“自動控制原理”課程全方位教學改革及實踐

陳兆嶺?劉國海?楊年法

摘要：分析了“自動控制原理”課程的特點，指出了以“教師為中心”的單一教學模式和“課堂板書講授+驗證實驗”的傳統教學方法的缺點。為了提高教學質量，課程組結合課程特點和現代教學手段，分別在教學內容、課堂教學方法、作業、實驗、網絡資源、考核評價、教學研討等方面進行了改革與實踐，在教學實踐中取得了良好效果。

關鍵詞：自動控制原理；計算機輔助教學；考核方式多元化

作者簡介：陳兆嶺（1967-），男，江蘇泰州人，江蘇大學電氣信息工程學院，講師；劉國海（1964-），男，江蘇揚州人，江蘇大學電氣信息工程學院，教授。（江蘇 鎮江 212013）

基金項目：本文系江蘇省“十二五”高等學校重點專業建設（批準號：蘇教高[2012]23號）、2011年江蘇大學校級教學改革與研究項目（重點）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0086-02

“自動控制原理”是一門理論性和工程實踐性都較強的專業基礎課，是后續專業課程不可缺少的先行基礎課，[1]江蘇大學電氣信息工程學院所有專業的學生都要學習這門課。為了提高教學質量，課程教學組根據課程特點采用多種教學手段，對課程教學進行了全方位的改革實踐。

一、課程特點和教學改革的必要性

“自動控制原理”課程的特點是：內容成熟豐富、涉及知識面廣、理論性強、比較抽象但又和工程實踐聯系緊密、可供使用的教學手段更新發展快，同時習題多、難度大，是具有一定深度和學習難度的課程，往往讓學生感到難學，教師感到難教。[2]教師在講授過程中也容易過分強調理論知識的數學推導而忽視工程應用，使這門課類似數學課。[3]若教師對這門課程采用以“教師為中心”的單一教學模式，沿用傳統的“課堂板書講授+驗證實驗”的教學方法，則不利于學生系統地掌握課程知識點，會導致學生缺乏學習興趣和主動性，從而無法達到良好的教學效果。[4，5]因此教師必須更新觀念，大力倡導積極主動的學習方式，充分應用先進的現代教學手段，建立一套包括理論講授、計算機輔助教學、實踐教學、作業講解、網絡資源共享、評價體系和學術討論相結合的全方位的課程教學改革新體系，充分調動教師和學生的積極性，努力提高教學質量。

二、全方位教學改革實踐

江蘇大學“自動控制原理”課程教學組經過認真研究，本著“以學生為中心”、“厚基礎、重實踐、重能力”的指導思想，在省重點專業建設和校級教學改革與研究項目的資助下，對課程體系進行整體優化，將多種教學手段并舉，實現了師生之間學習過程的雙向互動，取得了良好的教學效果。

1.精選教學內容

為了解決“自動控制原理”課程內容多、學時少的矛盾，教師必須根據教學大綱的培養目標突出重點優化整合教學內容。根據江蘇大學電氣信息工程學院各專業的學習需要，本課程組分別精選了90、75、60和45學時的課堂教學內容。自動控制系統分析與設計的主要內容和重點是研究系統的特性，即穩定性、動態性能、靜態性能。“穩、快、準”貫穿了時域分析、根軌跡分析和頻域分析的過程，教師在講課過程中又以工程上應用廣泛的頻域分析為重點和難點，將基本概念、基本原理和基本方法講透，讓學生了解和學習“控制論”的思想方法。課程開始時就向學生推薦幾本國內有影響的參考書，對于教學大綱中規定的了解內容則略講，或讓學生課余自學，這樣不但培養了學生的自學能力和獨立思考解決問題的能力，也節省了課時。

教師也要注重介紹控制學科前沿的最新發展，使課程具有先進性和時代感。增加MATLAB軟件的應用，減少講授系統根軌跡繪制、頻率特性繪制的內容，而將重點放在應用根軌跡法和頻域分析法進行工程分析與設計上，使學生掌握專業的知識與技能。

根據以上原則，課程組成員編寫的教材《自動控制原理》將于2013年由機械工業出版社正式出版發行。

2.課堂教學手段多樣化

課堂教學是教師講授和學生學習的重要環節。為了增強授課效果，教師應采用講授式、探究式、案例式、討論式和對比式等教學方法相結合，采用以多媒體課件為主、減少板書時間、增加Matlab軟件應用內容介紹、增加師生互動交流時間等教學手段。

課程組教師根據授課內容的不同，將多種教學方法相結合，如緒論部分采用了講授式、案例式、對比式等方法介紹自動控制的定義、特點、實例、基本內容和基本要求；采用探究式、討論式和對比式等方法分析時域法、根軌跡法和頻域法的區別與聯系、應用范圍、優缺點等。

由于課程理論性強、公式推導多，采用傳統的板書方式耗時費力，而采用多媒體課件教學，不但節省課時，而且圖文并茂，增加了信息量，提高了課堂教學效率。為了適應學生的思維速度，在公式推導時，教師利用多媒體動畫一步步地給出演算過程，產生了和板書相同的效果。

教師引入基于Matlab的計算機輔助教學，避免了高次方程解根、高階系統性能指標計算等煩瑣計算，可以把時域、根軌跡、頻域分析和校正系統的繪圖很快地在計算機上繪制出來，還可以方便地分析系統傳遞系數、開環零極點變化等對系統性能的影響。這不僅提高了課堂的教學效率，也使學生鞏固了所學知識，拓寬了思路， 提高了學生的學習的興趣和熱情，同時為后續的課程設計、畢業設計的分析和計算工作打下良好基礎。

采用的多媒體課件和引入的Matlab輔助教學節省了課時，增加了師生課堂互動交流的時間。教師在授課過程中可適當地留一些懸念，啟發學生思考后再進行講解，效果更好。如在講授奈氏穩定判據時，拋出問題：當有p個開環極點在s平面的右半部時，奈氏曲線會如何變化，奈氏穩定判據應用時應作哪些修改。通過學生獨立思考、師生互動解決問題后，學生對奈氏穩定判據的本質理解更深刻，印象更清晰。

教師每講完一章應歸納出本章知識點作為學生復習的重點，引導學生及時復習。

3.改革作業完成方法和實驗方式

課后及時做作業，有利于學生深入理解學習內容、鞏固所學知識。教師課后布置一些概念性強的習題，要求學生閱讀參考書，利用Matlab指令或Simulink模塊進行仿真，這樣既拓展了學生的思維模式又能讓經典的專業知識與時代發展相結合，使學生在掌握成熟的專業理論的同時理解本專業的性質和實際應用特點。

實驗方面采用驗證實驗和設計實驗相結合、仿真實驗和物理實驗相結合、課堂實驗和開放實驗相結合的方法。需要在課堂完成的驗證實驗有四個，同時學生也可自主設計實驗，學生根據所學的知識利用實驗室的設備自由設計實驗，以驗證所學的理論知識，充分發揮學生個體的能動性、創新性來自主設計一些自動控制系統。通過實驗，學生掌握了諸如實際溫控系統的組成、PID控制器的設計和調節，更好地將理論知識應用到實際系統中。

課程組教師結合自身的科研課題，吸收部分學生實際參與；組織學生開展各種豐富多彩的課內外科技活動，進行大學生電子設計制作培訓；組織學生參加全國大學生電子設計競賽、校“星光杯”科技作品大賽、大學生科研立項等活動，學生每年都取得不俗成績。

4.網絡資源的建設和利用

江蘇大學開發了“自動控制原理”課程的網絡課堂，教師充分利用校園網絡資源進行網上輔助教學。網絡課堂系統主要分為三大模塊：資源中心模塊、教師管理模塊和學生自主學習模塊。課程教學大綱、教案概略、參考文獻目錄、網上提交作業、在線測試、實驗預約、師生互動、網絡課件、部分授課錄像等都已上網使用，并逐步充實和完善。學生可在網上下載所需學習資料用于課前預習和課后復習。網絡資源中心不斷更新充實國內精品課程、學術期刊和相關技術資料等內容，為學生的自主學習提供了一個良好平臺。除此之外，該系統還包括隨機出題的習題庫子系統，學生可以隨時通過習題庫進行自我測驗，同時也有網上輔導體系，學生可以隨時與教師互動答疑。

5.考核評價方式多元化

江蘇大學“自動控制原理”課程改變期末一張考卷定成績的傳統做法，總評成績由平時成績和考試成績組成，平時成績占25%，考試成績占75%。平時成績主要考核上課出勤、課堂參與情況、作業成績、實驗成績。試卷命題要知識覆蓋面廣，分為基本要求部分和提高部分，前者約占試卷總分值的75%，主要考核學生掌握基本知識的程度，后者約占試卷總分值的25%，主要考核學生靈活運用所學知識的能力，難度與考研題接近。這樣做既考核了學生掌握基本知識的情況，又促進學生深入學習研究，保證了考核結果的區分度。

6.教改研討活動制度化

“自動控制原理”是學院的重點教學課程，學院成立了專門的課程教學小組，并持續吸收自動化系新教師加入。多年來，課程組堅持開展經常性的、有計劃的教學研究活動，針對課堂教學中的重點、難點以及新問題開展專題討論，深化課程的教學改革，不斷地更新和完善教學內容，改進教學方法。學校每年開展一次講課競賽，提高教師講課技能，積極申報省市和學校的教學改革項目，所涉及的內容有：課程教學體系整體優化、教學內容與方法改革、課程群建設、雙語教學、教材建設、實驗室建設、多媒體教學研究與建設、網絡教學平臺建設等。學院鼓勵對外交流，鼓勵教師發表教學改革論文，派出課程組教師參加每兩年舉辦一屆的“全國自動化教育學術年會”，直接和兄弟院校交流教學經驗，學習先進的教學方法和手段，將“自動控制原理”課程的教學改革推向新的臺階。

三、教學效果

“自動控制原理”課程的全方位教學改革，取得了良好的教學效果。學生普遍反映學習興趣濃厚、課程內容充實、學習效率提高，考核總評成績提高，不及格率下降至7%以下。相當數量的學生在教師的研究課題中發揮較大的作用，每年參加的全國大學生電子設計競賽，都能取得幾項一等獎，對江蘇大學的電氣工程及其自動化專業（國家級特色專業）和自動化專業（江蘇省品牌特色專業）的建設起到了促進作用。

參考文獻：

[1]田玉平.探索“自動控制原理”課程教學體系改革之路[J].電氣電子教學學報，2008，30（3）：8-11.

[2]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009，32（2）.

[3]符強.《自動控制原理》課程的探究式教學研究[J].四川教育學院學報，2012，28（3）.

[4]董帥，李春卉，張文斌，等.自動控制原理課程教學模式的創新思考與實踐探索[J].中國電力教育，2102，（3）：82-83.

[5]陳惠英，王培良.“自動控制原理”精品課程建設的探索與思考[J].中國電力教育，2102，（5）：25-26.

（責任編輯：宋秀麗）