“自動控制原理”課程教學(xué)中的問題及對策

李峰 羅印升 俞洋 邢紹邦 李博

摘? ? 要： 針對“自動控制原理”課程教學(xué)中存在的問題，圍繞理論與實踐緊密結(jié)合的課程特點(diǎn)，提出將理論教學(xué)和實驗教學(xué)有效融合的策略，采取多樣化的理論教學(xué)形式，改革實驗教學(xué)方法及考核機(jī)制，在充分激發(fā)和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性與積極性的基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生對課程理論的掌握及實踐能力的提升，從而實現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 自動控制原理; 理論教學(xué); 實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2020）04-0111-04

“自動控制原理”課程是控制類、電子信息類等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，該課程系統(tǒng)地闡述了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的研究對象及數(shù)學(xué)模型，并利用相關(guān)理論和工程技術(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計，具有理論與工程實踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)[2]。“自動控制原理”整合了電類專業(yè)基礎(chǔ)課程，如大學(xué)物理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路等，同時又需以高等數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)。由于該課程理論性強(qiáng)、知識面廣、內(nèi)容繁多，且計算量大、概念抽象[3-4]，因而相當(dāng)多的學(xué)生難于理解和掌握。但是，該課程又是后續(xù)課程，如過程控制、計算機(jī)控制系統(tǒng)、智能控制技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論等的基礎(chǔ)，因此教好學(xué)好這門課具有重要意義。

1? ? “自動控制原理”課程教學(xué)中存在的問題

1.1 內(nèi)容多與課時少的矛盾突出

當(dāng)前，在該課程的教學(xué)中，課時少與內(nèi)容多的矛盾成為教師最大的困惑。江蘇理工學(xué)院“自動控制原理”課程在自動化和電氣自動化兩個專業(yè)中開設(shè)，教學(xué)時數(shù)為64學(xué)時，其中實驗教學(xué)為8學(xué)時。

“自動控制原理”課程內(nèi)容包含經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論主要運(yùn)用在時域和頻域范圍內(nèi)分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。它包含五個章節(jié)內(nèi)容：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性連續(xù)系統(tǒng)的時域分析、線性系統(tǒng)的頻域分析、線性系統(tǒng)的校正以及線性離散系統(tǒng)。現(xiàn)代控制理論主要研究線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間，利用系統(tǒng)的狀態(tài)變量對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計，內(nèi)容主要包括線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與綜合。由此可見，該課程內(nèi)容相對較多，而且教材中增加了利用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真輔助設(shè)計內(nèi)容，也占用了一些學(xué)時。此外，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)要求更加注重學(xué)生專業(yè)實踐能力的養(yǎng)成及提高，提倡學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)，即要增加專業(yè)實習(xí)實踐時間，這進(jìn)一步激化了內(nèi)容多課時少的矛盾。為了在有限的時間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，教師就不得不增加每課時的信息量，造成相當(dāng)一部分學(xué)生無法及時消化、理解所講內(nèi)容，影響了該課程的教學(xué)效果。

1.2? 學(xué)生課堂學(xué)習(xí)興趣難以提升

目前，“自動控制原理”的教學(xué)雖然基本實現(xiàn)了多媒體形式，然而教學(xué)模式還大多為傳統(tǒng)的“填鴨式”。這種教學(xué)模式不太注重課堂上學(xué)生主動性的發(fā)揮，只是一味機(jī)械式地做課堂筆記，缺少啟發(fā)與思考，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高。此外，由于每節(jié)課的信息量較大，上課使用的課件也只是將教材中的文字和圖片簡單組合，并沒有利用好多媒體教學(xué)的優(yōu)勢。相反，使用多媒體教學(xué)之后，教師講課速度較快，學(xué)生難以跟上，從而對知識的理解只停留在表面難以深入[5]。

1.3? 理論教學(xué)與實踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)

理論與工程實踐緊密結(jié)合是“自動控制原理”課程的特點(diǎn)之一，二者相互促進(jìn)、相輔相成。但在校大學(xué)生普遍缺乏工程實踐經(jīng)驗，對實際控制系統(tǒng)也缺乏感性認(rèn)識，非常不利于對理論知識的學(xué)習(xí)與掌握。

首先，該課程的每個章節(jié)都有復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和繁瑣的數(shù)學(xué)公式，如在時域分析、根軌跡以及頻域法等章節(jié)中，學(xué)生如果缺乏工程實踐知識，則很難弄懂系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其次，在分析復(fù)雜的非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時，往往將復(fù)雜模型分解為簡單模型，從而利用成熟的線性系統(tǒng)知識進(jìn)行分析。然而，實際工程中理想的線性系統(tǒng)是不存在的，或多或少都存在一定的非線性特性，因此，采用線性系統(tǒng)相關(guān)理論分析會造成理論分析與實際情況不符的問題。如果學(xué)生沒有工程實踐經(jīng)驗，則不容易靈活掌握及運(yùn)用這些理想模型。

2? ? 解決對策：加強(qiáng)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合

以培養(yǎng)工科應(yīng)用型人才為目標(biāo)，秉持專業(yè)教學(xué)應(yīng)該面向行業(yè)需求的理念，著力培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力和創(chuàng)造性思維。根據(jù)筆者教學(xué)的親身體會，借鑒其他院校的寶貴經(jīng)驗，嘗試提出以下教學(xué)策略。（如圖1所示）從理論教學(xué)與實驗教學(xué)兩方面同時考慮，通過一些具體方法的采用，力求形成理論與實驗相促共進(jìn)的局面。

2.1? 理論教學(xué)策略

2.1.1優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

該課程的各模塊獨(dú)立性較強(qiáng)，但綜合性要求也相對較高，應(yīng)該優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將內(nèi)容系統(tǒng)化、模塊化。例如，在研究系統(tǒng)的性能、控制方式以及被控變量時，可以將系統(tǒng)進(jìn)行如下分類：從系統(tǒng)的性能角度考慮，將系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)、時變系統(tǒng);在對系統(tǒng)進(jìn)行控制研究時，可以將系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng);按照被控變量的數(shù)量，可以將系統(tǒng)分為單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)。系統(tǒng)化、模塊化的講課方式不僅可以緩解課時少、內(nèi)容多的矛盾，提高課堂效率，也便于學(xué)生系統(tǒng)地理解和掌握相關(guān)課程內(nèi)容。

2.1.2探索多樣化教學(xué)形式

（1）將現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)的板書教學(xué)有效融合。板書作為傳統(tǒng)教學(xué)手段有著很強(qiáng)的示范和引導(dǎo)作用，對于工科專業(yè)顯得尤為重要。簡潔優(yōu)秀的板書能夠呈現(xiàn)清晰的邏輯層次，突出教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，清晰簡明的輪廓有助于學(xué)生加深對課堂知識的理解。現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)通過動畫、文字、圖像、聲音等多種方式創(chuàng)設(shè)出生動有趣的教學(xué)情境，可有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在豐富課堂信息量的同時，提高了學(xué)生的自主探究水平。因此，發(fā)揮多媒體教學(xué)和板書教學(xué)各自的優(yōu)勢，將兩者有效結(jié)合起來并運(yùn)用到課堂教學(xué)中，能夠在很大程度上改善教學(xué)質(zhì)量。

（2）教學(xué)中引入虛擬仿真軟件Matlab/Simulink。該軟件具有快捷的計算功能和強(qiáng)大的圖形描述功能，利用該軟件可以對連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及采樣頻率系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真以及綜合分析，也可以對混合的線性或者非線性系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。通過對該軟件的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生理解抽象的系統(tǒng)理論，可以將理論計算和公式推導(dǎo)轉(zhuǎn)化成形象生動的圖形，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

（3）利用藍(lán)墨云班課輔助教學(xué)平臺開展課堂互動教學(xué)。藍(lán)墨云班課是一種即時反饋型的教學(xué)互動軟件，具有豐富的課程資源，以及教學(xué)反饋、在線提交作業(yè)、師生之間和學(xué)生之間的交流、隨堂小測試等功能。通過該教學(xué)平臺可以使課堂教學(xué)變得豐富多彩，大大提高老師和學(xué)生互動的即時性，獲得最佳教學(xué)效果。

2.1.3案例教學(xué)與探究式教學(xué)相結(jié)合

在案例教學(xué)中，選取與課程內(nèi)容相關(guān)的工程案例，設(shè)置案例任務(wù)，要求學(xué)生利用所學(xué)的知識獨(dú)立完成案例任務(wù)，從而有效地將理論教學(xué)和實踐教學(xué)融合起來。不僅加強(qiáng)了學(xué)生對理論知識的理解，同時增強(qiáng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。在案例教學(xué)的基礎(chǔ)上，將探究式教學(xué)融入課堂，教學(xué)過程中設(shè)置臺階式問題，引導(dǎo)學(xué)生對提出的問題進(jìn)行積極探索。他們通過查閱文獻(xiàn)、分析原因，最后給出問題的解決方案。在這個過程中，學(xué)生不僅能夠養(yǎng)成良好的探究習(xí)慣，而且鍛煉了他們獨(dú)立思考和邏輯推理能力。更為重要的是，在用這種方法進(jìn)行教學(xué)時，可以布置課外作業(yè)，將探究學(xué)習(xí)延伸到課外，拓寬學(xué)生的視野，使學(xué)生從不同角度和不同層面思考問題。

2.2? 實驗教學(xué)對策

2.2.1改進(jìn)實驗教學(xué)方式

實驗課的教學(xué)策略應(yīng)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生獨(dú)立自主進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)和操作，教師在實驗課程中重點(diǎn)發(fā)揮主導(dǎo)作用。通過實驗課程培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實際操作能力。具體可以分為以下兩個階段：

（1）教師在本次課結(jié)束時布置下一次實驗課要學(xué)的內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)老師布置的任務(wù)自主預(yù)習(xí)，認(rèn)真閱讀實驗步驟和實驗方案，在已有理論知識的基礎(chǔ)上，按照實驗任務(wù)要求獨(dú)立完成實驗方案設(shè)計、實驗平臺搭建、實驗數(shù)據(jù)采集及實驗結(jié)果分析等。

（2）對班級學(xué)生進(jìn)行分組，每組成員按照標(biāo)好的序號依次將自己的設(shè)計方案在課堂上演示，其余同學(xué)仔細(xì)觀察并對實驗情況做好記錄。每組成員針對本組實驗過程中的問題進(jìn)行討論，最終判定本次實驗的結(jié)果是否合理。通過該實驗?zāi)Ｊ剑粌H能增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和實際操作能力，還能增強(qiáng)團(tuán)隊合作精神。

2.2.2調(diào)整實驗課程考核結(jié)構(gòu)

目前，很多學(xué)校實驗課程的考核往往只強(qiáng)調(diào)實驗結(jié)果，而忽視了實驗的設(shè)計方案和操作過程。這樣的模式往往會導(dǎo)致學(xué)生在課前不認(rèn)真預(yù)習(xí)，對實驗的內(nèi)容和任務(wù)不清楚，在課堂上也不認(rèn)真聽講和參與，最后交作業(yè)時參考其他同學(xué)，這樣顯然不能達(dá)到實驗教學(xué)的目的。因此，迫切需要調(diào)整實驗結(jié)構(gòu)。具體來說，就是將實驗結(jié)果、實驗設(shè)計方案和實驗操作過程按照一定的比例設(shè)置，最后以三部分的加權(quán)作為本次實驗的成績，如果缺少其中任何一項將視為不合格。有效的實驗課程考核體系能夠讓每位同學(xué)真正參與到實驗中來，在提高他們實際操作能力的同時，也促進(jìn)了其對基礎(chǔ)理論知識的理解與掌握。

3? ? 結(jié)語

本文圍繞“自動控制原理”課程的特點(diǎn)，針對內(nèi)容多、課時少，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，以及理論教學(xué)與工程實踐脫節(jié)等問題，注重學(xué)生獨(dú)立思考和邏輯推理能力的培養(yǎng)，提出了理論教學(xué)和實驗教學(xué)有效融合的教學(xué)策略。嘗試通過多樣化的理論教學(xué)形式，改革實驗教學(xué)方法，優(yōu)化實驗課考核機(jī)制等措施，以促進(jìn)學(xué)生對理論知識的掌握和實踐能力的提升。

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責(zé)任編輯? ? 王繼國