“控制工程基礎”案例式教學法初探

摘要：指出了“控制工程基礎”課程教學中存在的問題，闡述了案例式教學的內涵和實施步驟，探討了“控制工程基礎”課程案例式教學中案例的選擇，最后通過對兩個案例的深層次剖析，探討了案例教學法在“控制工程基礎”教學中的應用。

關鍵詞：控制工程基礎；案例式教學；軍隊院校

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0070-02

隨著軍隊院校教育改革的進一步深化，在構建新型課程體系中應堅持通識教育與專業教育相結合，注重加強基礎和提高適應能力。按照大專業、多方向、寬口徑的培養思想，在新版人才培養方案中，將“控制工程基礎”設為全院所有工程專業的專業教育選修課程。該課程全面闡述了自動控制的基本概念、基本理論與基本應用，理論嚴謹，系統性強，且具有很強的工程背景。該課程不僅可以為各專業后續專業課程的學習打下堅實的基礎，而且對于培養學生的辯證思維能力和創新能力，提高綜合分析問題、解決問題的能力等方面，都具有重要的意義。在以往的授課中，存在以下問題直接影響著教學效果：一是控制工程基礎理論性強，公式多，抽象難懂，缺乏理論與實踐的緊密結合，因此學生看到的是抽象的理論，而沒有實際操作，久而久之，學生會對高深的理論失去信心。二是教師往往嚴格按知識點的順序進行講授式教學，雖然邏輯嚴密，但學生在學習過程中難見全貌，并且以講授為主的教學手段，使課堂氣氛沉悶，很難激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，學習效果也不理想。三是筆者所在工程院校，“控制工程基礎”課程是面向所有專業開設的選修課程。不同于控制專業的學生，通信、電氣等專業的學生普遍認為“控制工程基礎”課程與本專業沒什么關系，學習積極性不高，學生的學習目的不明確。

為解決以上問題，需對“控制工程基礎”課程教學中的各環節進行改革。其中，案例式教學就是一種運用日益廣泛且相當有效的課程教學方法。在“控制工程基礎”課程授課中合理采用案例式教學法，能有效調動學員的積極性，加深學員對重要概念、理論的理解，提升學員解決實際問題的工程實踐能力等，具有明顯的優勢。

一、案例式教學法

案例教學法的歷史可以追溯到孔子與蘇格拉底的“問答式”教學，其定義是：教師以教學案例為載體，在課堂上幫助學習者達到特定學習目標的一套教學方法。案例教學法是一個以教師為主導、以學生為主體、全員分析與解決問題的過程。[1]學員在案例處理中，運用課程所學的“源知識”，發揮自己的思考和智慧解決問題，在參與中理解、探索出“衍生知識”，“參與”就是“掌握”的保障。

案例式教學法一般可分為學員自行準備、小組討論準備、小組集中討論和總結四個階段。首先，一般在正式開始集中討論前，就要把案例材料發給學員。讓學員閱讀案例材料，搜集必要的信息，并積極思索，初步形成關于案例中的問題的原因分析和解決方案。教師可以在這個階段給學員列出一些思考題，讓學員有針對性地開展準備工作。其次，各小組應以有效的方式自行組織討論。再次，在正式上課時間內組織集中討論。由各小組派出代表介紹本小組對于案例的分析和處理意見，并接受其他小組的訊問并作出解釋。教師可以提出幾個意見比較集中的問題和處理方式進行重點討論，以將學員的注意力引導到方案的合理解決上來。最后，討論完成之后，教師應該留出一定的時間讓學員自己進行思考和總結，同時這也是獲取知識和經驗的重要方式。案例引入有案例—講解—總結回顧、講解—案例—反饋、案例—講解—案例—總結回顧三種方式。[2]應根據具體知識點，在教學過程中不斷摸索和改進，合理選擇案例引入方式和科學應用。

案例式教學的關鍵在于案例的準備、編寫是否妥當，能否激發學生的思路、提高課堂授課效果，這都決定了案例式教學的成功與否。案例是許多知識的綜合體，優秀案例應具備以下特點：一是趣味性。二是結果多元化。三是案例內容具有一定的代表性和普遍性，具有舉一反三、觸類旁通的作用。同時，不是所有的知識點都能夠或者都有必要尋求典型案例的分析。因此，并不是所有的課程以及課程的所有知識點都普遍適合采用案例教學法。筆者認為，針對“控制工程基礎”課程的特點，可以選擇以下兩類案例用于課程教學：一是能夠貫穿整個課程教學過程的綜合案例。該案例應盡可能涵蓋經典控制理論中的所有知識點，涵蓋各種工程應用技術，同時還應是貼近生活、容易理解的案例，如水位控制系統、直流電機速度控制系統等。二是數個小案例。在通過上述完整案例講授某一知識點時，適當補充幾個小案例有利于學生對該知識點的進一步理解。但案例教學不是舉例教學，人們所習慣的“案例教學”實際上是舉例子，往往是就事論事，缺乏深層次的理論思考，所舉例子也只是虛構的或真實案例片斷或者干脆是教師即興所得，其功能僅限于解釋和補充說明所講授的理論內容，是對所宣講理論的簡單重復。

二、案例式教學的課堂實踐

下面引用一個連續案例和一個獨立案例來分析案例式教學所能達到的效果。

1.綜合案例

液位控制系統[3]在控制工程方面有一定的典型性，比較貼近學生的經驗，易于學生理解，其中液位、流量等變量都比較直觀，而且它們之間定性和定量的關系也易于理解，為后面深入系統地分析且引導出相應的概念、原理打下堅實的感性認識基礎。液位控制系統是一個貫穿整門課程的綜合案例。

課中，可以舉出諸如抽水箱水位控制、鍋爐液位控制系統等實例，使學生在濃厚的興趣中對自動控制產生感性認識，發現單調的理論知識與生活實例、工程實例之間的聯系，并準確掌握控制系統組成、基本控制方式等基本概念。隨著學習的深入，作為定量分析的基礎，結合具體系統可以總結建立系統各種數學模型的方法，并通過對比，引導學生發現各種模型的特點和聯系。在學習控制系統時域分析法時，可以獲得系統實際液位的變化曲線，幫助學生形象地理解各種性能指標的含義。介紹到PID控制器時，可以啟發學生進一步探討水箱水位控制系統的控制器是什么，通過課堂討論，分析出該系統是利用杠桿原理實現的比例控制。通過對案例的深入分析，讓學生能夠充分理解理論知識和實際應用的聯系，提高學生的知識應用能力。[4]

2.穩定性補充案例

針對穩定性部分的教學內容，使用“垮塌的塔科馬大橋”作為補充案例，用于引出控制系統穩定性的問題、總結穩定性的定義，同時案例的趣味性可以激發學生的學習興趣。

案例描述：1940年11月8日美國華盛頓州的《塔科馬新聞論壇》刊登了一則轟動一時的爆炸新聞，大字標題“海峽大橋坍塌”。塔科馬大橋是一座跨海懸索橋，姿態苗條，造型優美，號稱當時世界第三。大橋于1940年7月1日建成通車，只要有風，這座大橋就會晃動。1940年11月7日，一陣不算很大的風激發起大橋的振動，且隨著持續的風吹，跨邊上下翹起的最大幅度越來越大，以指數狀增大，僅十幾分鐘，振幅就達到28英尺（8.5米），最終大橋在震耳欲聾怒吼聲中坍塌。

問題：從控制理論的角度分析大橋垮塌的原因。

分析：從生動的生活實例引導學生從控制理論的角度分析問題，將大橋當做一個控制系統，定性分析當風作為外作用時大橋的形變問題。結合大橋垮塌的現象，引導學生得出大橋本身是一個臨界穩定系統的結論。進一步通過計算機仿真或理論推導等手段，啟發學生理解對于臨界穩定的控制系統，當正弦外作用的頻率等于系統固有頻率時，系統響應發散，這也是導致大橋最終斷裂的原因之一。說明臨界穩定系統不具有工程實用性。

三、結論

案例教學法是以培養學生的能力為核心的新型教學法，使用該教學方法，選擇某些合適的工程實際，通過多媒體的有效傳媒手段，結合傳統教學手段，對提高理工科院校專業課的教學效果幫助很大，具有一定的推廣性。同時，優秀的案例具有一定的交流性，對于提高整體授課質量有著不小的益處。但是在案例式教學應用中，應注意以下方面：一是案例式教學耗時較多；二是授課中不同專業背景的學生往往更容易接受和理解本專業的一些案例，所以要針對授課對象具體為之；三是案例式教學彌補了傳統講授法的一些不足，具有很大的優越性，但它并不能取代講授法而獨立存在。

參考文獻：

[1]王學仁，艾春安，寧超.高等院校“傳熱學”案例式教學法探討[J].中國電力教育，2010，（12）：74-76.

[2]王平.案例式教學中關于案例引入方式的思考[J].濟南職業學院學報，2008，（2）：29-30.

[3]黃堅.自動控制原理及其應用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]孫宇貞，黃福珍.自動化專業本科教學中的案例設計與實踐[J].中國電力教育，2011，（9）：145.

（責任編輯：孫晴）