自動控制理論教學(xué)改革的思路與實踐

[摘 要) 針對《自動控制理論》課程的特點，分析了該課程目前教學(xué)存在的問題。結(jié)合教學(xué)改革實踐提出傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代教學(xué)手段要相互配合，取長補短。實踐表明，這種教學(xué)方式有助于教學(xué)質(zhì)量的提高。

[關(guān)鍵詞] 教學(xué)改革，自動控制理論，教學(xué)質(zhì)量。

[中圖分類號] TP13 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634(2006)05-0433-04

深化教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，強調(diào)素質(zhì)教育是當前高等學(xué)校教改的重要主題，質(zhì)量意識已經(jīng)成為高等教育改革的共識。工作在教學(xué)一線的教師是改革的執(zhí)行者，在具體教學(xué)的過程中不斷摸索、實踐新的教學(xué)理念、教學(xué)方法尤為重要。在“自動控制理論”的教學(xué)工作中，要理解社會發(fā)展變革對其新的要求，調(diào)整具體的授課思路與方法。新的教學(xué)方法也要在實踐中不斷地驗證、更新。

1 課程的特點

“自動控制理論”課程是電氣自動化專業(yè)的一門理論性很強的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是其它電類、機電類專業(yè)的一門主干課程，在教學(xué)上占有重要的地位，一般都在大學(xué)三年級第一學(xué)期或第二學(xué)期開設(shè)。這門課有其自身的特點，如知識系統(tǒng)較為緊密，計算性強、作圖方法多；涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識較多(高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、復(fù)變函數(shù)等)；與工程實際聯(lián)系較為緊密：應(yīng)用定性理論的場合較多。

2 存在的問題

對于電類學(xué)生而言，“自動控制系統(tǒng)”是本專業(yè)學(xué)生完成專業(yè)基礎(chǔ)課程后，開設(shè)的第一門專業(yè)課。由于大多學(xué)生在先修課程中習(xí)慣了定量化、精確化的分析方法，而不習(xí)慣用物理概念進行系統(tǒng)定性分析，特別是如何針對實際系統(tǒng)存在的問題，采取相應(yīng)的分析和設(shè)計更是他們在學(xué)習(xí)方法上的薄弱之處。對知識的掌握僅僅限于簡單的背結(jié)論，套公式，做計算題。不了解理論的工程應(yīng)用意義，不了解分析問題的宋龍去脈，結(jié)果一門課程結(jié)束了，不知道所學(xué)的東西干什么用。

授課形式單一。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數(shù)學(xué)分析推導(dǎo)，畫大量的曲線，因此課堂教學(xué)往往是在索然無味的公式推導(dǎo)、定理證明和手工繪圖。課堂氣氛總是充斥著學(xué)生的枯燥、厭煩情緒。

在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，過去大多實驗裝置陳舊，功能單一，直流的多，交流的少；驗證型實驗多，設(shè)計型實驗少。這樣難以鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力，也難以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。對于學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)，設(shè)計能力的開發(fā)都存在著極大的阻礙作用。

3 改革的思路與實踐

3．1堅持課程地位，精心準備緒論

系統(tǒng)論，信息論，控制論是支撐現(xiàn)代社會發(fā)展的基本理論要素。能夠靈活運用控制的思想，不僅僅解決工業(yè)工程問題，同時將其外延擴展到經(jīng)濟問題，人口問題等社會問題是所有控制學(xué)者的一個共識，并且也取得了很多重要的成果。作為控制論的入門課程，必須要讓學(xué)生在首次接觸課程的同時，將一個異常開闊的視野展示在他們面前，而不是讓其產(chǎn)生這僅僅是公式推導(dǎo)，純粹理論堆積的錯覺，進而刺激學(xué)生求知、探索的興趣和激情。鮮活生動的應(yīng)用實例，甚至具體的視頻展示則正是沖擊和震撼學(xué)生這種思維的最好手段。同時更應(yīng)強調(diào)作為基礎(chǔ)的“自動控制原理”課程所處的位置?！肮び破涫?，必先利其器”的道理也正是課程重要性的所在，課程地位、作用的凸現(xiàn)也是順理成章的事情。因此作為課程開端的緒論顯得尤為重要。摒棄傳統(tǒng)教學(xué)中發(fā)展歷史的簡單羅列，取而代之的是聲情并茂的圖文、視頻展示，既融入了大量專業(yè)信息，又激發(fā)學(xué)生的興趣，取得了事半功倍的效果。

3．2強化數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，改變思維方式

不管學(xué)生如何厭煩數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是必要的。線性代數(shù)，復(fù)變函數(shù)，高等數(shù)學(xué)，矩陣論等等一些相關(guān)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用是反饋控制中的基本數(shù)學(xué)工具。但是，這些各代表數(shù)學(xué)科學(xué)分支的全部理論并不是學(xué)好課程的必備之需，實際課程中也僅僅用到部分相關(guān)知識，但這些又是必要的。因此事先抽出少量時間給學(xué)生補習(xí)諸如拉普拉斯變換、傅立葉變換、三角變換、積分變換、留數(shù)定理、矩陣分析等數(shù)學(xué)知識，則可避免教學(xué)過程中出現(xiàn)的教師思路清晰，學(xué)生不知所云的尷尬局面。

自動控制原理這一課程所涉及的研究對象都是實際的、具體的、復(fù)雜的，在進行理論研究和分析處理的各個環(huán)節(jié)，都需要適當?shù)睦碚摻?，以便抓住主要因素，忽略次要因素，獲得有用的結(jié)果。在整個課程的教學(xué)中，經(jīng)常使用定性分析與定量估算的工程處理方法，這是本課程教學(xué)的突出特點。這與基礎(chǔ)課中研究對象都是理想化的、理論分析的邏輯過程都是十分嚴謹?shù)奶攸c不同。因而，學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易受到基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)中形成的思維定勢的影響，不能掌握本課程應(yīng)有的思維方式和處理問題的技巧，給教學(xué)造成一些困難。因此，教師要有目的、有計劃、有步驟地結(jié)合教學(xué)的具體內(nèi)容對學(xué)生進行思維方式的說明、指導(dǎo)和訓(xùn)練，使學(xué)生理解并掌握諸如典型化、線性化等處理方法和意義，這也是自動控制課程教學(xué)的重要內(nèi)容。

3．3改進授課形式，充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)特色，合理利用現(xiàn)代化教學(xué)資源

教學(xué)改革的實踐表明，掌握方法最為重要，那些要死記硬背的公式只要會查就可以了，方法的掌握是長久的，而公式的記憶是短暫的。使學(xué)生既有意識地認識到反饋的實質(zhì)，也能潛移默化地感悟到控制專家面對復(fù)雜問題時的創(chuàng)新思維過程。并動態(tài)調(diào)整教學(xué)大綱，使教學(xué)內(nèi)容始終保持先進性、實用性和科學(xué)性。這樣在內(nèi)容上精而不缺，新而可達，避免了不必要的重復(fù)講解，給學(xué)生發(fā)揮組織知識、綜合知識的能力留有余地。這樣就始終保持了課程的先進性，學(xué)生學(xué)習(xí)理論的新鮮感。

隨著現(xiàn)代化教學(xué)資源的不斷豐富，全新的教學(xué)模式和教學(xué)手段涌進了課堂。但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，全面“現(xiàn)代化”并不是改善教學(xué)效果，增強教學(xué)水平，提高學(xué)習(xí)效率的最佳手段。擴充課堂信息，節(jié)約課上時間，提高教學(xué)效率的初衷沒有得到完全體現(xiàn)，相反，學(xué)生認為這僅僅是簡單的“教案平移，黑板搬家”，課堂節(jié)奏過于單一。過快的速度，過多的信息以及一些推導(dǎo)過程的省略使得學(xué)生對于知識理論的理解過于粗糙，甚至一片茫然。因此，教學(xué)軟件的使用要有度，傳統(tǒng)的板書教學(xué)仍然是必不可少的。二者的合理結(jié)合是改善教學(xué)效果，教師學(xué)生都能接受和認可的有效途徑。費時費力的繪圖，文字書寫，結(jié)果對比可以采用課件形式以提高效率，而應(yīng)用數(shù)學(xué)理論與技巧進行系統(tǒng)推導(dǎo)、分析的過程則可以采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，以加深印象，凸現(xiàn)該部分的重要性。同時要注重課堂互動，教師對學(xué)生的提問，學(xué)生對教師教學(xué)內(nèi)容有代表性的疑問，很多時候都可起到強化的效果，同樣不可或缺。此外，在更高層次上，還可以幫助學(xué)生進一步研究所得結(jié)果有無推廣價值和普遍意義，從而把孤立的知識點變?yōu)椴粩嘀赶驅(qū)嶋H問題方法論知識。

利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建CAI課件使用環(huán)境，通過各種課件的使用使學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)各類課程，并引入解決難點的技巧。在“自動控制系統(tǒng)”的教學(xué)實踐中，利用MATLAB語言作為“自動控制系統(tǒng)”計算機輔助教學(xué)的工具。從圖形交互式的仿真環(huán)境SIMULINK入手，在SIMU—LINK仿真環(huán)境下，簡捷、直觀地建立系統(tǒng)的靜、動態(tài)仿真模型；通過系統(tǒng)仿真，以圖形方式生動、直觀地再現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，并在模擬示波器中觀察系統(tǒng)中各物理量的動態(tài)波形。

MATLAB軟件的引入，將計算機輔助分析與設(shè)計得到簡化，例如在自動控制原理課程中常采用各種圖形進行分析，而圖形的獲取又很困難。如果采用MATLAB語言只需簡單指令立即就可以得到。使學(xué)生有了應(yīng)用計算機的條件和興趣，幫助學(xué)生建立正確的專業(yè)思想。如講解二階系統(tǒng)阻尼比對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響時，編寫如下的簡單程序：可得到圖1的仿真結(jié)果。采用圖1所示的仿真圖，與傳統(tǒng)板書中的示意圖相比，既節(jié)約時間，又增強結(jié)果的直觀性、可信度。如圖2所示，在對系統(tǒng)進行分析設(shè)計時，運用MATLAB工具箱命令rltool(sys)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)，根軌跡，Bode圖，Nychols圖，Nyquist圖，以及校正環(huán)節(jié)配置不同的零極點對以上各圖的影響一目了然，省時省力，可達到事半功倍的效果。

利用課堂中的多媒體技術(shù)，逐漸將MATLAB仿真技術(shù)滲透到課程講授的各個部分，不求一步到位，只求步步為營，使課堂形式既豐富又輕松，力爭給學(xué)生留下“過目不忘”的感受。MATLAB的介入要循序漸近，從簡單函數(shù)的調(diào)用、簡單編程直到復(fù)雜編程，但由于課時的限制，不可占用過多的時間，因為它畢竟是一種輔助教學(xué)手段，不能取代課程的內(nèi)容和地位，因此可以淡化過程(程序編寫、解釋過程，SIMULINK搭建過程)，甚至省略過程，只讓學(xué)生觀察仿真結(jié)果。亦可從基本操作入手，逐步過渡到模型建立、計算機輔助分析、輔助設(shè)計上來。其中可穿插自動控制領(lǐng)域中常用工具箱(如控制系統(tǒng)工具箱，模糊控制工具箱，最優(yōu)控制工具箱等)中最基本的內(nèi)容，最主要的是要引導(dǎo)學(xué)生認識和注重系統(tǒng)仿真。具體的操作和編程留給后續(xù)課程或?qū)W生課下自學(xué)。對控制系統(tǒng)分析、設(shè)計及仿真內(nèi)容循序漸進的引入，既活躍了課堂氣氛，提高了授課質(zhì)量和效率，又達到了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力，注重掌握方法論的目的。

3．4加強實踐環(huán)節(jié)，改變傳統(tǒng)模式

過去大多實驗裝置陳舊，功能單一且多為驗證型實驗，設(shè)計型實驗少之又少。本應(yīng)是學(xué)生自己發(fā)揮想象力，靈活應(yīng)用書本理論的環(huán)節(jié)又變成了程式化的“任務(wù)”，這不利于鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力，也難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，一些實驗設(shè)備靈活性差，可擴充性不好，同樣也限制學(xué)生想象空間。

在實驗教學(xué)實踐中，通過加強虛擬仿真實驗建設(shè)，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作用，開設(shè)開放型實驗的方法，大大擴充了學(xué)生的知識面和活學(xué)活用的能力。

將傳統(tǒng)實驗內(nèi)容及相關(guān)實驗設(shè)備信息全部上網(wǎng)，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)了解實驗內(nèi)容及實驗設(shè)備的使用方法。同時建立實驗室開放機制，提供可以同時完成多種控制實驗的實驗平臺，而實驗內(nèi)容、實驗時間由學(xué)生自己選擇。隨著課程的講解，驗證型實驗可有針對性地同步進行，加深對理論的理解。隨著課程的深入，知識的貫穿綜合，一些綜合性、設(shè)計型實驗可由教師指導(dǎo)，學(xué)生自行設(shè)計完成。這就留給了學(xué)生更廣闊的思維和實踐的空間。MATLAB仿真軟件的強大功能，同樣提供了一個虛擬仿真的平臺。在SIMULINK仿真環(huán)境下，可較容易的實現(xiàn)與模擬設(shè)備同樣效果的系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)的特性，完成設(shè)計任務(wù)，使得實踐環(huán)節(jié)既輕松，又隨心所欲，更便于知識的擴展和深入討論，大大提高了實驗的效率和質(zhì)量。

在多年的教學(xué)實踐中，通過不斷摸索和改進，上述方法已得到實施，并取得了一定的效果。本課程既是專業(yè)主干課，同時也是電類研究生入學(xué)考試專業(yè)考核科目，通過幾年的實踐統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代教學(xué)的有機結(jié)合，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，有助于教學(xué)質(zhì)量的提高。

總之，教學(xué)模式改革，教學(xué)方法改進是教育教學(xué)中永恒的話題，既需要大膽的嘗試，同樣更需要在實踐中不斷探索、驗證、再改進，尋求適應(yīng)現(xiàn)代高等教育的有效途徑。

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