《自動控制原理》“深入淺出”與“淺入深出”探討

吳小娟+何玲

摘要：《自動控制原理》是自動化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)課程，它主要研究自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而由于其內(nèi)容飽滿，且學(xué)習(xí)課時有限，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常常難以真正把握整個《自動控制原理》的知識體系。基于該問題，本文提出了《自動控制原理》課程教學(xué)過程中“深入淺出”與“淺入深出”的復(fù)合教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，這種復(fù)合教學(xué)模式不僅有助于改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，還有助于學(xué)生形成科學(xué)的思維方式。

關(guān)鍵詞：《自動控制原理》；復(fù)合教學(xué)模式；“深入淺出”；“淺入深出”

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0236-02

一、引語

《自動控制原理》是研究如何分析自動控制系統(tǒng)性能，以及如何設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)以達(dá)到所期望性能指標(biāo)的一門課程[1]，它既是基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程的深入，又是專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)，是新知識的增長點(diǎn)。在這門課的教學(xué)過程中，由于內(nèi)容龐雜、知識面廣，教師一般是“滿堂灌”，傳授給學(xué)生各個方面的知識。然而，信息量雖大，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果卻并不好，他們實(shí)際掌握的重點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及教師對他們的期望。除此之外，由于教學(xué)改革，學(xué)習(xí)這門課程的課時也在逐漸減少，在教師加快授課速度的同時，學(xué)生的聽課效率卻在降低，這導(dǎo)致他們學(xué)習(xí)時往往感到難懂、難學(xué)。因此，本文提出“深入淺出”與“淺入深出”的復(fù)合教學(xué)模式，解決在課程內(nèi)容繁雜的情況下教師如何提高教學(xué)效果，以及在課上學(xué)習(xí)時間減少的情況下學(xué)生如何提高學(xué)習(xí)效果的問題。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

《自動控制原理》是自動化專業(yè)最核心的一門專業(yè)課程，然而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常常感覺難以掌握，歸結(jié)原因主要有以下兩個方面。

1.《自動控制原理》內(nèi)容充實(shí)。它包括在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的控制系統(tǒng)時域分析方法、根軌跡方法和頻域分析方法，并討論了基于時域和頻域方法的控制系統(tǒng)校正方法。除此以外，還涉及了非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的分析[2]。這些基本理論與方法作為本課程的知識要點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)理解的重點(diǎn)。在課堂上，如果教師采用逐一問題講解、剖析的方式，那么在教學(xué)時間一定的情況下，是不能完成教學(xué)任務(wù)的。因此，教師一般采取“填鴨式”的教學(xué)方法[3]，學(xué)生被動接受教師傳授的知識，他們本身并沒有融會貫通這些知識，不善于總結(jié)對比知識間的聯(lián)系與區(qū)別。比如判斷穩(wěn)定性總共有哪些方法、各自適應(yīng)于哪些條件下，又比如時域分析、頻域分析之間有什么聯(lián)系，以及非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)之間的聯(lián)系和區(qū)別是什么。總體來說，學(xué)生對知識的掌握僅停留在表層，每個章節(jié)會做幾個數(shù)學(xué)運(yùn)算，并沒有真正掌握控制理論。

2.由于教學(xué)改革，學(xué)生課上學(xué)習(xí)《自動控制原理》的時間在逐漸減少，而所學(xué)內(nèi)容卻沒有相應(yīng)減少。翻開自動控制理論書，我們不難發(fā)現(xiàn)里面充斥著推導(dǎo)以及公式，在課上學(xué)習(xí)時間不夠的情況下，學(xué)生只能利用課余時間理解這些知識，這就造成學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，根本沒有耐心跟著課本一起推導(dǎo)。也因?yàn)槿绱耍瑢W(xué)生就很難明白知識結(jié)構(gòu)中的聯(lián)系。例如，奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的公式是怎樣推導(dǎo)的、開環(huán)根軌跡增益與開環(huán)增益間滿足什么關(guān)系。

三、教學(xué)方法探討

1.教學(xué)者“深入淺出”。傳統(tǒng)的授課方式是從教師的角度出發(fā)，即應(yīng)該教學(xué)生哪些知識，而沒有從學(xué)生角度思考該如何有效地讓學(xué)生掌握這些知識。因此，“深入淺出”是指把深奧復(fù)雜的課堂內(nèi)容用簡單易懂的方法和語言向?qū)W生講述清楚的一種教學(xué)方法[4]。教師如要做到“深入淺出”，筆者認(rèn)為主要從以下兩個方面著手。

（1）自身水平的提高。教師要能“深入”于教材，“淺出”于課堂[5]。首先，教師必須對課程內(nèi)容本身有深刻的領(lǐng)悟，只有這樣才能夠找到簡單、直觀、易懂的講授方法。例如，分析控制系統(tǒng)時，首先是要判定它的穩(wěn)定性[6]，因?yàn)椴环€(wěn)定的系統(tǒng)在工程中是沒有任何實(shí)際意義的。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)本質(zhì)上是一種圖解分析方法，起點(diǎn)和終點(diǎn)的確定是曲線繪制的一個關(guān)鍵步驟。教學(xué)者可以從最小相位典型環(huán)節(jié)和與之相對應(yīng)的非最小相位環(huán)節(jié)具有的特點(diǎn)入手，總結(jié)出奈奎斯特曲線起點(diǎn)和終點(diǎn)的幅值與相位的求解方法。教師在講授課中要向?qū)W生傳授新的知識，新知識的傳遞總要按教學(xué)目的達(dá)到某種深度，因此應(yīng)做到“術(shù)業(yè)有專攻”，努力鉆研專業(yè)課程，取得在本門學(xué)科方面的科研成果。

（2）講究授課策略。《自動控制原理》知識點(diǎn)很全面，教師在授課過程中，既要有整體教學(xué)思路，又要能抓住授課命脈[7]。授課策略的制定和把握可以從以下方面考慮：①教師要思考：學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的知識支撐點(diǎn)在哪兒？他們已經(jīng)具備了哪些知識經(jīng)驗(yàn)？在新知識教學(xué)前，教師還需要幫助和引導(dǎo)學(xué)生提取哪些舊知識？②教師可以設(shè)置問題、設(shè)置情景，引起學(xué)生的思考，多為學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好奠定基礎(chǔ)。比如在畫根軌跡時，可以用Matlab制作成動畫形式，多條根軌跡分成不同顏色從起點(diǎn)到終點(diǎn)，以生動、形象的畫面感引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣來提高他們學(xué)習(xí)的積極性。③要有利于加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的印象。在授課過程中我們往往用比喻來直觀地解釋一些問題和現(xiàn)象[8]。比如，在講“超調(diào)”的概念時就以百米賽為例，終點(diǎn)線就相當(dāng)于系統(tǒng)的“給定值”，當(dāng)運(yùn)動員以一定速度達(dá)到該“給定值”時，由于慣性還會超出“給定值”。那么這個“超出”就是控制系統(tǒng)中所謂的“超調(diào)”概念[9]。

2.學(xué)生“淺入深出”。“淺入”即是在教師通俗的講解下，學(xué)生先初步了解知識點(diǎn)，激起自身的求知欲。“深出”即是課下再仔細(xì)琢磨，進(jìn)一步掌握知識點(diǎn)。學(xué)生要想做到“淺入深出”，學(xué)好這門課程，應(yīng)該具備自主反思和自主學(xué)習(xí)意識[10]。

（1）自主反思體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中做到“舉一反三”。比如，在學(xué)習(xí)穩(wěn)定性時，穩(wěn)定的充要條件就是閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負(fù)實(shí)部。對于低階的特征方程，我們可以直接求出特征根來判斷穩(wěn)定性，而對于高階系統(tǒng)，我們便可以考慮使用勞斯判據(jù)。假如特征方程的根隨某個參數(shù)由零變到無窮大，這時我們可以利用根軌跡來討論穩(wěn)定性的問題。以上這類知識點(diǎn)的聯(lián)系與區(qū)別需要學(xué)生自己歸納總結(jié)，“舉一反三”的目的就是通過反思幫助學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。

（2）自主學(xué)習(xí)，即是以學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體來實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。《自動控制原理》是一門源于控制實(shí)踐的理論課程，要想學(xué)好這門課程，我們在獲取基本理論知識的同時，也要將之應(yīng)用于實(shí)踐，在實(shí)踐中分析、探索知識。比如，飛思卡爾智能汽車競賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)。整場比賽需要學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同利用所學(xué)知識制作智能車。其中，控制算法就很重要，這就需要學(xué)生對自動控制原理和計(jì)算機(jī)控制有一定的了解，并且在了解的基礎(chǔ)上，還要鉆研，將理論變?yōu)閷?shí)物。當(dāng)學(xué)生參賽后，由于比賽的需要，學(xué)生便會產(chǎn)生自主學(xué)習(xí)的意識，從而達(dá)到這門課程學(xué)習(xí)的深度和寬度。

四、結(jié)語

本文基于《自動控制原理》課程內(nèi)容飽滿和授課時間有限，分別從教師和學(xué)生的角度探討了“深入淺出”及“淺入深出”的教學(xué)方案。教師只有豐富教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效果，做到“深入淺出”，才能真正做到讓學(xué)生掌握知識；學(xué)生只有具備自主反思和自主學(xué)習(xí)意識，做到“淺入深出”，才能真正掌握自控原理的精髓。

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Discussion on "In a Simple Way "and "In a Deep Way" of "Automatic Control Principle"

WU Xiao-juan，HE Ling

（School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，Sichuan 611731，China）

Abstract："Automatic Control Principle" is a very important professional automation courses， it mainly studies the basic theory of automatic control system， system analysis and system design. However， due to its content is full， and learning time is limited， students in the learning process is often difficult to truly grasp the "Automatic Control Principle" of the knowledge system. Based on this problem， this paper puts forward the teaching model of "Automatic Control Principle" in the course of "In a Simple Way" and "In a Deep Way". Teaching practice shows that this kind of compound teaching model not only helps to improve students' learning effect， stimulate students' initiative learning ability， but also help students form scientific way of thinking.

Key words："Automatic Control Principle"；complex teaching model；"In a Simple Way"；"In a Deep Way"