案例教學(xué)法在自動控制原理課程中的應(yīng)用探討

李歡

《自動控制原理》是電氣機械類與信息類等專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，其內(nèi)容枯燥且復(fù)雜，同時涉及若干個科目的知識內(nèi)容，于是，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的過程中，不易理解相關(guān)知識，且興趣也不高。為了更好地處理此類問題，調(diào)動學(xué)生的積極性，提高教學(xué)效率與質(zhì)量，就需在課程中滲透案例教學(xué)法。本文首先介紹了課程概念與特點，通過案例與實際聯(lián)系不密切、多媒體應(yīng)用缺乏、考核機制與教學(xué)方法不統(tǒng)一等方面分析了課程教學(xué)存在的問題，最后從案例教學(xué)實際化、劃分教學(xué)階段、優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實施成效等方面探究了運用策略。

一、課程簡介

（一）課程分析

《自動控制原理》是電氣機械類與信息類等專業(yè)的一門基礎(chǔ)課。通過課程的學(xué)習(xí)能夠強化學(xué)生對知識點的有效理解，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)設(shè)計與分?jǐn)嗄芰Γ嵘龑W(xué)生的知識運用能力，同時有助于創(chuàng)建實際結(jié)合理論的觀點、培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、鍛煉學(xué)生的思維辯證能力。這門課程是我院自動化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，是體現(xiàn)這一專業(yè)內(nèi)涵的先導(dǎo)課程，有利于促進后續(xù)相關(guān)專業(yè)課學(xué)習(xí)的開展。同時這門課程也是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及最優(yōu)控制等課程的先修基礎(chǔ)課程，其學(xué)習(xí)效果極大地影響了控制理論后續(xù)課程的有效學(xué)習(xí)。課程的大多數(shù)思想和方法被廣泛運用到工程實踐中，對工程實踐擁有關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。學(xué)生是否可以掌握理論知識，提升獲取與運用知識的能力是評價這門課程教學(xué)品質(zhì)的核心指標(biāo)。

（二）基本特點

作為密切結(jié)合工程實際、具有一定理論深度的專業(yè)課程，《自動控制原理》課程擁有以下特征：第一，課程內(nèi)容比較抽象、章節(jié)銜接緊密與理論性強。這門課程在數(shù)學(xué)表達的前提下，需利用有關(guān)圖形表示、數(shù)學(xué)表達來對其開展分析，并且每種圖表分析、數(shù)學(xué)表達方法都擁有對應(yīng)的理論基礎(chǔ)，于是這門課程擁有大量的抽象概念、一定的理論深度，第二，這門課程前后章節(jié)的理論基礎(chǔ)知識銜接比較緊密，前面章節(jié)的學(xué)習(xí)效率極大地影響了后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)，于是學(xué)生在學(xué)習(xí)時容易出現(xiàn)脫節(jié)，第三，自動控制系統(tǒng)作為這門課程的核心研究對象，其密切結(jié)合工程實際，使得這門課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象于工程實際，使得這門課程的學(xué)習(xí)、講授方法不同于其他理論基礎(chǔ)課程。

二、課程教學(xué)存在的問題

（一）案例與實際聯(lián)系不密切

《自動控制原理》教學(xué)中的核心案例取自于有關(guān)教材，這類案例更新慢與數(shù)量少，其對理論知識體系的建立發(fā)揮了重要的作用，與實際結(jié)合不密切，不易與學(xué)生之間形成良好的互動。還有部分案例取自于任課老師專門搜集的案例，密切結(jié)合教學(xué)過程，然而由于每位任課老師的實踐經(jīng)驗、工程經(jīng)歷以及掌握的素材有所區(qū)別，教學(xué)成效不同。于是，需創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的案例化模式，編寫可分享的、易讀的、統(tǒng)一的案例資源庫，以更好地滿足自動化人才的相關(guān)培養(yǎng)要求。

（二）多媒體應(yīng)用缺乏

《自動控制原理》課程需要進一步講授很多概念、原理，創(chuàng)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型，開展計算、推演，需要準(zhǔn)確的判斷力、高度的注意力。于是，單一化的多媒體課程文件，無法充分滿足這門課程的教學(xué)需求。老師一定要強化引導(dǎo)意識，與學(xué)生開展深入地交流，指導(dǎo)學(xué)生有效開展操作。

（三）考核機制與教學(xué)方法不統(tǒng)一

如今，將案例教學(xué)融入以前的教學(xué)方法中，也還是以學(xué)生聽、教師講為主，學(xué)生的接受程度不高，學(xué)習(xí)主動性不足，無法將案例教學(xué)法的核心優(yōu)勢凸顯出來。如何借助案例教學(xué)法加強學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識的有效理解，充分鞏固重難點，以理論知識進一步輔助學(xué)生掌握工程問題是案例教學(xué)研究的基本目標(biāo)之一。除此之外，由于培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)方法有所區(qū)別，創(chuàng)建合適的考核方式也很有必要。

三、運用策略

（一）案例教學(xué)實際化

《自動控制原理》課程是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及最優(yōu)控制等課程的先修基礎(chǔ)課程，其學(xué)習(xí)效果極大地影響了控制理論后續(xù)課程的有效學(xué)習(xí)。課程的大多數(shù)思想和方法被廣泛運用到工程實踐中，對工程實踐擁有關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。為了更好地強化學(xué)生對這門課程的理解，提升學(xué)生的積極性，強化課程教學(xué)效率，老師就需在《自動控制原理》課程中廣泛運用案例教學(xué)法。這門課程擁有較高的理論化程度，學(xué)困生由于自身的理解能力十分有限，于是無法達到最大化的教學(xué)成效。按照實際課程，有效滲透案例教學(xué)法，實現(xiàn)教學(xué)方式與方法的全面創(chuàng)新，對以前的課程傳授思維進行轉(zhuǎn)變。針對案例教學(xué)法來說，其經(jīng)過將經(jīng)典案例充分展示出來，向?qū)W生傳授專業(yè)知識。將學(xué)生分成若干個小組，共同分析問題的應(yīng)對策略。使用案例教學(xué)法，能夠生動展現(xiàn)抽象化的理論概念，進而深入理解以及鞏固課程內(nèi)容。

（二）劃分教學(xué)階段

1.第一階段

作為課程第一課，緒論有利于指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，而在《自動控制原理》這門課程中，借助緒論充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣很關(guān)鍵。于是，在緒論課堂中，老師可以借助多媒體將自動控制系統(tǒng)的相關(guān)運用渠道展示出來，利用實際案例向?qū)W生講解這門課程的學(xué)習(xí)意義，同時明確指出如今發(fā)展存在的問題，將學(xué)生的探索興趣全面激發(fā)出來。除此之外，緒論課上還需詳細介紹后續(xù)課程中經(jīng)常使用的模型，如機床主軸、機械系統(tǒng)、RLC電路網(wǎng)絡(luò)、汽車力學(xué)模型等實例，為分析以及推導(dǎo)后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)。

2.第二階段

這一環(huán)節(jié)是對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行控制的教學(xué)工作。教學(xué)內(nèi)容解說結(jié)束，學(xué)生在小組內(nèi)部開展討論，例如：讓學(xué)生創(chuàng)建起相應(yīng)的汽車力學(xué)模型。如何分析汽車行駛在路面上，輪胎受到影響而形成激勵源，如何區(qū)分輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，將汽車作為彈簧阻尼系統(tǒng)，而彈簧就是輪胎的垂直受力，通過分析創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型。除了力學(xué)模型外，我們熟悉的還有電路模型的建立，例如：RLC無源網(wǎng)絡(luò)，如何快速地分清電路中各元件的關(guān)系，是直接關(guān)系還是間接關(guān)系，是否需要引入中間變量？如何能將基爾霍夫定律用在各變量的關(guān)系中，通過這些分析，逐一寫出變量表達式，最終得到數(shù)學(xué)模型。類似這樣的例子還很多，實際生活中的液壓系統(tǒng)、機械彈簧阻尼系統(tǒng)等，如果能將現(xiàn)實模型進一步轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型，將有助于函數(shù)模型系統(tǒng)的有效創(chuàng)建。

3.第三階段

這一環(huán)節(jié)是實際結(jié)合理論，重點學(xué)習(xí)誤差、穩(wěn)定性分析等知識，有利于加強學(xué)生分析控制系統(tǒng)的綜合能力。比如，在對PID控制器進行設(shè)計的過程中，PID控制器的原理及其操作比較簡單、方便，有助于學(xué)生以后的就業(yè)。在教學(xué)實踐中，老師輸入相關(guān)數(shù)據(jù)模型，科學(xué)驗證微因子、比例因子以及積分因子對系統(tǒng)平穩(wěn)性的相關(guān)影響。經(jīng)過舉出PID控制器的相關(guān)案例，推動學(xué)生思維意識的形成，經(jīng)過分析控制模型，更好地增長學(xué)生的能力和知識。

4.第四階段

這一環(huán)節(jié)是開展實驗。通過以上階段的教學(xué)，學(xué)生對自動控制系統(tǒng)的主要概念與理念有一個大體掌握。在這一環(huán)節(jié)實施案例教學(xué)，重點是對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)進行有效驗證，進行演練操作，深入完善系統(tǒng)理論。此時，老師能夠采取兩個案例不斷優(yōu)化課程知識結(jié)構(gòu)。案例一，船舶的舵機控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)重點采取機液伺服控制系統(tǒng)，順利構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，機液伺服控制系統(tǒng)進一步采取機械反饋，結(jié)構(gòu)簡單。這一系統(tǒng)通常未安裝校正裝置，系統(tǒng)的開環(huán)與阻尼增益很小。在分析這一案例的過程中，需先詳細介紹系統(tǒng)組成，按照相關(guān)方框圖，將傳遞函數(shù)全面詮釋出來。案例二，冷軋鋼帶卷曲恒張力控制裝置。在全面學(xué)習(xí)冷軋鋼板的過程中，需對收放卷恒張力進行控制。通常來說，控制裝置有若干種選擇，需優(yōu)先選擇適宜的控制裝置。學(xué)生根據(jù)實際功率選擇相關(guān)張力控制裝置，進行實操學(xué)習(xí)。在舉例的過程中，老師應(yīng)事先對液壓伺服閥的相關(guān)傳遞函數(shù)進行說明，并且開展簡單的解釋。學(xué)生借助小組合作的優(yōu)勢，成功繪制出相關(guān)方框圖，寫出系統(tǒng)以及各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。老師對學(xué)生的計算結(jié)果進行檢查，在第一時間指出問題，推動學(xué)生采取相關(guān)判斷依據(jù)，更好地探究系統(tǒng)動態(tài)的綜合品質(zhì)。

（三）完善實驗教學(xué)內(nèi)容

在案例教學(xué)法的運用基礎(chǔ)上，將學(xué)校情況有機結(jié)合進來，將課程實驗向課程設(shè)計轉(zhuǎn)化。在設(shè)計課程中，為每一位同學(xué)分配相關(guān)控制任務(wù)與參數(shù)，讓學(xué)生發(fā)揮自身的無限想象力，對一套控制系統(tǒng)進行設(shè)計以及安裝。課程設(shè)計順利完成之后，老師在課上詳細講解一些學(xué)生的成果案例，利用頭腦風(fēng)暴法探尋系統(tǒng)的優(yōu)化策略。在教學(xué)過程中，以學(xué)生的相關(guān)設(shè)計成果為案例，不但強化了學(xué)生的了解程度，還促使他們更好地理解優(yōu)化控制系統(tǒng)。

（四）教學(xué)實施預(yù)期成效

案例教學(xué)法的推廣有利于極大地提高學(xué)生的知識掌握以及運用程度、學(xué)習(xí)興趣。除此之外，在課程設(shè)計過程中，能夠增加學(xué)生的動手操作能力，使得控制電路擁有一定的設(shè)計創(chuàng)新性，同時在總結(jié)優(yōu)化步驟中，學(xué)生可以主動思考，及時發(fā)現(xiàn)以及更改設(shè)計系統(tǒng)中產(chǎn)生的問題。而講授式教學(xué)模式下的學(xué)生一般通過更改書本案例來設(shè)計控制系統(tǒng)，創(chuàng)新性嚴(yán)重不足，同時也不能準(zhǔn)確識別出系統(tǒng)中的問題。于是，在《自動控制原理》這門課程中有機滲透案例教學(xué)法是值得廣泛推廣以及使用的。

四、結(jié)語

本文首先介紹了課程概念以及特點，然后從案例與實際聯(lián)系不密切、多媒體應(yīng)用缺乏、考核機制與教學(xué)方法不統(tǒng)一等方面分析了課程教學(xué)存在的問題，最后從案例教學(xué)實際化、劃分教學(xué)階段、優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實施成效等方面探究了運用策略，希望可以讓越來越多的人深刻了解到，將案例教學(xué)法融入《自動控制原理》這門課程中，不但可以讓學(xué)生愈發(fā)生動與直觀地了解到自動化控制原理的概念知識點、核心作用，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以擴展學(xué)生的應(yīng)用能力，為未來在工作實踐中處理現(xiàn)實問題進一步提供了有力的依據(jù)、豐富的經(jīng)驗。因此，在未來的教學(xué)工作中，我們更需要全面分析以及應(yīng)用案例教學(xué)，使案例法在教學(xué)實踐中獲得有效的運用。

（作者單位：西安科技大學(xué)高新學(xué)院；基金項目：西安科技大學(xué)高新學(xué)院校級教改“自動控制原理課程模塊化建設(shè)”[項目編號：X20230110]。）