自動控制原理課程教學方法探索與改革

摘要：自動控制原理課程理論性強、概念抽象、知識覆蓋面廣及分析方法多，怎樣使學生想學和學好一直是教學中的難點。為此，在教學方法上分別從內(nèi)在因素和外在因素方面進行了一些探索和改革。教學方法內(nèi)在因素方面的改革，從三方面加以分析，即讓學生想學、能學和會學；其次論述了教學方法外在因素方面的改革，一是合理優(yōu)化教學內(nèi)容，二是適當改革教學方法，因材施教，三是適時轉(zhuǎn)變教學模式。通過教學方法的改革后，學生的到課率，聽課時的精神面貌，學習的主動性都有一定程度的提高。

關(guān)鍵詞：自動控制；教學方法；內(nèi)在因素；外在因素

作者簡介：劉峰（1976-），女，四川豐都人，浙江科技學院自動化與電氣工程學院，講師；邵世凡（1956-），男，黑龍江哈爾濱人，浙江科技學院自動化與電氣工程學院，教授。（浙江 杭州 310023）

基金項目：本文系浙江科技學院教學研究項目（編號：2010 I B-a05）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）24-0046-02自動控制原理是高校電類、機械類及相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是本科生后續(xù)課程和研究生課程的基礎(chǔ)。[1]為適應(yīng)新形勢下教育發(fā)展的需要，為配合卓越工程師試點專業(yè)的課程改革，也為了適應(yīng)本校學生的基礎(chǔ)，提出在課堂教學方面進行改革的具體措施。教學實踐表明，通過這些改革，提高了學生學習的積極性、主動性，增強了學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的思維能力，而且進一步加深了對自動控制原理課程基本理論與基本概念的理解，為后續(xù)課程的學習奠定了堅實的基礎(chǔ)。

自動控制原理是一門理論性、實踐性和綜合性強的課程，內(nèi)容多，概念抽象，涉及面廣，[1]與數(shù)學聯(lián)系緊密，不僅要求學生有扎實的“工程數(shù)學”、“電路”、“電機與拖動”等課程的基礎(chǔ)知識，而且還要有很強的計算能力。[2]因此，該課程的改革和建設(shè)是全面提高專業(yè)教學質(zhì)量的基礎(chǔ)、促進學科發(fā)展的關(guān)鍵。筆者立足于綜合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的思考，對該課程的教學內(nèi)容優(yōu)化整合，并對教學方法進行了一些探索和改革。

從哲學上講，內(nèi)因和外因共同決定了事物的發(fā)展。內(nèi)在因素上的教學方法改革在于調(diào)動學生的積極性，對學習產(chǎn)生興趣，從愛國主義教育，利益驅(qū)動和課堂鼓勵三方面做到讓學生發(fā)自內(nèi)心的想學，其次還要做到能學，最后是形成自己的學習方法。

一、教學方法內(nèi)在因素方面的改革

1.激發(fā)學生學習興趣

在教學過程中，教學方法改革的主要目的就是調(diào)動學生的積極性，產(chǎn)生興趣，興趣是學生積極主動學習的內(nèi)在動力。結(jié)合自動控制理論的特點，筆者在激發(fā)學生學習興趣方面從以下三方面著手：

（1）愛國主義教育。談到控制論，就不得不提到錢學森。榮膺過兩彈一星功勛獎?wù)率鈽s的錢學森，曾為中美兩國的導彈和航天計劃都作出過重大貢獻。36歲時錢學森便已成為麻省理工學院最年輕的終身教授，后來錢老不畏困難，毅然回國。作為一代科學大師，錢老對國家民族、對科學研究、對青年人才、對科學道德的摯愛，感動了全民族。他的崇高人格和科學精神就像一座燈塔，照亮后人前行的路。在人們緬懷和追思錢老時，不時會被錢老提出的一個問題所震撼。“為什么我們的學校總是培養(yǎng)不出杰出人才？”，這個被稱為“錢學森之問”的問題，已引起上至國務(wù)院總理下至普通學生的深思。它是沉重的，也是不容回避的。

我國古代很早就有了指南車，地動儀，為什么近代卻落后了呢？諸如這樣的愛國主義的例子和發(fā)人深省的問題，激發(fā)學生的愛國主義和思考，從而激發(fā)學生的學習興趣。

（2）利益驅(qū)動。20世紀的三大偉績是相對論、量子論和控制論。在工程和科學技術(shù)的發(fā)展過程中，自動控制技術(shù)起著十分重要的作用。應(yīng)用自動控制理論和技術(shù)，能使人類以前認為做不到的事情成為現(xiàn)實。人造衛(wèi)星、宇宙飛船、人類登上月球、導彈制導、人工智能、自動駕駛等高精尖技術(shù)都離不開自動控制技術(shù)。在各種工業(yè)部門，例如：石油、化工、冶金、機械、輕工、電子、汽車、通信、航空、航天、電力等部門，也都廣泛采用自動控制技術(shù)。隨著自動控制理論和實踐的不斷發(fā)展和完善，在經(jīng)濟、管理、生物、社會學、生態(tài)等各種給工程領(lǐng)域，也廣泛用自動控制理論和技術(shù)。因此，自動控制技術(shù)已成為最用發(fā)展前途的科學技術(shù)之一，它的發(fā)展趨勢更是不可限量。可以毫不夸張地說，自動控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會不可或缺的組成部分。

（3）課堂鼓勵。教學過程中，需要師生之間的互動，所以筆者經(jīng)常在授課過程中進行一些合理的設(shè)疑。學生新接觸到一個知識時，認知能力肯定會受到一些限制，對于教師的設(shè)疑，有時可能會回答的牛頭不對馬嘴，這時候如果教師合理的引導，有效的啟發(fā)，就會讓學生自己解決了問題，反過來又極大的調(diào)動了學生學習的積極性，對于在設(shè)疑過程中，回答的有想法的同學加以鼓勵，正確評價。另外還采用了其他方式對學生加以關(guān)注，抽點，上課提問，部分同學重點關(guān)注，到課率高，上課的精神也好很多，坐在后面的同學也伸長了脖子聽課。

2.擴大學生的知識面，豐富學生的感性認識

如果人們對一樣事物一無所知，也就不可能對它產(chǎn)生興趣。所以教師在教學中應(yīng)注意擴大學生的知識面，豐富學生的感性認識。[3]

（1）調(diào)動了學生的積極性后，學生產(chǎn)生了學習的興趣，所以教師在教學過程中注意學生動態(tài)，注意擴大學生的知識面，自動控制原理課程有很強的理論性，而且對先修知識也要求很多，每個同學所掌握的知識是不同的，學習起來可能會有畏難情緒。針對課程中首先需要用到的拉普拉斯變換，提煉出課程中急需用的線性定理、微分定理、積分定理等定理，急用先看，找準切入點，打消學生的畏難情緒。

（2）筆者及其教學團隊通過自動控制原理課程的網(wǎng)站建設(shè)，擴大師生交流的時間和空間，補充一些急需要用的先修知識也放到網(wǎng)站建設(shè)中，讓學生在課外時間也能自學，也可以得到專業(yè)的幫助。

3.培養(yǎng)學生的自學能力

“授之以魚不如授之以漁”，因此掌握學習的方法也很重要，培養(yǎng)學生的自學能力。大學中的學習，學生應(yīng)該站在主動的地位，而不是被動的跟在老師身后。大學課堂里，老師一堂課的內(nèi)容涵蓋了很多知識點，信息多，學生光靠聽講可能無法把所有知識融會貫通。所以最好的學習方法是課前預習，簡單的問題先理解，難的問題仔細琢磨，上課時對照老師對這些問題的分析加以理解和認識，課后在查漏補缺。

此外，引導學生充分利用互聯(lián)網(wǎng)和圖書館里的資料，除了學習老師講解的知識點外，大學生一定要主動地查找相關(guān)文獻和資料，尤其是發(fā)現(xiàn)了自己感興趣的問題時，積極的了解相關(guān)知識和最新的研究動態(tài)。熟練的利用互聯(lián)網(wǎng)和圖書館的資源，也是提升自學能力的有效方法。

鼓勵學生加強交往能力。利用學校的人才資源，主動向別的老師和同學請教，他們都是很好的知識來源。同學之間的相互請教，互幫互助，有利于大家的共同進步。

二、教學方法外在因素方面的改革

1.合理優(yōu)化教學內(nèi)容

本校的電氣工程及其自動化專業(yè)被列為教育部卓越工程師試點專業(yè)，要求學生有較強的實踐能力，自動控制原理課程總學時為72個學時，其中包含10個學時的實驗，如果教學內(nèi)容不加以優(yōu)化，課程的理論體系將無法完整講授。以卓越工程師試點專業(yè)的自動控制原理教學大綱為基礎(chǔ)，考慮本專業(yè)的實際需要，精選出課程中的難點和重點，學生在學習“自動控制原理”以前已經(jīng)學習了相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課，廣大學生都反映該門課程和先修課程在內(nèi)容上有重復的地方，所以在優(yōu)化課程內(nèi)容時可以在充分講授清楚基本概念、基本原理和基本方法的前提下省去與先修課程重復的內(nèi)容。[4]對于一些需要學生了解的內(nèi)容，一般采取學生課后自學的方式，或者課后分組討論來學習。

2.適當改革教學方法，因材施教

自動控制原理中有個非常重要的概念是反饋控制原理，在自動控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)要能自動的、快速的和準確的完成任務(wù)，就離不開反饋控制。

反饋控制原理：在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。[5]

事實上，反饋控制的原理在人類的一切復雜的和簡單的活動中都能體現(xiàn)出來，人自身所具有的消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等就組成了一個具有高度復雜控制能力的反饋控制系統(tǒng)。比如，人手拿取桌上的書，騎自行車去學校，汽車司機駕駛汽車，在日常生活中，這些都是人們習以為常的簡單動作，但是卻滲透著深奧的反饋控制的原理。所以在講解時，將生活中大家都認為很簡單的事例引入來解釋自動控制理論中的原理，即所謂小事情，大道理，又熟悉，好理解，卻又滲透著深奧的道理。

現(xiàn)在通過分解手從桌上取茶杯的動作過程，來理解什么是反饋控制原理。分析中，先確定系統(tǒng)的輸入量或稱為輸入信號，即茶杯的位置，它是手動作過程中的指令信息，手的位置就是輸出量或稱為輸出信號。在手取茶杯時，人們首先是用眼睛目測手相對于茶杯的位置，實際上就是在測量輸出量并送到輸入端，并與輸入信號進行比較。實際上大腦得到這些信息后，大腦就在比較手的位置和茶杯的位置之間的距離，這時候就會有一個差值，稱之為偏差信號，大腦會根據(jù)這個偏差信號指揮手臂移動，目的是使手的位置和茶杯的位置之間的距離不斷減小。如果這個偏差值存在，調(diào)節(jié)過程就沒有結(jié)束，上面所述動作過程就會重復進行，一直到這個偏差值變?yōu)榱悖忠簿腿〉搅瞬璞倪@個例子中看出，人們在控制手取物體的過程中，就是一個利用偏差值，而且是按照與偏差的極性相反的方向來產(chǎn)生控制作用，并且使偏差不斷的減小直至為零；在這里，要想得到偏差信號，輸出量即手的位置就必須被測量出來，有了這個反饋信息，送到輸入端與輸入信號進行比較后，大腦根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，就是反饋控制。

然后把手取茶杯這個過程按照先后順序畫出框圖，如圖1所示。

這時候再給出一般控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，結(jié)合這個例子讓同學理解，控制器，被控對象，執(zhí)行機構(gòu)，輸入信號，輸出信號/被控量，偏差等這些控制理論中的專業(yè)術(shù)語，并且理解信息的傳遞過程，最重要的是通過簡單的熟悉的例子，讓同學理解了重要概念：反饋控制原理。

這樣的例子還很多，例如超前校正的原理、勞斯判據(jù)、根軌跡的繪制、動態(tài)響應(yīng)的學習等等。

3.適時轉(zhuǎn)變教學模式

應(yīng)用型本科院校，對于學生側(cè)重于應(yīng)用型方面的培養(yǎng)。對于每個人來說，最重要的和最有成效的學習方法是對前人已得到的答案和方法重新發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。傳統(tǒng)的課堂教學，以填鴨式教學為主，主要考慮的是教師對學生的影響，而忽略了學生之間的相互影響。從自動控制理論中的反饋控制原理的角度來說，輸出量即學生實際學到的知識被測量后，反饋送到輸入端，與輸入量即給定的知識比較后，就會發(fā)現(xiàn)自己的不足，專業(yè)術(shù)語稱之為偏差，學生之間的相互討論，學生之間的相互講解和學習，也是一個消除偏差非常好的途徑和方式。因此學生之間的這種相互影響和相互作用應(yīng)該積極的加以利用和放大，以提高教學效率。

（1）教學方法的改革中注重合作性與互動性。所以筆者在教學過程中嘗試采用學術(shù)討論、分小組討論和學生講課相結(jié)合的教學模式，這種教學手段的改革，首先是教師把基本的理論講授清楚，然后提前一個星期給學生安排要講的知識點，給學生充分的時間準備，每次課讓學生講解一個的難點，從學生自己的觀點、看問題的角度，來讓同學們加深對課程理論體系中的重點和難點問題的理解。學生參與講解的過程中，先講自己的觀點，見解，認識和理解，在讓同學們進行討論，教學的最佳境界就是向?qū)W生提供一些我們學到的知識都是自己所發(fā)現(xiàn)的。每章的最后，筆者適當?shù)膽?yīng)用MATLAB計算機軟件對控制系統(tǒng)仿真，解決一些黑板板書不宜演示的內(nèi)容，例如：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的變換、傳遞函數(shù)的求取，繪制系統(tǒng)特征方程根軌跡和繪制控制系統(tǒng)的頻率特性曲線等等。通過學生之間的相互合作，充分調(diào)動學生的學習積極性，發(fā)揮學生之間的相互影響和作用，讓學生想要學習和學會如何學習。

（2）實例分析。本次嘗試的教學模式改革，是讓學生自己組合，三人一組，查找資料，分析討論，最后推薦小組中的一個同學上臺講課，每次的時間是8-10分鐘。開學初的幾次課同學們對這種模式比較陌生，上講臺講課時，拿著事先準備的讀書報告講，感覺有些緊張。教師應(yīng)積極的鼓勵，進行點評，指出好的一面加以贊賞和鼓勵，不足的一面，委婉的指出。學期中的時候，上講臺講課的學生事先積極的準備PPT，態(tài)度在積極的轉(zhuǎn)變，在充分的表揚和鼓勵后，也指出PPT中的不足，講課時的儀態(tài)等問題。同學講解后的小組討論也熱烈很多。以后的同學在上講臺時，不但有PPT，而且內(nèi)容適中，講課的聲音，面貌都大氣很多，而且就PPT的質(zhì)量來說，也是經(jīng)過他們精心構(gòu)思的。

另外一種教學模式改革的嘗試是給學生布置一些討論題，這些討論題來源于教學中的重點和難點，學生在課外分小組討論，自己查找資料，撰寫讀書報告。從學生的讀書報告看，有他們對問題理解總結(jié)的要點，也有細致的解決問題的過程。

三、結(jié)語

在教學改革嘗試的基礎(chǔ)上，筆者還精心制作了教學課件發(fā)布在校園網(wǎng)上，便于學生隨時調(diào)用，課后自學和復習。通過轉(zhuǎn)變教學思路，改革教學方法，從內(nèi)因上激發(fā)了學生學習的興趣和動力，從外因上對教學方法的改革進行有益的探索和實踐，注重培養(yǎng)學生的學習能力。在今后的教學中還需要不斷的完善，以提高大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]丁勇，王從慶.《自動控制原理》課程的教學改革與實踐[J].南京航空航天大學學報:社會科學版，2005，7(1):84-86.

[2]梁淑芬.“自動控制原理”課程教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2009，31(11):79-81.

[3]周麗麗，楊靜.教學方法改革之我見[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009，

31(4):185-186.

[4]劉丙友.“自動控制原理”課程教學改革與探索[J].中國電力教育，2011，

(4):62-63.

[5]胡壽松.自動控制原理[M].第四版.北京:科學出版社，2003:1-6.

（責任編輯：劉麗娜）