大眾化高等教育質量觀下的控制理論教學改革

劉坤 陳桂 邢燦華 林健 南京工程學院自動化學院，江蘇 南京 211100

大眾化高等教育質量觀下的控制理論教學改革

劉坤 陳桂 邢燦華 林健 南京工程學院自動化學院，江蘇 南京 211100

高等教育在向大眾化方向推進的同時，也不可避免的出現了一系列問題。如何全面提高大眾化高等教育的教學質量已成為教育界關注的主要課題。本文針對大眾化高等教育面臨的主要問題，對經典控制理論課程提出了一系列教學方法和手段的改革。

高等教育；教學質量；控制理論

我國從1999年開始實施高校“擴招”政策，到2010年，我國高校的毛入學率已達到25%。根據最權威的美國社會學者馬丁在20世紀70年代提出的“當一國高等教育的毛入學率大于15%小于50%屬于大眾化階段”的理論，我國高等教育已經進入了大眾化階段。大眾化高等教育的質量提升本應該與規模發展同步進行，但在具體實踐中，教育質量仍是任重道遠。在教學層面上人才培養模式、課程體系與教學方法手段的進一步更新和改革將在不同程度上增強教學質量的提升。

1.我國大眾化高等教育的意義及質量問題

隨著高等教育大眾化進程的推進，我國的教育體系結構和性質也發生了改變。高等教育規模的擴張，越來越多的人接受高等教育。一方面，高等教育在為國家經濟發展提供了更多的人才資源的同時，提高了國民整體素質和就業人員文化水平；另一方面，在促進經濟發展和消費的同時緩解了高校資金緊缺狀況。但是高等教育在取得巨大成就的同時也出現了一系列質量問題：師資不足、生源下降，人才培養模式及課程體系不完善，教學管理理念及管理制度有待健全等。作為高校教師，全面提高大眾化高等教育質量觀下的教學改革已勢在必行。

本科教育一方面要為畢業生就業做準備，同時也要為那些準備繼續深造從事學術研究的學生打下學術基礎。為了滿足不同層次學生的需要，多年來課程組一直在摸索教學體系的改進。

隨著計算機及信息處理技術的迅猛發展，自動控制技術在眾多領域中起著越來越重要的作用。自動控制原理是研究自動控制共同規律的技術科學。該課程知識覆蓋面廣、課程內容多、更新發展快且應用性很強，對學生建立系統和工程的概念具有十分重要的意義。按照高等教育“大眾化”的實際情況和質量工程的要求，針對不同層次的學生進行了一系列經典控制理論課程的教學改革。

2.課程教學方法的改革

根據學校定位及人才培養目標的要求，針對應用型本科層次培養對象的實際情況，經過不斷改革，本課程采取了案例教學法、歸納法、問題式教學法和比較對照法等教學方法。

2.1 案例教學法

案例教學法是以學生為主體，以培養學生的自主學習能力、實踐能力、分析和解決問題能力為基本目的的一種教學方法。不像傳統的教學方法，教師扮演著設計者和激勵著的角色，鼓勵學生積極參與討論。本課程中，案例教學法主要用于解決理論如何應用于實際工程的問題。在教材中主要各章的后面都配有如何將所學知識應用到自動控制調速系統的實際案例，通過這些案例的講解，使學生對所學理論知識的運用有一個及時的初步了解。一方面提高了學生學習的針對性和積極性，同時也為后續課程的開設打下了較好基礎。例如，在時域分析法章節后，提出了性能舉例。針對單閉環有靜差調速系統和無靜差調速系統分別對其動態性能和穩態性能進行分析。在對系統進行穩定性分析時，采用了勞斯穩定判據的方法；在快速性分析時，采用了性能指標的計算方法；在穩態性分析時計算了不同輸入下的穩態誤差值。通過分析比較，讓學生在了解兩種調速系統區別的同時，熟練掌握了系統時域性能分析方法。使學生對枯燥的理論知識有了具體的實踐認識。

2.2 歸納法

歸納法是一種由個別到一般的論證方法。它通過個別的事例或分論點，然后歸納出它們共有的特性，從而得出一般性結論。歸納法可以先舉實例再歸納結論，也可以先提出結論再舉例加以證明。本課程教學的一個特點就是在多處采用了歸納法教學。即從個例到一般。這是人們認知新事物時，使用的一種方法，由于避免了直接建立抽象的新概念，使得人們的認知過程比較容易一些。對于應用型本科層次的學生來說，采用這一方法來教學可以取得較好的效果。例如，在分析穿越頻率與動態性能的關系時，就是以中頻段斜率為[-20]為例，來找出穿越頻率與快速性的一般關系的；同時，又以中頻段斜率為[-40]為例，并與斜率為[-20]時進行比較，找到了中頻段斜率與穩定性的關系。雖然歸納法得到的結論往往沒有經過嚴格的推理證明，但易于接受，且符合大部分情況，是工程應用型本科教學中一種值得推薦的方法。

2.3 問題式教學法

問題式教學法是一種啟發式教學法。它以提出問題、分析問題、解決問題為線索，并把這一線索始終貫穿整個教學過程。采用問題式教學方法分為兩種：一種即教師首先提出問題，學生帶著問題自學教材，理解問題和討論問題，最后教師根據討論情況，有針對性地講解，準確地引導學生解決問題。這種教學方法操作簡便，適合不同層次學生，實踐效果良好。在設計“問題”時主要體現兩個原則：首先從教學大綱出發，圍繞教學重點提問，這樣問題解決了，教學重點也就掌握了。另外，創設的問題具有現實意義，注重理論與實踐結合，

制造教學興奮點。提問有新意和針對性，這樣可以很快使學生處于興趣盎然、思維活躍的狀態中。如果要利用問題式教學法進行難點教學，可通過答疑找到難點問題，并經分析找到問題的癥結所在。在隨后的教學中，可以用問題形式來做引導性教學。例如，在講解“穩定”的定義時，以倒立擺為例，先提出“系統正常工作的表現應該是怎樣的？”通過討論，引導學生做出如下回答：“不持續振蕩”、“輸出量不會不受控制的變大或趨于零”、“系統的外部作用取消后，其輸出響應將回到平衡狀態”等等，這時，再進一步引出穩定的定義，就會使學生容易理解。另外一種即學生首先針對所學知識提出疑問，老師進行針對性講解。為了使不同層次學生能提出問題，一般都要增加一些教材上沒有的有關資料，豐富課堂信息；同時，使學生進一步從中體會所學知識，提高他們認識問題、分析問題的能力和水平。該種方法對老師和學生都提出很高要求。首先要求老師能夠有充足的知識儲備，能夠應對學生可能提出的所有問題。由于學生自身知識和能力的欠缺以及實際問題的復雜性，有時可能會提出一些與事實不符的問題。

2.4 比較對照法

比較對照法分為求同對照、求異對照和相似對照三種。求同對照是將相同的知識或性質相似的材料放在一塊加以比較，使學生利用新舊知識之間的聯系，加深理解，增強記憶。例如，在講根軌跡的繪制時，將系統的不同工作狀態下K（開環增益）的取值范圍時與S（阻尼比）的取值范圍進行比較，學生在學習根軌跡方法的同時回顧了時域分析法，并能將二者有機結合起來理解。求異對照是尋求兩種方法的差異。世上沒有兩粒完全相同的沙子，也沒兩片完全相同的樹葉，這一見解早已得到人們的認同。而教師的責任就是引導學生將不同分析方法的差異揭示出來。在教學實踐中，求異比較是大量的、經常的、廣泛的，其實用頻率遠遠超過求同比較。例如，在介紹奈氏圖時，就將其與根軌跡圖進行比較，說明它們是處于不同的平面，橫軸變量和縱軸變量都不相同。這樣，學生就會對兩種圖形分析方法有清晰的概念，教學效果很好。相似比較介于求同比較和求異比較之間。要引導學生在似與不似之間找出事物的細微差距，的確有相當難度。但是，從教學實踐來看，成功的相似比較，能最大限度地開發學生的潛能，同時也考驗教師的教學水平。例如在介紹奈氏穩定判據時，可以將其與對數頻率穩定判據進行比較，它們雖然處于不同平面，但都可以分析閉環系統的穩定性。奈氏判據的實用表述可用于對數頻率特性圖上。奈氏圖上（-1，j0）點的左側，對應于對數幅頻特性圖中的區段。奈氏圖中的負實軸對應著相頻特性途中的-180度線。曲線沿相角增加方向從上往下穿越負實軸（正穿越），對應著相頻特性曲線沿相角增加方向從下往上穿過-180度線（正穿越），反之依然。通過這種相似比較，學生對兩種穩定判據都有一個清晰的認識和掌握。

3.課程教學手段改革

充分利用我校在校企合作中共同建立起來的實驗中心資源，對先進的控制系統進行現場教學，可達到理論與實際緊密結合，改進教學效果，提高教學質量的目的。

3.1 獨創實踐性教學新模式

本課程教學團隊自行開發了“自動控制原理實驗系統”，結合校企共建實驗中心的資源，設計了由《基于MATLAB的系統仿真實驗》、《自動控制原理模擬實驗》、《自動控制系統性能綜合分析實驗》及《自動控制系統應用現場教學》組成的“四模塊”一體化實踐教學新模式。學生可以通過MATLAB仿真實驗熟悉教學內容，并掌握用MATLAB分析系統的方法；通過自動控制原理模擬實驗，了解實際控制器與模擬受控對象組成的控制系統，進而學習掌握構建、分析和校正系統的一般方法，這就往實際方面靠近了一步；再有，通過基于計算機控制的自動控制平臺可以更接近實際地了解真實的調速系統和伺服系統的工作原理，掌握各種系統結構及參數對系統性能的影響，另外，也可通過倒立擺控制系統來進一步了解系統的控制過程及分析方法；最后，再在校企共建實驗中心進行現場教學，通過對工程中實際運用的先進自動控制系統的現場教學，達到融理論與實踐于一體的目的。

通過設計、構建具有特色的實踐教學體系，完成從書本知識到虛擬實驗，再到模擬實驗，進而到真實系統實驗，最終到工程應用現場體驗的過渡，可大大增強學生的動手能力和將理論與實際相結合的能力，同時也培養了創新能力。在本課程組老師的指導下，或通過本課程實踐教學的培養，許多學生在大學生科技創新活動中取得了不錯的成績，不少同學還獲得了各種獎勵。

3.2 編寫有特色的主體教材

根據應用型本科人才的培養目標，作為教育科學“十五”國家規劃課題研究成果，2004年由黃堅老師主編了《自動控制原理及其應用》教材，2009年該教材出了第二版。該教材反映了本課程教學團隊多年的教學經驗和教改成果，其主要特點是：以實際工程中要用到的知識為主要內容；突出物理概念的闡述，減少數學推導；引入歸納法教學模式，即從特例講解出發，推出一般性原理，便于讀者接受；通過仿真實例加深理解；強調案例教學，從自動控制原理的角度對工程實例進行分析設計，闡述理論如何應用于實際工程。該教材由高等教育出版社出版，一出版就受到了廣大讀者的歡迎，至今已印出5.5萬冊，加上前期的同名教材，印數已達20.7萬冊。該教材的出版和使用，適應了應用型本科層次自動化專業人才培養的需求，為本課程教學內容、教學方法和教學手段的改革及新教學體系的構建做了很好的鋪墊，也為在我國探索應用型本科人才的培養之道做出了貢獻。

為了改革教學手段，提高教學質量，本課程教學團隊成員通過幾年的努力，開發并完善了與課程配套的多媒體課件，使得抽象的內容變得具體，枯燥的理論教學變得形象、生動。除得到廣大師生的認可之外，還得到了高等教育出版社及相關專家的高度評價。除此之外，還構建了試卷庫、課程習題及參考答案等相關教學資源。在上述工作的基礎上，還建成了本課程的相關網站，開辟了網絡課程，大家可通過網站獲取本課程的各種教學資源。

立體化教材的建立為學生上課學習、復習以及自學提供了優良的環境，增加了學生的學習積極性，提高了教學質量。

3.3 實驗教學的改革

自動控制理論的實驗教學既要培養學生的分析問題和解決問題的能力，還要重視培養學生的思維能力和創新能力。因此對傳統的實驗教學方法進行了改革，在實驗教學方式上改變單一的驗證性實驗的按部就班方式，改變一包到底的做法，要求學生根據實驗內容完成預習報告，在實驗的安排次序上由簡單到復雜，由驗證性實驗到設計性實驗，最后進行綜合性實驗。由淺入深，循序漸進。例如，在典型環節及系統性能的模擬以及計算機仿真時域法、根軌跡和頻率法等驗證性實驗的基礎上，提出了一級倒立擺根軌跡及頻率響應控制的設計性實驗，最后設計了自動控制系統性能校正的綜合性實驗。驗證性實驗要求學生對常用主要自動控制原理的試驗方法有所了解，并掌握各試驗原理、步驟和常用試驗儀器設備、儀表的操作方法及一些基本環節和系統性能分析的運算。設計性實驗充分發揮學生個性，要求學生選擇實驗方法和步驟，選用儀器設備，提出實驗預案，經老師同意后獨立操作完成設計性實驗，寫出實驗報告。綜合性實驗在已具備實驗技能的前提下，根據實驗室現有設備情況，完成自動控制系統校正裝置的電路設計和參數選擇。學生根據實驗指導書的提示確定實驗方案，設計實驗電路并選擇參數，另外，在人力物力允許的條件下，實施完全開放式實驗教學方式，加強學生的基礎訓練、解決實際問題的能力和創造能力。

4.考試形式的改革

科學地運用考試的檢查評價、教育激勵、反饋調控、培養督導等功能對提高教育質量，推進素質教育會產生不可替代的作用。為引導學生全面發展，科學評價學生的學習效果，在考試內容上應包括課程的基礎理論、基本知識、基本技能以及在融會貫通基礎上分析問題、解決問題的能力及綜合素質。在考試形式上應包括平時作業完成情況、課堂討論的表現、閉卷考試、開卷考試、課程論文及其它檢測手段等。在考核形式上作了較大幅度的改革，

即把以前的單一閉卷考試或開卷考試形式改革為多方兼顧的考核形式。最后總評分是采用比例記分形式即，平時成績20%〈包括10%作業10%課堂及平時學習表現〉，實驗10%，期末考試70%。這種考核形式改變了一考定終身的考核制度，而對平時的學習提出了更高的要求。結果表明，由于加重了平時權值而淡化了期末考試，學生普遍認為掌握了學習的主動權，不及格率也明顯下降。

5.結語

綜上所述，我國高等教育在從精英向大眾高等教育轉變過程中，學校層次的教學質量的提高勢在必行。只有充分利用現代信息技術，提高教學管理的效率，改進教師的教學方法和手段，拓寬人才培養的多樣化途徑，才能使大眾化規模與質量提升同步進行。

[1]胡芳.我國大眾化高等教育質量問題探析[J].重慶師范大學學報，2008，4

[2]黃堅.自動控制原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2009

[3]謝志剛.自動控制原理教學中的方法論探討[J].教學研究，2009，12

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.137

南京工程學院教改項目(JG201006)；南京工程學院高教研究課題(GY200910)