自動控制原理課程建設(shè)與教學(xué)實踐

摘要：針對自動化等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課“自動控制原理”的課程建設(shè)與教學(xué)實踐進(jìn)行了深入的探討，并以遼寧科技大學(xué)為例，對該課程的教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)、教學(xué)體系架構(gòu)、教學(xué)思路革新、教學(xué)方法創(chuàng)新、考核方式改革以及提高教學(xué)質(zhì)量的輔助措施等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。實踐結(jié)果表明，通過對該課程的建設(shè)和改革，使得學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到普遍提高，教學(xué)質(zhì)量也得到了顯著提升，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；課程建設(shè)；教學(xué)實踐；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）18-0052-02

“自動控制原理”是高校自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)等電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械類、能源動力類等許多專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，具有科學(xué)方法論的特點，研究的問題帶有普遍性，與很多學(xué)科交叉協(xié)同發(fā)展，對工程具有突出的指導(dǎo)意義。[1-2]它是本科階段后續(xù)課程和研究生課程的基礎(chǔ)課程，具有承上啟下的作用，因而在控制科學(xué)與工程學(xué)科中占有重要地位。[3]

該課程主要研究了自動控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，闡述了控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)綜合的基本理論和相關(guān)技術(shù)。課程理論性強(qiáng)、概念多、較抽象，涉及多方面的數(shù)理知識，理論分析和數(shù)學(xué)計算所占比重大，是一門具有一定深度和難度的課程。[4]針對這些特點，如何化繁為簡、化難為易，如何提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，需要加強(qiáng)課程的建設(shè)和改革。下面將結(jié)合遼寧科技大學(xué)（簡稱“我校”）“自動控制原理”省級精品課近幾年的建設(shè)和教學(xué)實踐，對該課程的教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)、教學(xué)體系架構(gòu)、教學(xué)思路革新、教學(xué)方法創(chuàng)新及考核方式改革等方面進(jìn)行研究和探討。

一、教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)

要把課程建設(shè)成精品，組建一支結(jié)構(gòu)合理、團(tuán)結(jié)創(chuàng)新、和諧發(fā)展的高素質(zhì)教學(xué)團(tuán)隊是課程建設(shè)的第一項重要任務(wù)。具體說來，該團(tuán)隊中應(yīng)該有一個好的課程負(fù)責(zé)人，必須具備較高的理論素養(yǎng)和較好的教學(xué)水平，具有較強(qiáng)的組織協(xié)調(diào)能力和強(qiáng)烈的責(zé)任心；同時還應(yīng)有一批理論基礎(chǔ)扎實、勇于開拓進(jìn)取、教學(xué)風(fēng)格一致的教師成員，他們以課程負(fù)責(zé)人為核心，團(tuán)結(jié)協(xié)作、獻(xiàn)策獻(xiàn)力，充分發(fā)揮著自身的主觀能動性和創(chuàng)造性。這樣的團(tuán)隊才能形成一種向上的合力，才具有把課程建設(shè)成精品的潛力和條件。[5]

我校的“自動控制原理”課程教學(xué)團(tuán)隊現(xiàn)有教師9人，其中教授3人，副教授3人，講師3人，均具有研究生學(xué)歷，團(tuán)隊結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。教學(xué)負(fù)責(zé)人陳雪波教授、博導(dǎo)是遼寧省教學(xué)名師，具有很高的學(xué)術(shù)造詣和教學(xué)水平。團(tuán)隊在陳教授的帶領(lǐng)下不斷推進(jìn)課程建設(shè)和教學(xué)改革走向深化，使得團(tuán)隊已經(jīng)形成了互幫互助、團(tuán)結(jié)協(xié)作、創(chuàng)新進(jìn)取、資源共享的和諧氛圍。近年來，通過團(tuán)隊的不懈努力，采用多種靈活、方便、有效的教學(xué)方法和手段，使學(xué)生的能力得到普遍提高，達(dá)到了良好的教學(xué)效果；在教學(xué)研究和教學(xué)成果等方面也取得了突出的成績，在各種期刊上發(fā)表教改論文十余篇，獲得遼寧省教改二等獎2項、遼寧科技大學(xué)教改一等獎2項、二等獎5項，“自動控制原理”先后被評為遼寧科技大學(xué)精品課和遼寧省精品課等。

二、教學(xué)體系架構(gòu)

教學(xué)體系的科學(xué)性和合理性直接關(guān)系到課程的教學(xué)效果，因而，建立一套科學(xué)的課程教學(xué)體系是搞好課程建設(shè)的必要條件。我校“自動控制原理”教學(xué)團(tuán)隊本著“厚基礎(chǔ)、重實踐、求創(chuàng)新、突特色”的指導(dǎo)思想，構(gòu)建了該課程的教學(xué)體系架構(gòu)，如圖1所示。

“自動控制原理”課程教學(xué)體系架構(gòu)由兩個平臺構(gòu)成：一個是理論教學(xué)平臺，另一個是實踐教學(xué)平臺。各個平臺下又細(xì)分成多個基本教學(xué)模塊，每個基本教學(xué)模塊下面又包含若干個教學(xué)子模塊。該課程教學(xué)體系一方面體現(xiàn)了對理論基礎(chǔ)的重視，也彰顯了對實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并突出了其工程特色，即通過冶金自動化工程案例和金融自動化工程案例將理論與工程實際相結(jié)合，貫穿本課程的始末，使該課程具有貼切的行業(yè)背景，既增長了學(xué)生的見識又積累了求職的資本。這種教學(xué)體系架構(gòu)將教、學(xué)、做、訓(xùn)、考有機(jī)地整合成為一個整體，使得教學(xué)過程層次分明、思路清晰、銜接良好、實施流暢、效果顯著。

三、教學(xué)思路革新

隨著時代的發(fā)展和進(jìn)步，教師的教學(xué)思路也應(yīng)該精益求精、與時俱進(jìn)。教學(xué)團(tuán)隊在多年實踐的基礎(chǔ)上不斷摸索、不斷革新，最終總結(jié)出全新的“自動控制原理”課程的教學(xué)思路，即：注重前沿知識的引進(jìn)，使課程具有先進(jìn)性；強(qiáng)調(diào)知識的學(xué)以致用，使課程具有應(yīng)用性；著眼動手能力的培養(yǎng)，使課程具有實踐性；加大案例與理論的結(jié)合，使課程具有行業(yè)性；由簡單到復(fù)雜，由單一到綜合，使課程具有系統(tǒng)性。

具體的做法主要體現(xiàn)在：第一，以研究促進(jìn)教學(xué)，拓展學(xué)生知識面。教學(xué)與科研是相輔相成的，團(tuán)隊中的教師除了教學(xué)之外，均在各自的方向上進(jìn)行著學(xué)術(shù)研究，研究的成果可以通過與課程的結(jié)合傳授給學(xué)生，這樣利于學(xué)生對前沿知識的了解和加深對知識點的理解。第二，以實踐促進(jìn)教學(xué)，注重能力培養(yǎng)。實踐包括驗證性實驗、綜合設(shè)計性實驗、課程設(shè)計、課外研究等，教師通過各種實踐形式，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論與實踐相結(jié)合，加深對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的五個能力，即動手能力、應(yīng)用能力、思考能力、創(chuàng)新能力和自學(xué)能力。第三，以案例驅(qū)動教學(xué)，強(qiáng)調(diào)工程背景。聯(lián)系冶金自動化、金融自動化等方面的工程案例，以適當(dāng)?shù)慕嵌惹度氲秸n程中，培養(yǎng)學(xué)生的工程方法觀和職業(yè)能力。第四，因材施教，滿足學(xué)生個性需求。考慮學(xué)生的個性需求、專業(yè)后續(xù)需求，在知識點的選取上采取分層次、多層次教學(xué)，既滿足考研學(xué)生的需求也滿足選擇就業(yè)學(xué)生的需求。

四、教學(xué)方法創(chuàng)新

為了提高“自動控制原理”課程的教學(xué)質(zhì)量，在借鑒國內(nèi)外先進(jìn)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，我們對教學(xué)方式方法進(jìn)行了大膽的探索和創(chuàng)新，摸索出一系列行之有效的教學(xué)方式方法。

1.主干式教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)多采用“填鴨式”和“布道式”，也不管學(xué)生懂不懂，學(xué)沒學(xué)會，直接采用“滿堂灌”，這樣下來，老師雖然完成了教學(xué)任務(wù)，但學(xué)生卻并沒有學(xué)好。針對傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺點，我們采用了新的教學(xué)方式——主干式教學(xué)，變接受式教學(xué)為啟發(fā)式教學(xué)。主干式教學(xué)根據(jù)課程的主線把重點和難點給學(xué)生講通講透，讓學(xué)生弄懂該課程的主干部分，剩下的讓學(xué)生自己補(bǔ)充、自學(xué)，也就是往樹干上添枝加葉。這種教學(xué)方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和自學(xué)能力。

2.研討式教學(xué)

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的思維，發(fā)掘?qū)W生的分析問題能力，主講教師通常會安排一定的課時作為研討式教學(xué)時間。在這個時間內(nèi)，主講教師通常就某一問題或知識點，讓學(xué)生進(jìn)行研究討論。研討的形式可以多種多樣，但通常采用的是分組研討法，即把學(xué)生分成若干個小組，并自行推選出組長，在研討結(jié)束的時候由組長總結(jié)發(fā)言，如果組長的發(fā)言不完善，其他組員也可以進(jìn)行補(bǔ)充。老師可以根據(jù)每組的發(fā)言情況，給其一個分?jǐn)?shù)，這個分將計入到最后該門課程的總成績中。這種研討方式既促進(jìn)了學(xué)生動腦思考，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊精神。

3.案例式教學(xué)

“自動控制原理”是一門比較抽象的課程，學(xué)生通常難以理解，因而，采用案例式教學(xué)很有必要，一方面可以幫助學(xué)生理解所學(xué)知識，另一方面也可以把理論和實際聯(lián)系起來。在本門課程中，為了體現(xiàn)專業(yè)特色，我們主要采用冶金自動化工程案例和金融自動化工程案例。比如，以軋鋼生產(chǎn)線為例，中間涉及電機(jī)的控制、軋輥的控制、位置檢測、誤差檢測、溫度控制等，這些都可以將其與所學(xué)理論聯(lián)系起來。在講解系統(tǒng)模型的建立時，可以通過分析電機(jī)的原理，建立電機(jī)的微分方程，并求出其傳遞函數(shù)模型；在講解滯后環(huán)節(jié)時，可以分析鋼板的誤差檢測過程，分析產(chǎn)生滯后的原因，并建立其傳遞函數(shù)模型；在講解反饋控制時，可以結(jié)合溫度控制，如果沒有傳感器裝置將實際溫度反饋到給定，則溫度將無法控制在合理范圍等等。

4.探究式教學(xué)

探究式教學(xué)就是針對某一問題，讓學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，自行制訂計劃或設(shè)計方案，自主尋求答案，并將結(jié)論與教師或同學(xué)進(jìn)行交流的一種教學(xué)方法。[6]教師可以圍繞某個問題創(chuàng)設(shè)情境，提供相關(guān)信息和條件，學(xué)生則可圍繞問題展開分析研究，最終解決問題。比如，在講到PID控制器時，可以布置學(xué)生自己動手，設(shè)計一個PID控制器硬件電路。實際上這個問題是建立在學(xué)生已有電子、電路等知識的基礎(chǔ)上，完全能夠通過思考和動手來解決的。

5.演示式教學(xué)

“自動控制原理”課程中，涉及很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算及圖形的繪制，如系統(tǒng)響應(yīng)指標(biāo)的計算、根軌跡、Bode圖、Nyquist圖的繪制等知識點，老師講解起來費(fèi)勁不說，學(xué)生理解起來也很難。基于MATLAB軟件的強(qiáng)大功能和諸多優(yōu)點，可以借助其進(jìn)行演示，該軟件的引入可以簡化計算和繪圖，使分析結(jié)論形象、直觀。[7]例如：繪制根軌跡時，利用MATLAB得到的圖形能讓學(xué)生了解到根軌跡是閉環(huán)極點隨k變化的動態(tài)曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，還可尋找k為常數(shù)時系統(tǒng)的時域指標(biāo)，從而定量地分析某一確定系統(tǒng)的“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”特性。但“自動控制原理”課畢竟不是“計算機(jī)仿真”課，因此引入MATLAB必須適度。為了不占用過多的課堂時間，我們通常利用WinCam屏幕錄像軟件，在備課時將利用MATLAB計算和繪圖的過程錄下來，然后在課堂上邊播放邊講解就可以了。[8]

五、考核方式改革

1.實行結(jié)構(gòu)分制

傳統(tǒng)的考核方式通常采用一考定乾坤的做法，但這種做法不利于教學(xué)質(zhì)量的控制，因此我們采取的是結(jié)構(gòu)分制。將總成績分成三個部分：一是平時成績，占15%，包括出勤、作業(yè)、提問、論文、小測驗等；二是實驗成績，占20%，包括預(yù)習(xí)報告、實驗表現(xiàn)、實驗報告等，如果該項成績沒有達(dá)到及格以上，則本課程總成績記為不及格；三是期末考試成績，占65%，包括對各個重要知識點的考核等。通過近年來的實施情況表明，結(jié)構(gòu)分制極大地促進(jìn)了學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的積極性，提高了其動手能力，避免了“平時不努力，臨時抱佛腳”的情況，突出了對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的重視，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

2.建立題庫，實行教考分離

為了統(tǒng)一授課標(biāo)準(zhǔn)，排除在對學(xué)生考核中的人為不利因素，團(tuán)隊根據(jù)教學(xué)要求及教學(xué)大綱，建立了“自動控制原理”試題庫，期末考試題必須在試題庫中隨機(jī)抽取，任課教師不參與抽題，實行教考分離；評閱試卷時采取封閉式流水作業(yè)，最大限度保證考試的公平公正性。

六、提高教學(xué)質(zhì)量的其他措施

為了鞏固和提高“自動控制原理”課程的知識，有必要采取一些配套的相關(guān)措施。針對課堂教學(xué)時間有限、后續(xù)需知識延伸和鞏固等特點，我們采取了如下措施：

1.建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，對課堂教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行有益補(bǔ)充

與課堂教學(xué)相配套，建立了課程學(xué)習(xí)網(wǎng)頁。網(wǎng)頁上主要包括三個部分：網(wǎng)絡(luò)課件、網(wǎng)上答疑輔導(dǎo)、習(xí)題演練及檢測。由這三個部分構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)平臺，一方面為教師和學(xué)生的交流提供了不限時間的橋梁；另一方面，也為學(xué)生消化、補(bǔ)充、鞏固、檢測課堂知識提供了自由的空間。充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)這一現(xiàn)代工具提高了課程教學(xué)的質(zhì)量。

2.安排相關(guān)課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力

課程設(shè)計是一個綜合運(yùn)用知識、鍛煉學(xué)生能力的實踐環(huán)節(jié)。為了更好地讓學(xué)生理解“自動控制原理”中的知識，并將其與其他課程以及實際系統(tǒng)聯(lián)系起來，在后續(xù)教學(xué)計劃中開設(shè)了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)等課程設(shè)計。通過這些課程設(shè)計的實施，學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力得到進(jìn)一步提高。

七、結(jié)束語

本文結(jié)合遼寧科技大學(xué)“自動控制原理”省級精品課程的建設(shè)，闡述了在建設(shè)過程中的一些改革和創(chuàng)新做法，旨在起到拋磚引玉的作用，吸引更多同行一起來交流探討，以便更好的改進(jìn)和完善。有道是教學(xué)有法，而無定法，貴在得法。在今后的課程建設(shè)和教學(xué)實踐中，只有不斷探索、不斷總結(jié)、不斷革新，才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量，才能為新世紀(jì)培養(yǎng)更多更好的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王祝萍）