同步推進(jìn)。另外，我們梳理多年積累的十幾個(gè)案例，集成為案例庫，開發(fā)了“艦載裝備隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，供學(xué)生隨教學(xué)進(jìn)度同步進(jìn)行自主探究練習(xí)實(shí)踐，并可將自己得到的結(jié)果提交平臺(tái)驗(yàn)證。

3 改革教學(xué)方法

采用“案例貫穿、理實(shí)一體，混合探究”的教學(xué)方法。所謂“案例貫穿”，就是用幾個(gè)典型艦載裝備控制系統(tǒng)案例，貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，其中，兩個(gè)示范案例用于課堂教學(xué)，一個(gè)主練習(xí)案例用于課后作業(yè)[1～2]。案例貫穿使得學(xué)生在解決系統(tǒng)局部問題的時(shí)候，始終面對(duì)的是整個(gè)系統(tǒng)，而不是一個(gè)個(gè)孤立的題目，更容易實(shí)現(xiàn)從知識(shí)到能力的轉(zhuǎn)化，也能更容易形成系統(tǒng)論和負(fù)反饋的思想。所謂“理實(shí)一體”，是指每次對(duì)案例的探究，先是理論計(jì)算，然后是Matlab/Simulink軟件仿真，最后是實(shí)驗(yàn)箱硬件仿真，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體[3]。為了在課堂上給學(xué)生提供一個(gè)理實(shí)一體的自主探究環(huán)境，把上課地點(diǎn)選在實(shí)驗(yàn)室。理實(shí)一體為學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的道路掃清障礙。在實(shí)施了上述教學(xué)策略之后，課堂教學(xué)時(shí)數(shù)有限的問題更加突出，為此，依托雨課堂，利用微視頻、微測(cè)試、微討論、雷實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)和課后的復(fù)習(xí)拓展，實(shí)現(xiàn)線上、線下的“混合探究”，在課堂教學(xué)中進(jìn)一步突出重點(diǎn)，也幫學(xué)生破解電路接線等難點(diǎn)[4～5]。

具體實(shí)施步驟為：①課前興趣激發(fā)先導(dǎo)，打牢探究基礎(chǔ)，即：學(xué)生通過雨課堂觀看預(yù)習(xí)微課視頻，完成預(yù)習(xí)測(cè)試，激發(fā)興趣、打牢基礎(chǔ)；②課上示范案例驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)一體探究，即：兩個(gè)示范案例驅(qū)動(dòng)，學(xué)生在教師引導(dǎo)示范下進(jìn)行自主探究，包括：理論分析、軟件仿真、硬件模擬、軟硬仿真對(duì)比以及小組研討；③課后練習(xí)案例驅(qū)動(dòng)，自主探究拓展。一個(gè)主練習(xí)案例——某隨動(dòng)操舵系統(tǒng)，為必做案例；其余案例，集成為案例庫，開發(fā)了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，供學(xué)生選作。學(xué)生還可以通過雨課堂、以及我們自主開發(fā)的視頻公開課和網(wǎng)絡(luò)課程等進(jìn)行課后的復(fù)習(xí)和拓展，還可以參加本科學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)以及機(jī)器人俱樂部活動(dòng)，延伸創(chuàng)新實(shí)踐。

在此過程中，通過主線探究，牽引學(xué)生主動(dòng)思辨過程；通過融合滲透，培養(yǎng)學(xué)生工程思維方式；通過理實(shí)一體，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4 評(píng)價(jià)機(jī)制

課程采用形成性考核與終結(jié)性考核相結(jié)合、理論考核與實(shí)作考核相補(bǔ)充的考核方式。形成性考核是實(shí)施中的難點(diǎn)，以往將平時(shí)作業(yè)、課堂提問等計(jì)入成績(jī)，可操作性差，效果差強(qiáng)人意。更重要的是，以往的考核缺少對(duì)學(xué)生軟件仿真能力的評(píng)價(jià)，這樣就使軟件仿真能力的培養(yǎng)效果大打折扣。為此，我們將形成性考核設(shè)計(jì)為軟硬仿真實(shí)作、中間考試和雨課堂測(cè)試，各占10%，力求全面覆蓋學(xué)生的理論與實(shí)踐、線上與線下的整個(gè)學(xué)習(xí)過程。與以往相比，增加了軟件仿真、雨課堂預(yù)習(xí)的考核，保證了教學(xué)方法改革的實(shí)施效果，且這些平時(shí)考核內(nèi)容均可通過平臺(tái)自動(dòng)完成，更加科學(xué)方便有效。

5 結(jié)語

“案例貫穿、理實(shí)一體，混合探究”的教學(xué)方法發(fā)展了案例教學(xué)，形成了全面貫穿的特色。案例貫穿全部教學(xué)內(nèi)容和所有教學(xué)環(huán)節(jié)，使得學(xué)生對(duì)案例的探究始終不斷線。其次，這種教學(xué)方法發(fā)展了理實(shí)一體教學(xué)，形成了混合一體的特色。線上依托雨課堂和雷實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體；線下依托實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的理實(shí)一體，使得學(xué)生的理論和實(shí)踐始終不脫節(jié)。上述探索應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，形成了海軍級(jí)教學(xué)成果。