基于自動控制原理的教學(xué)創(chuàng)新改革探索

李曉杰，董 暉，王一光

（桂林理工大學(xué) 廣西 桂林 541004）

自動控制原理課程是控制類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，其知識體系的掌握程度直接影響學(xué)生對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。通過對控制理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以提高對自動化專業(yè)的認(rèn)知水平，整體提升專業(yè)能力，同時(shí)能培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，以及解決實(shí)際問題的能力[1]。近年來，許多工程領(lǐng)域?qū)ψ詣踊瘜I(yè)的教育質(zhì)量提出了更高的要求，對具有創(chuàng)新能力的新時(shí)代自動控制領(lǐng)域人才要求越來越高。自動控制原理這門課程的教學(xué)效果直接影響本行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。但是由于自動控制原理的知識量大、知識點(diǎn)難度較高且較為抽象，致使該課程的授課難度很大。教師在規(guī)定的授課學(xué)時(shí)內(nèi)完成這門課程的教學(xué)任務(wù)，保證學(xué)生系統(tǒng)地掌握這門課程的知識，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際工程中，是目前教學(xué)的難題。目前，各高校的教學(xué)都因理論與實(shí)踐結(jié)合不夠緊密、研究與教學(xué)銜接不足、教學(xué)內(nèi)容新穎度、深度以及廣度不足等原因出現(xiàn)授課效果不佳的問題。為了解決以上問題，有必要探索新的教育方法和課程改革，使學(xué)生更好地應(yīng)對實(shí)際工程應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)[2]。

1 課程特點(diǎn)及教學(xué)問題

自動控制理論具有直觀的工程背景，綜合性強(qiáng)，是農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空、軍事以及社會科學(xué)等各個領(lǐng)域控制方面的理論依據(jù)，是現(xiàn)代控制工程領(lǐng)域重要的理論基礎(chǔ)。并且實(shí)際的工程應(yīng)用對自動化相關(guān)的專業(yè)人員要求較高，這使得人們更加強(qiáng)調(diào)課程改革和教學(xué)方法的重要性，以更好地滿足行業(yè)的需求。自動控制原理課程特點(diǎn)可以歸納為以下三個方面：

①自動控制理論涉及數(shù)學(xué)、電子信息工程等多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，包括微積分、復(fù)變函數(shù)理論、電力電子技術(shù)等多個課程的知識內(nèi)容，課程涉及控制系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)，要求學(xué)生具備比較扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理等方面的知識，并能夠?qū)ζ浼右造`活運(yùn)用。因此，自動控制原理這門課程對學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，不僅考驗(yàn)學(xué)生的專業(yè)知識儲備，同時(shí)學(xué)生還需要具備較強(qiáng)的分析和解決問題的能力。

②自動控制原理的理論知識相對較為抽象，同時(shí)各個知識點(diǎn)之間存在著較為密切的關(guān)聯(lián)，學(xué)生需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，才能夠深入理解基本概念和原理，掌握控制系統(tǒng)的各種評價(jià)指標(biāo)[3]。

③自動控制理論的問題解決思路是利用可測量的信息將具體的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定量抽象的數(shù)學(xué)分析，以滿足實(shí)際控制目標(biāo)為需求，進(jìn)行系統(tǒng)控制的整體設(shè)計(jì)。其核心控制思想體現(xiàn)了信息論、系統(tǒng)論、控制論的綜合方法，要求學(xué)生了解信息論的基本概念和方法，掌握信號處理和控制系統(tǒng)中的信息傳遞、存儲和處理方法[4]。

根據(jù)以上自動控制原理課程的特點(diǎn)分析，自動控制原理涉及多種知識、理論內(nèi)容豐富、要求學(xué)生具備解決實(shí)際問題的能力，導(dǎo)致該課程的教學(xué)任務(wù)重，教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度大，實(shí)際教學(xué)活動中普遍存在一些問題[5]。首先，該課程涉及知識面較廣、知識點(diǎn)理論性強(qiáng)，講授過程中通常存在理論與實(shí)際聯(lián)系不夠緊密的情況。雖然部分章節(jié)的例題與實(shí)際系統(tǒng)相關(guān)，但系統(tǒng)分析、校正、設(shè)計(jì)等部分的內(nèi)容講解與實(shí)際聯(lián)系較少，缺少實(shí)際系統(tǒng)控制案例，使得學(xué)生難以將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，從而不能充分理解理論知識并融入實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中。另外，由于課程教學(xué)時(shí)長限制，課堂上無法將控制理論中的每個知識點(diǎn)都詳細(xì)講解，教師在課堂上與學(xué)生互動交流的時(shí)間有限，無法對每個學(xué)生的難點(diǎn)一一解答，知識量大，授課時(shí)長不能滿足教學(xué)需要，知識點(diǎn)講授不夠詳細(xì)，導(dǎo)致學(xué)生對知識點(diǎn)的理解不到位，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

通過以上分析，教師若采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法來對自動控制原理這一門課程進(jìn)行教學(xué)必然不能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。教學(xué)方法不適當(dāng)會為課程的教學(xué)帶來各種問題，使教學(xué)時(shí)間緊張，教學(xué)內(nèi)容冗雜，教學(xué)知識點(diǎn)難以理解，達(dá)不到理想的教學(xué)效果。這些問題可能會導(dǎo)致學(xué)生缺乏必要的技能和知識來有效地將控制理論應(yīng)用于實(shí)際。因此，為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，本文提出自動控制原理教學(xué)創(chuàng)新改革方法，提出理論課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)和總體評價(jià)方式三方面的具體改革措施，強(qiáng)調(diào)了教學(xué)內(nèi)容安排的合理性和系統(tǒng)性的重要性，旨在促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的人才。

2 課程教學(xué)改革

2.1 理論課程教學(xué)改革

首先，根據(jù)自動控制原理課程的整體知識架構(gòu)，優(yōu)化教學(xué)任務(wù)，系統(tǒng)合理地安排理論教學(xué)內(nèi)容。在具體的教學(xué)當(dāng)中，教師需要對自動控制原理的教學(xué)內(nèi)容做出系統(tǒng)安排，以此來突出自動控制原理課程的特點(diǎn)，避免與其他專業(yè)課程的授課內(nèi)容重復(fù)。自動控制原理主要是從時(shí)域、復(fù)域、頻域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，因此，為了提高課程的系統(tǒng)性，應(yīng)從縱向?qū)⒆詣涌刂圃淼闹R點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。也就是把時(shí)域法、復(fù)域法和頻域法的系統(tǒng)分析知識內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)講述，使學(xué)生能夠理解控制方法的內(nèi)涵，形成整體系統(tǒng)的知識框架。另外，系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析的前提，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)相互影響，因此在具體教學(xué)當(dāng)中，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)建模的重要性，突出系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)過程，讓學(xué)生系統(tǒng)理解每部分所學(xué)知識在自動控制原理中的作用。并且根據(jù)學(xué)生個人能力分層次教學(xué)，保證基本知識點(diǎn)透徹地講解，將復(fù)雜的推導(dǎo)過程放到線上教學(xué)或課后答疑的過程中，通過線上教學(xué)或答疑等環(huán)節(jié)針對學(xué)生提出的問題進(jìn)行解答。這樣既能節(jié)約課堂時(shí)間，可以更詳細(xì)地對重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)化講解，還可以滿足水平較高學(xué)生的知識需求。在理論分析上，自動控制原理需要更加注重工程的定義、工程的物理意義和工程的實(shí)際應(yīng)用，因此需要對這一方面的內(nèi)容做出詳細(xì)的闡述。在對學(xué)生的培養(yǎng)上，需要積極培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維方式和系統(tǒng)創(chuàng)新能力。教師可以通過實(shí)際案例的分析和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方式，讓學(xué)生更深刻地理解知識點(diǎn)，并與實(shí)際系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)系，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。這方面需要教師進(jìn)行大量的資料查詢，以滿足課堂實(shí)例教學(xué)的需求。課堂中，教師拋出實(shí)際問題，以解決問題為目標(biāo)，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，更主動地思考和探索，可以極大程度地改善學(xué)生被動的思維方式，提高其辯證思維和創(chuàng)新能力。

其次，通過對理論教學(xué)方法的創(chuàng)新，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。深刻理解學(xué)生為教學(xué)主體，教師引導(dǎo)啟發(fā)教學(xué)模式的含義，積極采用各種教學(xué)手段激發(fā)學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣和學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。通過啟發(fā)式教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生之間討論問題，查找相關(guān)資料，自主尋找解決問題的思路和方法，這樣不僅可以讓學(xué)生掌握基本的知識點(diǎn)，并且擴(kuò)大了學(xué)生的知識量，也是對已學(xué)知識的鞏固和應(yīng)用練習(xí)。教學(xué)方案的制訂，要從學(xué)生的角度出發(fā)，考慮學(xué)生的接受能力和接受程度，找到難點(diǎn)的突破口，才能有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合分析能力和解決問題能力。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)達(dá)，多媒體教學(xué)手段成熟，教師可充分利用網(wǎng)絡(luò)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和反饋，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提高教學(xué)效果。同時(shí)，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生一起完成課后的設(shè)計(jì)與作業(yè)，互相交流彼此的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)問題，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通能力，從而讓學(xué)生對自動控制理論有更全面的理解。

最后，利用信息化教學(xué)方式提高教學(xué)效果。教師板書講解的教學(xué)方式適用于自動控制原理中多數(shù)方程和傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，但對于系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)以及根軌跡、頻域伯德圖等內(nèi)容的教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)方式往往讓學(xué)生感到內(nèi)容抽象，無法深刻理解教學(xué)內(nèi)容，不清楚所學(xué)理論知識在實(shí)際工程中的實(shí)踐應(yīng)用。因此，對教學(xué)方式進(jìn)行信息化改革，將信息化課程教學(xué)方式和傳統(tǒng)授課方式相結(jié)合，將信息化作為一種工具融合到自動控制原理課程的教學(xué)中，能更高效準(zhǔn)確地教授知識內(nèi)容，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為課堂提供活力，提高課堂效率。此外，在教學(xué)過程中利用具有先進(jìn)計(jì)算和系統(tǒng)仿真功能的軟件，完成系統(tǒng)模型建立、分析和設(shè)計(jì)的講解過程，可以更直觀、更形象、更生動、更透徹地讓學(xué)生感受到所學(xué)知識的運(yùn)用方法，更好地理解知識內(nèi)容。通過信息化教學(xué)方式不僅便于學(xué)生理解和掌握自動控制原理中的重難點(diǎn)，也可以引導(dǎo)學(xué)生在平臺上驗(yàn)證自己的分析結(jié)果，完善學(xué)生知識體系的構(gòu)建，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。通過對教學(xué)方式進(jìn)行信息化改革，使得學(xué)生更容易理解自動控制原理的知識內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)課堂效率和教學(xué)效果的提升。

2.2 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是自動控制原理課程中非常重要的一環(huán)，它不僅能夠有效驗(yàn)證理論教學(xué)的效果，還可以鍛煉學(xué)生的動手能力，增加學(xué)生的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生綜合素質(zhì)的提高奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對于培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題的能力至關(guān)重要。因此，在教學(xué)過程中，還要強(qiáng)調(diào)將自動控制原理理論課程學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相結(jié)合，通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開展讓學(xué)生對自動控制原理相關(guān)基本理論知識的理解更加深入，達(dá)到鍛煉學(xué)生的實(shí)際動手操作能力的目的，加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要充分體現(xiàn)開放性，給學(xué)生足夠的獨(dú)立思考和創(chuàng)新空間，結(jié)合課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之上再額外增加一些綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠加強(qiáng)學(xué)生對理論知識點(diǎn)的理解，使學(xué)生把課堂教學(xué)中的內(nèi)容與實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，而綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠鍛煉學(xué)生系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生具有全面解決實(shí)際控制問題的能力。另外，除了教師的指導(dǎo)和培養(yǎng)，學(xué)校還要提高實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的投入，提供足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，滿足每個學(xué)生都能進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的需要，并重視實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修保養(yǎng)，保證設(shè)備正常運(yùn)行，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備故障對學(xué)生實(shí)驗(yàn)的影響，讓實(shí)驗(yàn)課程可以更好地完成。同時(shí)，學(xué)校還應(yīng)該注重實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的建設(shè)和管理，保證實(shí)驗(yàn)室的安全和衛(wèi)生，為學(xué)生提供一個良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

2.3 總體評價(jià)方式改革

自動控制原理課程是一門重要的專業(yè)課，而考核方式多以卷面考試為主，這種考核方式難以全面評估學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，也很難僅僅通過卷面考核成績判斷學(xué)生對相關(guān)概念的理解和控制應(yīng)用理論的掌握程度。為此，一種更全面的考核方式是采用多種考核形式相結(jié)合的總體評價(jià)方式，該評價(jià)方式采取閉卷筆試成績、實(shí)驗(yàn)成績、課前預(yù)習(xí)情況、課堂出勤率、課堂參與度及作業(yè)成績等多種考核結(jié)合的形式。將實(shí)驗(yàn)考勤、動手能力、創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容納入總體評價(jià)方式中進(jìn)行綜合評定，從而提高實(shí)踐環(huán)節(jié)在成績中的占比，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探索的主動性，提高學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力，以及培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新的意識。

3 結(jié)論

本文針對自動控制原理課程教學(xué)問題進(jìn)行了深入分析，提出了針對理論課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)和總體評價(jià)方式三個方面的創(chuàng)新改革措施，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性、提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。只有在教學(xué)過程中不斷學(xué)習(xí)教育理論，深入落實(shí)創(chuàng)新改革教學(xué)模式和教學(xué)方法，才能提高自動控制原理課程教學(xué)質(zhì)量。爭取通過自動控制原理課程的教學(xué)，為社會培養(yǎng)出更多專業(yè)素質(zhì)優(yōu)秀、工程實(shí)踐能力突出、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力領(lǐng)先的合格人才。