《自動控制原理》課程改革探索

張薇 張虹

摘? 要：自動控制原理是理論性較強的專業基礎課，能夠幫助分析和改善控制系統性能，或是根據性能要求設計系統。課程需要在時域、復數域和頻域分析，包含大量數學推導，單純講解理論基礎知識，不利于學生的理解和吸收。如果和工程實踐相結合，不僅能夠引起學生興趣，而且有助于學生對理論知識的理解，提高學生解決實際工程問題的能力。與此同時，課程組考慮引入慕課，提高學習者獨立自主的學習能力，同時強化學生對于重難點問題的再理解。

關鍵詞：自動控制原理? 工程實踐? 慕課

1? 自動控制理論發展歷程

自動控制原理是電氣專業和自動化專業入門級的重要專業基礎課，在自動控制類專業占據著十分重要的地位，對工程實踐具有很強的指導作用[1，2]。其發展至今，經歷了3個發展歷程。第一個發展歷程是20世紀30～50年代，是以傳遞函數為經典控制理論，經典控制理論研究的是單輸入單輸出線性定常系統的分析與設計。到20世紀50年代末，隨著工業生產水平的發展，迫切需要有一種理論能夠解決多輸入多輸出、參數時變系統的分析與設計。由此，以狀態空間為主要分析工具的現代控制理論應運而生。直到20世紀70年代，隨著人工神經網絡、支持向量機等機器學習方法的發展，自動控制理論進入了第三個發展階段，到達智能控制階段。雖然自動控制歷經了3個發展階段，得到了快速發展。但是處于第一個發展階段的經典控制理論仍然是自動控制理論研究的基礎和核心，也是自動控制原理課程的主體。

2? 課程研究體系

自動控制原理旨在培養學生對控制系統的分析能力，控制系統性能包括系統穩定性、動態性能和穩態性能[3]。通過課程學習，學生能夠分析給定控制系統的性能，并且分析系統性能與系統的結構和參數有怎樣的關系。另外，當系統性能不滿足要求時，如何根據所學知識矯正或設計系統。為實現上述目標，課程分別從時域、復數域和頻域3個角度展開，從不同角度分析系統快、穩、準三大性能[4，5]。目前，大部分高效所采用的教學模式仍然是以板書為主的基礎理論教學模式，這種教學模式把理論研究和工程實踐分開，致使學生理解理論知識困難，雖然在課程中加入了實驗環節，實驗環節加入電路和模電放電電路知識，前期知識掌握程度一般的學生不能很好地把理論知識應用進去，實驗環節不能完全發揮其教學效果。

3? 強化工程實踐應用

考慮到自動控制原理是一門具有一定深度和難度的課程，為了避免學生只是機械地記住了數學公式和結論定理，不會應用所學的控制知識解決實際問題。考慮在理論教學平臺設計兩個基本模塊：基本原理模塊和工程實踐模塊。基本原理模塊復雜基本理論概念和結論推導;工程實踐模塊負責針對教學重點和教學難點問題引入工程實例，加深學生理解，培養學生理論知識應用的能力。

在授課的過程中，盡量將這兩個基本模塊相結合。基本原理模塊是工程應用的前提和基礎，作為前期授課的重中之重。工程實踐模塊有助于基本原理模塊的再理解，提高學生進行系統分析和應用的能力。擬在控制系統的時域響應章節加入工程實際模塊。將電路和二階系統時域的動態性能分析相結合，設計一個由電阻、電容和電感組成的RLC串聯電路，在串聯電路兩段施加單位階躍電壓，考慮電容兩段的電壓如何變化？此電路可用二階微分方程描述，是典型的二階系統。通過二階系統的時域響應課程，讓學生獨立分析給定RLC串聯電路等伏電壓，系統電容兩段電壓將如何變化？系統的穩態誤差為多少？如果想要提高電容充電速度，應調整哪些原件（電阻、電容和電感）參數？這些提問是建立在學生已有自控基本理論知識的基礎上，并且與學生所學的電路知識相結合，能夠引起學生的興趣。提出問題后由教師輔助引導學生分析問題，讓學生自主尋找解決問題的方法。

4? “慕課”與課堂相結合

大規模在線開放課程（Massive Open Online Course， MOOC）又稱為“慕課”，是由具有分享和協作精神的教育工作者發布于互聯網，具有開放性和透明性。具有系統的課程體系，明確的教學對象和教學目標。在教學中，經常發現后半節課學生注意力不集中。研究表明人腦的注意力集中時間是有限的，在一個半小時的學習中，很難保證學生始終全神貫注，而重難點往往出現在中后期課堂上。另外，大部分學生有記筆記的習慣，有時教師在講授下一環節時，學生還停留在上一環節的筆記記錄中，這種現象在課堂中較為普遍。無論是“溜號”還是“筆記跟不上”現象，都影響了課堂的連貫性，容易遺漏重要知識點。通過校內版網絡課程，學生可以課后回顧遺漏的知識點，一定程度上保證了課堂質量。

另外，學習目標相同的同學可以通過創建學習社區進行交流，進一步激發學習者的學習興趣。從教育模式角度，相比于以教師傳授知識點為主的傳統教育模式，“慕課”是一種通過網絡傳授知識的開放型教育模式。對于一門專業課，不同專業對知識點要求的側重點不同，教學大綱也不同，導致某些專業側重點偏弱的知識點學時安排有限。如果學生對于這一部分知識點比較感興趣，可選擇其他專業的在線開放課程進行學習。從被動聽課到主動學習的教育模式的轉變，正是在線網絡課程帶來的人才培養方式的深刻變比。

在線開放課程一個重要的特征是學習環境網絡化。其學習資源通過網絡環境生成和傳播，利用網絡學習工具實施教與學的活動。因此，在線開放課程的建設對教師在信息化技術方面的要求要高于課堂教學。在對該校學生提供的在線開放課程中，不僅包含國內外優質教學材料，還要并入本校骨干教師的網絡課程。教師可以借助國家級、省級精品課或者通過“慕課”技能培訓，提升在線課程拍攝與制作等方面的信息化能力。一方面，學校可以開展“慕課”技能培訓，有針對性地提高教師信息化教學技能。另一方面，學校可以以微課競賽為前提，通過競賽評獎評優的方式，鼓勵教師積極參與。微課可以看作在線開放課程的一個視頻單元，一個完整系統的在線課程由一系列微課組成。通過微課競賽的方式，不但有助于教師信息化技術的提升，還可以直接推動校內在線課程質量。

5? 結語

自動控制原理是一門理論性較強的專業基礎課。和單純推導公式得到結論相比，與工程實踐相結合的教學模式能夠讓學生對自動控制有更直觀、更真實的感受。與此同時，引入慕課，將優質網絡資源與課堂相結合，學習者可以利用碎片化的時間自主地選擇教育資源，提高學習的自由性和主動性。在課程改革探索中，通過引入慕課以及將理論分析與電路或電力系統專業背景相結合，有助于學生探究能力和創新能力的培養，強化學生解決工程實踐問題的能力。

參考文獻

[1] 張璃成，王福斌.自動控制原理課程立體化教學體系研究與實踐[J].試驗技術與管理，2013，9（9）：181-182.

[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，2009，3（2）：66-68.

[3] 馮寶，趙虹.新晉本科“自動控制原理”教學方法研究[J].教育觀察，2016（4）：92-93.

[4] 周武能，石紅瑞.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010，33（1）：63-66.

[5] 張東妍，周宏威，戴天虹，等.基于多元化模式的自動控制原理課程改革[J].中國電力教育，2014（12）：144-145.