自動控制原理教學應用改革探析

孫建平 趙立慧

摘? ? 要：新時期，科技發展與社會進步給傳統學科課堂教學帶來了新的問題。為了促進學校雙一流學科建設，本文以“自動控制原理”課程為教學研究與實踐對象，探析了現有教學存在的問題，引入模型化教學思維、主動學習促進策略、集成化項目工程教育教學理念，從課程內容、習題教學、理論實操等方面提出優化自動控制原理教學的策略。旨在通過教學改革引導學生深入領會課程的知識結構，改善本科教學中常見的基礎知識掌握不牢現象，進一步提升學生運用自動控制理論解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：工程應用學科;教學改革;自動控制原理

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）12-0012-03

隨著智能科技的廣泛普及和快速發展，傳統學科教學迎來了新的挑戰，也因此誕生了新的標準和要求，教學手段也向多樣化發展。同時，現代社會對學生的要求不僅滿足于熟知理論，還迫切要求學生能夠將課程原理與生產生活中的實際問題聯系起來，具有分析設計能力和工程實踐能力。為推進我國工業現代化，自動控制原理因其課程理論的普適性及重要性，已被列入自動化、電氣專業、機電專業等本科工程專業的必修基礎課程[1]。

近些年來，雖然學生綜合素質不斷提高，但學風浮躁、課程鉆研精神不足等群體現象導致學業整體水平下降。為更好促進雙一流學科建設，“自動控制原理”課程中原有的教學體系、課程內容等方面需要進行優化改革。因此，為讓本科生教育能夠緊隨時代發展潮流，本文結合國內高?，F有的教學條件，聯系教學實際探析工程基礎學科教學的改革之道。

一、“自動控制原理”教學現狀

“自動控制原理”課程以復變函數與積分函數為基礎，要求學生全面掌握控制系統組成原理以及系統分析。學生在課堂中普遍反映課程內容難以掌握，經過調查，發現教學體系中存在以下問題需要改進。

第一，學生數學基礎較為薄弱。“自動控制原理”課程由于開課次序及學時設定等原因，使得學生在學習過程中出現知識遺忘或先修課程掌握不透徹等現象，導致數學基礎薄弱，不能深入理解相關時域、頻域的知識。例如在課堂上推導控制系統的數學模型相關內容，學生需要理解大量的公式推導。再加上該部分趣味性不足等原因，基礎較差的學生在面對不熟悉的知識點時就會出現跟不上學習進度的情況。在課程初期聽不懂，學生就會喪失對課程的興趣，并在大腦中將其錯誤定位為純理論性學科，導致對課程實用性認知模糊不清，直接影響到后續教學和學習效果[2]。

第二，教學效果反饋滯后。本科教學知識和內容逐年增加，以及教學時長進一步壓縮，兩方面因素造成教師難以及時得到學生對知識理解程度的真實反饋。現有教學體系往往通過隨堂練習、課堂提問討論、課后習題等方式來了解學生學習情況，經過調查，課堂效果并不理想。課外教學效果的鞏固應當以習題作為媒介，但現有的“課堂講解原理—典型例題講解—布置課后習題”這一教學模型尚有改進的余地，面對習題計算量大、控制理論分析方法多、各章節內容相互聯系的現狀，學生并不能及時掌握課堂教學內容，課后并不積極進行課程內容復習與解疑。學生對先修課程內容理解不透徹，從而導致不能夠掌握該種問題模型的分析方法，導致教師不能及時學生對重難點內容的反饋。

第三，課程教學內容缺乏整體觀念。如今高校應試教育氛圍濃厚，學生在學習過程中往往流于對方法論的學習，忽略了對該門課程內容整體觀念的理解。從歷史角度來看，自動控制原理具有深厚的歷史積淀，目前公認的第一篇理論論文，即1863年J.C.Maxwell發表的“論調節器”，其距今已有兩三百年。因此自動控制原理是前人在遇到難以解決的控制系統問題基礎上，經過不同時代對社會生產需求的歷練，逐步完善的經典控制理論。當今教育環境衡量教學成果看重應試成績，學生以取得高分為目標，這就導致教師的教學重點向單純講述解題方法傾斜，忽略了自動控制原理是一套體系化理論。

第四，與 “倡導工業化與信息化結合”的時代政策聯系不緊密。課程體系規劃伊始，計算機尚未普及，信息工業化技術遠沒有現在發達。隨著學生學習方式和設備的多樣化，知識可承載媒介更豐富，實現多種角度教授和學習知識的條件比以往更加充裕。授課內容不再僅僅停留于紙筆，控制系統的數學模型及其分析方法已經可以通過多媒體設備，利用MATLAB等平臺進行仿真，并且復雜性較低，學生更容易理解。在信息化高速普及的今天，現有教學體系還未涉及到學生可以通過編程實現工業場景的建模與數學模型的仿真。這一方面的教學有益于學生個人能力的培養，應該早日同“工業化與信息化結合”的國家政策緊密結合起來。

第五，課程實踐僅僅依附于單門課程。2016年6月2日，中國加入《華盛頓協議》，同年明確了本科工程教育的基本定位是培養學生解決復雜工程問題。所謂復雜工程問題，是指具有較高的綜合性，包含多個相關的子問題且涉及多方面技術、工程和其他因素的綜合性問題[3]。自動控制理論課程與眾多學科相互聯系，同時自動控制理論應用于不同的就業及專業背景，能夠結合電子電路和通信、設備設計等多方面內容進行實踐。學生通過運用控制數學模型能夠解決大量工程實際中的問題，大大提升了解決復雜工程問題的能力。而現有的相關實踐教學僅僅涉及單門課程的原理性實踐，沒有結合多門課程，并且課程實踐的“碎片化”嚴重阻礙了學生解決問題能力的培養[4]。

二、教學優化的指導思想

課程教學改革中的常見措施是積極把教育領域的主流與前沿思想融入到教學實踐中來，結合教學中出現的問題對現有授課體系進行優化改進。通過分析近年來教學改革目標相關文獻研究，綜合多項教改經驗，在先進的教學思想基礎上，探討教改應用手段方向。

（一）運用模型化教學思維

模型化思維是指從科學認識的角度出發，將知識內容進行抽象、簡化和純化[5]，建構出能反映原型本質關系的模型。這種高度抽象化的模型能夠將自動控制原理中的細枝末節聯系起來，有助于學生構建知識體系，更加深入地理解控制理論的本質。在教學過程中，經驗豐富的教師能夠自覺或不自覺地引導學生從復雜的知識架構中抽取出數學精髓，并構建出理論框架體系[6]，同時用淺顯的數學知識輔助學生理解復雜的時域、頻域分析方法，避開需要深厚數學功底才能夠理解的推導過程。模型化思維在目前“自動控制原理”課程教學中有所應用但不夠系統科學化。

模型化教學思維不僅要引入到課堂中，還要求能夠與現有教學體系緊密結合。對此，鐘媚[7]等學者從哲學科學理論產生本質出發，將教學過程與模型建構與修正聯系起來，引導學生在實踐過程中建立學科知識的數學模型。付偉[8]等提出將理論、實驗、素質拓展等教學節點分別建立教學模型，在強調專業知識教學同時也兼顧個人興趣及工程應用發展方向，因材施教并循序漸進地培養學生的專業素養。這些研究啟發本門課程在進行實踐教學時，汲取經驗豐富教師的授課方式，從宏觀上全面構筑好學生的理論體系，并在實踐中對理論知識體系進行完善，逐步、分層次的以多重指標來讓學生掌握統化的課程知識結構和內容。

（二）實施主動學習促進策略

隨著網絡的普及和學生對傳統科學理論重視程度的淡化，使用線上與線下、理論與實際結合的主動式學習策略開始被高校教學所接納。主動學習、合作學習、探究學習已經廣泛應用在社會、人文等學科的教學上，但是在工程學科中的應用尚不常見。工程學科由于課程內容指向性明顯、主動學習效果不能得到保證等方面原因，仍然需要沿用傳統的教學方式。隨著學生獲取知識渠道越來越多元化，傳統的知識單向流動式教學逐漸顯現出局限性，學生的學習興趣和主動學習的想法也越來越淡。以學生為本，促進學生面向未來工程需求的主動學習勢在必行。

清華大學電機系嘗試將主動學習促進策略引入到傳統學科“電路原理”的教學模式中[9]，配合互聯網資源，引導學生在課下主動學習，教師在課堂上進行答疑解惑、引導學生討論。這種學習模式可以自由穿插在授課過程中，教師也可以根據課程需要靈活運用。“自動控制原理”課程特征與電路原理類似，因此可以仿照清華大學將該思維引入到學科教學中。引入過程中需要根據實際情況，在課堂上對學生進行引導。課堂的時間以教師為主，但可以在講授理論的同時活用多媒體教學。通過進行實例仿真演示，運用計算機軟件如MATLAB、AMESIM進行輔助教學等方法，將信息化技術與經典理論結合起來，形象生動地展示不同數學模型下的仿真求解過程。在課程授課難點上，教師可將課堂內容交還學生主動學習，將重心放在上課指導從而加深學生理解。

（三）加強集成化項目工程教育

工科知識來源于工程。近年來，“讓工程教育回歸工程”的理念從麻省理工學院被迅速引進國內。1996年，國家教委組團考察美國工程教育后，撰文闡釋其核心內涵為：加強工程能力的培養，將過去過分重視工程學科轉變到更多重視工程系統及其應用背景上，并強調使用“集成”的思想促進課程實踐向綜合化、整體化方向發展。工程實踐對培養應用型人才的重要性無需贅述，現有教學方法在提出工程問題后直接講授答案，學生無法培養探索與主動解決工程問題的能力。為解決這個問題，利用整合多門學科的項目進行集成化工程項目教學，是我們強化學生應用創新能力的必由之路。

在項目教學方法中，劉云龍等提出將自動控制原理與現代控制理論進行整合，在教學內容之外，相應地設置項目實施環節來培養學生的實踐能力。經過整合課程設計在鍛煉學生的同時，實施過程與教學評價系統也更為合理科學。在實際應用中，自動控制原理還可以與智能控制理論、機械設計、電子電路、通信等學科進行綜合，依據真實性、綜合性、探究性原則開展基于不同專業的集成化工程項目教學，使學生在實施項目過程中，能夠掌握根據需求搜集所需知識并進行知識體系集成與建構的能力。

三、優化教學的實施策略

授課體系的優化主要依據學生反饋教學情況，對授課體系進行優化。在順應社會發展對應用型人才需求變化的前提下，繼承學校歷年來優秀的教改成果和經驗，融合本科生教育領域優秀的思想。借此達到提升學生課堂興趣、引導學生充分利用教材、構建學生知識應用體系的效果。從而進一步豐富和完善現有教學體系，培養出應用型人才解決復雜工程問題的能力。

（一）使用習題模型進行反饋式教學

習題是理論的實際應用，為抽象出的數學模型。反饋體系有助于教師及時掌握學生學習情況，并根據反饋來增加教學內容來更好地輔助學生理解課堂內容。建立在數學基礎上的學科離不開計算實踐，只有積極進行計算才可以更深刻理解并運用知識點。現有的教學反饋信息獲取具有滯后性，因此可以利用超前補償的思想對現有的習題反饋體系進行擴展，倡導學生在課堂教學前完成教材例題進行知識點預習，在課堂上在進行針對性的講解，下節課堂開課前，鞏固該課堂例題。在“發現課程問題—課程中理解問題—完整理解知識點—螺旋式鞏固例題”這種教學模式中，使學生在課堂上有針對性的聽講，提高了課堂效率。

（二）利用計算機調動主動學習熱情

利用計算機資源主動學習。一方面指利用MOOC平臺、愛課程等教育平臺鞏固課堂教學，另一方面指利用軟件平臺進行仿真實驗。學生可以在課后自學課程教材中的選學章節，嘗試將信息化、工業化與課程原理結合，把計算機輔助設計融合到自動控制理論中，也可以將MATLAB作為輔助教學軟件推廣開來。達到能夠根據教材具體實例，并結合電氣、熱能工程、自動化等專業電力背景，利用軟件解決自動控制原理范圍問題的目標。

（三）組織實踐項目培養綜合能力

科研項目是豐富的教學資源。教師在授課時可以適當穿插控制系統項目，帶領學生觀看項目視頻或實際演練。項目實操部分包括使用計算機來仿真基礎的控制系統模型，如倒立擺、運動控制系統等實際應用模型。當學生具備基礎的工程應用能力后，通過參加大學生控制系統方面的創新創業實踐活動等方式，以比賽項目帶動學生在應用中自己構架自控應用知識體系，培養自動控制原理與相關學科結合的思想，提升利用反饋、控制系統等知識解決實際問題的能力。

綜上所述，在建設雙一流學科中，“自動控制原理”課程要將“模塊教學+主動學習+集成項目”引入現在的教學體系中，改革構建出新的教學體系。自動控制理論作為基礎學科，教師在把握社會動向的同時，將傳統的理論知識與社會應用實際接軌，在教學中協助學生建構堅實、深厚的知識基礎。要求教師在沿用優秀的傳統教學體系的同時，務必結合國家對本科生人才的新標準、新要求，只有這樣才能夠培養出專業素質過硬的工程人才。與此同時，教學體系必須及時將現代化科技應用于教學課程，這樣才能夠引導學生主動學習、主動應用，讓學生能夠通過多種媒介更加深入地理解控制理論的本質。教師應當充分發揮項目經驗豐富的優勢，把課程講解與強化理論聯系實際，同步注重學生的編程能力，由此不僅能培養學生的綜合學科知識能力，更能夠培養解決實際問題能力。

參考文獻：

[1]徐穎秦，潘豐.自動控制原理立體化教學新體系的探索與? ? 實踐[J].電力系統及其自動化學報，2012，（2）.

[2]沈國江，楊曦，王萬良.基于“問題導向”的課程教學改革? ? ——以計算機專業《自動控制原理》課程為例[J].浙江? ? 工業大學學報：社會科學版，2014，（2）.

[3]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力? ? 的培養[J].中國大學教學，2016，（11）.

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[7][8]鐘媚，蘇詠梅.模型建構式探究：科學教學改革的新? ? 路向[J].外國教育研究，2012，（10）.

[9]朱桂萍，于歆杰.基于翻轉課堂的主動學習促進策略[J].? ? 中國大學教學，2018，（5）.

收稿日期：2019-04-20

作者簡介：孫建平（1962—），男，山東牟平人，華北電力大學控制與計算機學院自動化系教授，主要從事自動控制原理

教學、故障診斷等研究。