控制理論課程教學方法改革與探索

吳細寶 陳雯柏

摘要：筆者結合自身多年的教學實踐及控制理論課程的特點，為提高控制理論課程的教學質量，從教學方法、課程實踐、考核方式上進行了一些探討，給出了實施教學改革的具體措施。實踐表明，這些措施能夠有效地提高教學效果。

關鍵詞：控制理論;教學質量;教學方法;教學效果

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）40-0079-03

一、引言

控制理論為我校智能科學與技術專業第五學期開設的一門專業基礎必修課，學生需要高等數學、信號與系統基礎、電路分析等課程所涉及的傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、電阻阻抗等方面的先修知識，同時，通過本課程的學習，學生可以利用所學的控制系統的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法、狀態空間分析法和系統校正方法，為模糊控制、神經網絡、數字控制系統、智能機器人等專業后續課程的學習打下堅實的基礎，在教學環節中起著承上啟下的作用。該課程的特點是工程性、綜合性、方法性、實踐性強，涉及到多學科的交叉，需要的數學基礎知識十分廣泛，學生學習時對各知識點之間的關系缺乏整體把握，對控制系統的基本原理與方法的學習浮于表面，不能做到舉一反三，學習積極性不高，以至于學生考試時相同的知識點換個提法就無從下手，卷面成績及格率不高。針對這些問題，本文從教學方法、實踐環節、考核方式等方面提出了一些改革措施。

二、教學方法改革

1.構建知識點結構圖。構建知識點結構圖指的是將把課堂講授內容分解成一個一個知識點，并制成系統完整的結構圖，分為課程知識點結構圖和章節知識點結構圖。

目前，我校智能科學與技術專業的“控制理論”課程主要涉及以下內容：自動控制的基本概念，控制系統的模型建立，線性系統的三種經典分析方法：時域分析法、根軌跡法、頻域分析法，線性系統的校正、離散系統的分析與校正和線性系統的狀態空間分析與校正。為理清課程內容之間的關系，首先將整個授課內容分為經典控制部分（前七章）和現代控制部分（第八章），經典控制部分又可以分為連續控制系統部分（前六章）和離散控制系統部分（第七章），再對每一部分，依據系統建模→系統分析→系統校正這條主線，對教學內容進行整合，整合后的課程知識點結構圖如圖1所示。圖1中，中心部分為連續控制系統的經典控制部分，從基本概念到數學模型的建立再到三種分析方法（時域分析法、根軌跡法、頻域分析法）再到系統校正，形成一條完成主線，右邊部分為對應的離散控制系統的建模、分析、校正，左邊部分為狀態空間分析方法的建模、分析、校正，脈絡清晰，使得學生在學習本課程之初就有整體的和宏觀的感性認識。

在教學過程中，對于具體每章內容也建立相應的章節知識點結構圖。在學習每章內容之前，通過章節知識點結構圖，學生對每一章要學習的知識點有一個總體認識。學生復習時，對照章節知識點結構圖，可以幫助學生更好地了解對各知識點的掌握情況，從而提高教學效果。以下是部分章節的知識結構圖。

2.仿真軟件引入課程教學。“控制理論”課程是一門理論性和工程性都很強的專業基礎課，概念、方法和數學推導較多，與工程實際聯系緊密。為此，在授課過程中，需要圍繞建模→分析→校正這條主線進行講解。利用多媒體、動畫、軟件仿真等手段對一些難以理解的內容和概念進行形象化處理。如在講解二階系統的無阻尼自然振蕩頻率ωn和阻尼比ξ這兩個參數對系統動態性能的影響時，用軟件仿真手段進行輔助講解，編寫Matlab程序構造不同的傳遞函數，仿真給出不同ξ下的階躍響應曲線，見圖6，給學生以直觀上的感受。同學要求學生在完成課后作業時，利用Matlab進行驗證。

3.多媒體與板書相結合，培養學生思維能力。啟發式教學是一種以學生為主體、以教師為主導的先進教學方法。教師在教學過程中采取各種有效的方式激發學生的學習興趣和想象力、創造力，充分調動學生的積極性和主動性，啟發他們主動思考，提出問題、分析問題和解決問題，融會貫通地掌握知識，并創造性地運用于實際。

在授課過程中，如何給學生提出思考的空間，與學生進行深層次互動是擺在教師面前的一道難題。這里指的互動，并不只是老師在課堂上提問，學生起身回答，而應該是和學生進行有效的溝通。教師在授課過程中，除了修改和完善多媒體課件、有意識地調整自身的教學儀態，調節課堂氣氛，吸引學生的注意力外，還要多注意觀察學生的學習反應，對上課玩手機、睡覺的學生進行管理，同時也要總結自己教學過程中的不足，講得好的地方繼續保持，講得不好的地方在后續授課過程中應如何改進，以提升自己的教學能力。

在授課過程中，教師不能成為多媒體PPT的播放員，而應將多媒體和板書相結合，充分發揮兩者的優勢，以有效提升教學效果。為了充分發揮多媒體的優勢，需要不斷修改和完善多媒體課件，對課件內容歸納整理，減少煩瑣的文字，以免造成學生的厭倦情緒。同時適當的插入圖片、動畫、視頻來吸引學生的注意力。例如，講授控制系統穩定性的概念時，可以播放美國機器人大狗“DOG”的視頻，讓學生對“什么是穩定”有直觀的認識。同時，充分發揮板書的優勢，教師在課堂上板書可以給學生留有足夠的思考時間，有助于培養學生逐漸形成獨立思考問題的習慣。所以要把握好講課的節奏，必要時借助于板書展現重要的內容，特別是數學公式的推導和根軌跡圖、頻率特性圖的繪制，更應采用板書形式，以便學生有代入感。這樣充分利用多媒體課件和板書兩者的優勢，提高教學效果。

三、課程實踐環節的改革

實踐教學是工科院校重要教學環節。控制理論課程理論性很強，要使學生理解課程內容，必須設置相應的實驗。本課程設置8學時實踐教學環節，既有驗證性實驗，比如一階、二階系統的階躍響應，同時又借助于MATLAB進行系統設計和分析，開展綜合性設計實驗，輔助學生理解課堂知識，提高學生分析、解決問題的能力。

同時積極組織學生參加北京市電子設計大賽、全國大學生智能車競賽、全國機器人錦標賽、華北五省市大學生機器人大賽，大學生創新科研項目的創新實踐活動，使學生通過活動獲得知識和技能，通過團隊合作與交流、經驗分享為學生的創新思維及思想方法的形成營造出良好的氛圍。

四、考核方式的改革

控制理論課程的傳統考核方式是期末考試成績占70%，平時成績占20%，實驗成績占10%，平時成績包含考勤、作業等。在這種考核方式下多數學生只注重最后的理論考核成績，對實驗重視不夠，無法很好地貫徹我校以培養應用型技術人才的培養目標。而且學生平時過程考核不夠具體化，學生平時成績差距不大。

改革的具體方案是降低期末考試比重，采用期末考試成績占50%，平時成績占30%，實驗成績占20%的核算方法。加強學生平時學習過程的考核，增加課堂小測驗和回答問題的環節，調動學生自主學習的積極性。同時，增加實驗考核環節，實驗成績的評定由原來單純的由學生的實驗報告評定改為由實驗過程、實驗結果和實驗報告三者綜合評定。

五、結束語

本文根據我校控制理論課程的特點，給出了在控制理論教學過程中教學內容和教學方法上改革采取的一些措施，在教學實踐中也取得了較好的教學效果。課程改革是一個循序漸進、永無止境的過程。為了適應社會發展，培養出適應21世紀社會主義現代化建設需要，素質、能力、知識協調統一的應用型高級技術人才，提高教學質量，應該不斷地更新和完善教學內容，改進教學方法，將控制理論課的教學改革推向一個新的臺階。

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