淺談自動化類專業基礎課“金字塔型”教學模式

金學波 張慧妍

摘 ? ?要：自動化類專業基礎課教學面臨著“教”與“學”之間諸多矛盾，針對這些矛盾，文章以“自動控制原理”為例，構建了由教學環節、練習環節及提高環節組成的“三維立體化金字塔型”教學模式，教學實踐表明，學生在“自動控制原理”的學習中，理論和實踐方面得到了不同程度的提高，在培養學生學習習慣、興趣方法等方面取得了明顯的實效。

關鍵詞：教學方法;教學模式;自動控制原理;理論學習;實踐學習

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2021）07-0071-03

隨著高等教育的普及化和大眾化，尋求高效、科學的教學方法已經是近年來教學研究的熱點話題。對于自動化類專業來說，信息科學的發展對課程內容的要求越來越高，5G網絡、物聯網、人工智能等新技術更是要求自動化類專業學生具有較高的學科融合能力，利用多媒體技術、仿真工具的教學方法應運而生，在教學中起到了至關重要的作用[1-2]。然而，對于專業基礎課來說，學生不動筆練習、教師在課堂上沒有板書講解并通過詳細步驟演示習題的解法對學生學習帶來極大的弊端：學生不具備靈活運用微積分、復變函數等數學基礎知識解題的能力，造成“看看就會，其實不會”的現象，更為嚴重的是，造成了許多學生對基礎理論的淡化意識，甚至厭煩、抵制學科基礎理論的學習。

因此，專業基礎課的教學既不同于基礎課，也不同于專業課，在理論教學和實踐教學兩方面都需要加強，在教學方法、手段上既不能脫離多媒體等現代信息技術，也不能拘泥于這些方法，需要將傳統的、現代的教學方法有機地結合起來，通過有效選擇內容和方法，既可以快速傳遞大量的信息，對于核心理論內容還要“慢下來”“細下來”“沉下來”，以達到“既打下堅實的理論基礎，又引導專業知識與興趣”的目的。

針對自動化類專業重要的專業基礎課，“自動控制原理”的教學方法研究一直是教學研究的熱點話題，研究者對教學方法、教學內容、實踐性環節及與其他課程的關系等進行了廣泛深入的研究[3-6]。

本文立足于“自動控制原理”課程的教學方法研究專業基礎課程的通用教學方法。與目前的立體化教學方法相比，本教學模式更注重從下至上的“金字塔”體系結構[7-9]，強調學習層層遞進、相互支撐的關系，并著重培養學生的學習興趣，關注不同類型學生的知識獲取渠道和效果。

一、“自動控制原理”等專業基礎課“教”和“學”中矛盾分析

在教學實踐中，教師教學和學生學習之間的主要矛盾表現在以下幾個方面。

（一）學時偏少但內容較多，學生掌握知識的深度不夠

現代電子、信息技術的飛速發展給電子類專業的課程設置帶來了新的挑戰，課程內容較多，例如“自動控制原理”等專業基礎課的內容涉及到時域分析、頻域分析、復頻域分析、狀態空間分析等內容，在數學方面涉及到微積分計算、微分方程、差分方程的求解、復頻域變換、拉普拉斯變換、Z變換等知識，還包括上述各內容的相互轉換。“自動控制原理”課程內容與相應的數學課又有所不同，需要依托一定的應用背景進行實際系統的分析，如求解RLC網絡的電壓及電流輸出、倒立擺控制系統、冷鏈物流系統控制等內容，課堂教學很難做到面面俱到，尤其是與實際應用結合，受學時及實驗條件限制，往往只能涉及一小部分。這一共性問題引發了一部分教師的思考，對此進行了教學改革，方法值得借鑒[10-12]。

（二）課程難度大，學生缺乏興趣

由于專業基礎課程多具有一定難度和循序漸進的特點，因此在整個教學過程中，學生一旦在教師講解某個關鍵理論時走神，則會銜接不上、貫通無效，就很難真正理解該課程的學習內容，進而也就無法對課程產生濃厚的興趣，在做作業時得過且過不進行思考，無法掌握理論與實踐知識，考試成績不理想，分析實際問題的能力較低。

（三）教學資源豐富，但沒有充分利用

目前，隨著我國教學質量工程的發展，很多專業基礎課都進行了國家、省級精品課程的建設。比如“自動控制原理”課程的國家精品建設課程為數眾多，省級精品課程數目也不少，這些充足的網絡資源為教師提供了大量的習題、教學方法等資料，也為學生提供了廣闊的學習資源。然而，實踐證明，學生遠沒有教師留心這些網站，受學生本身自學能力的約束，很多學生根本沒有形成自己的學習體系，無法充分利用這些學習資源。

二、教學方法的探索——“三維立體化金字塔型”教學模式

針對上述矛盾與問題，在教學方法上可以進行以下幾個方面的嘗試。

1.課堂講解抓住知識主線，介紹重點、分解難點，充分利用傳統和現代科學教學方法，將視頻、PPT、板書、實驗相結合，保證學生能夠掌握課程主要知識。同時搭建優秀的自學平臺作為課堂教學的有益補充。

2.精心選擇工程實例問題，激發學生的學習興趣。“自動控制原理”等專業基礎課的理論性很強，同時又與實際工程背景有極大的聯系。然而，課堂教學無法給學生足夠的思考時間，很多學生知道書本上的函數卻無法將其與實際的信號聯系起來，因此，工程實例的講解介紹是必不可少的。另外，由于課堂時間有限，自學平臺上也應包含一些工程實例，方便有興趣的學生進行探索性學習。

3.形成系統化的教學方法框架，并有意識地培養學生科學的學習方法。我們認為，學生的學習動力來源于其內心的渴望，而學習的成效取決于科學的學習方法。因此，教會學生學習方法其實比教會其某一個公式、某一道習題更為重要。專業基礎課教師不僅要教會學生掌握基礎理論知識和培養他們將理論知識應用于實踐，還要注重培養學生科學的學習方法，為后續專業課程的學習打下堅實的基礎。

基于此，筆者在浙江理工大學、北京工商大學教學期間對所在專業構建了“自動控制原理”課程建設小組，積極投身參與并指導、組織一線授課教師精心研究了“自動控制原理”等專業基礎課的教學方法。通過在教學實踐中不斷地探索，構建了由教學環節、練習環節及提高環節組成的“三維立體化金字塔型”教學模式，如圖1所示。

具體說明如下。

1.預習與思考環節。作為應用范圍較廣的一類理論課，“自動控制原理”具有嚴謹的邏輯性和復雜性。為了更好地實現教學目的，通過提問及布置后續需要復習、預習的課程內容引發學生思考、掌握以往應知應會的知識點輔助學生理解一些抽象、難懂的知識點。

如在學習“傳遞函數”之前，布置學生閱讀以往學習過的“拉普拉斯變換”部分的內容;而在引入“諧波線性化”概念之前，通過回顧周期函數的“傅里葉級數分解”，方便學生理解第7章非線性系統分析這部分比較抽象的學習內容。

2.教學環節。課堂教學：廣泛使用科學有效的教學方法和手段，包括課堂板書（針對習題、重點知識的推導等）、視頻、PPT等教學媒介，將課程的范圍、歷史、新興發展方向以及重點與難點以多種形式演示，使課堂教學內容形象生動，體現立體化“教與學”的特點。另外，針對“傅立葉變換性質”“拉普拉斯變換性質”等多而復雜，但難度不高的知識點時，可使用自學、課堂小測試、再講解并引出相關性質的方法提升教學效果。

硬件實驗教學：作為電子類專業的學生，“自動控制原理”的系統應以電子系統為主并輔助以其他系統為應用對象，因此實驗教學不可將硬件系統拋棄不顧，那樣會使學生脫離實際。同時，由于計算機技術的發展，有目的地引入與計算機結合較好的新型實驗裝置，對于繼承傳統、厘清發展脈絡、培養與時俱進的發展觀都是大有裨益的。

網上電子書：將教材、課件等教學內容放置到網上，引導學生利用先進的信息化手段進行預習與復習。同時給學生提供豐富的學習資源，如國家精品課程、省級精品課程的鏈接。此外，由于互聯網技術平臺的不斷發展，還可以通過引入學堂在線課程資源進行混合式教學，統計學生上網次數、停留時間、測試學習成績，有效地監控學習過程。

網上仿真實驗：利用北京工商大學教務處購置的虛擬實驗平臺開發直觀的仿真實驗，包括時域特性、頻域特性、系統的穩定性等。實驗可以在校內實驗室客戶端進行，也可以在網絡端進行，地點與時間比較靈活，方便學生，并輔助其加深對理論知識的理解。

3.練習環節。課后作業：不能拋棄傳統的課后作業練習，但可以對部分優秀學生使用“只留知識點，不留具體題目”的方式，讓學生自己翻閱參考書，選擇并做出自己感興趣的并與知識點相對應的經典題目，寫出解題思路，總結解題步驟。實踐證明，這種方法效果非常好，是培養創新型人才的一條有效途徑。

網上自測與測試：學校購買的網上虛擬實驗平臺自帶了部分習題庫，習題庫中的習題可以自行擴容、刪除和修改。結合每屆學生的基礎與特點一學期更新一次學生可見的習題，要求學生每一單元進行自測并記錄成績，每學期進行一到兩次的網上綜合測試。

網絡游戲學習：這部分內容是基于2020年新冠肺炎疫情期間，北京高校一學期沒有線下授課，人工智能學院研發的模塊。疫情期間，教師與學生心理壓力較大，需要適當的疏解與放松，因此課程小組網絡視頻會議討論后確定利用雨課堂、微信等平臺開發網上學習軟件，將知識點融入游戲中，并在游戲中設置關卡，放入相應題目，讓學生闖關并記錄分數。這項練習激起了學生極大的學習興趣，學生之間互相競爭，而相應的分數也作為課程平時分數的一部分。

4.能力提高環節。MATLAB具有強大的運算功能，在科技應用軟件的數值計算方面首屈一指。其主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。通過以上分析可知，MATLAB對于自動化專業具有極強的輔助與支撐作用。因此，將“自動控制原理”的知識與MATLAB有機地結合起來，運用1至2節課進行基本培訓，對MATLAB的使用方法進行說明、演練。后續在網上有針對性地篩選出一些具有工程意義的實例，如火炮射擊的隨動控制系統、倒立擺控制系統、恒溫箱控制系統等，其中部分提供參考答案，部分是開放式的，以供學生探索如何利用MATLAB編程、分析、求解一些學科、專業的科學與工程實踐問題。

5.總結與歸納環節。“自動控制原理”課程內容邏輯嚴謹、概念多，若是不注意歸納總結，搭建知識點之間的“金字塔”，則很可能出現非系統化的一盤散沙狀態。因此，學習過程中應及時地總結與歸納，注意將新學習的概念歸入學生已有的知識體系，通過新舊知識的聯通、互融，形成系統的知識體系，使知識不易遺漏或遺忘，對學生總體能力的提升具有促進作用。

三、取得的成效

近年來，通過不斷地努力，筆者及課程建設小組研究并試行了上述“三維立體化金字塔型”教學模式的大部分內容，實踐證明，大部分學生在理論、實踐方面都得到了不同程度的提高，尤其是部分學生在該模式的引導下，掌握了立體化學習方法，在培養學生學習興趣、工程實踐能力等方面取得了明顯的實效。

在同等試題難度下，期末考試平均成績提高了10～15%，考取北京理工大學、北京交通大學等國內名牌大學研究生的學生數量大幅度上升，其中大部分學生選擇考“自動控制原理”科目。另外，學生參加挑戰杯、電子設計大賽等實踐性活動的積極性大大增強，后續如“計算機控制技術”“過程控制”等課程的任課教師反映，學生對相關的基礎知識掌握扎實，具有一定的探索精神，能夠獨立、有效地利用MATLAB及網絡資源開展一些調研及仿真實驗。

四、總結

本文針對自動化類專業基礎課教學方法，具體以工科院校的自動化、電氣及其自動化等專業的“自動控制原理”課程為例，論述了筆者及課程建設小組所分析、研究并實踐過的目前條件下專業基礎課的教學方法，提出了“三維立體化金字塔型”教學模式。實踐表明，該教學模式可以解決當前學生人數眾多、基礎相對以往較薄弱、不當新媒介廣泛存在這種新形勢下教與學的矛盾，對促進學生牢固掌握基礎理論知識，培養學生工程實踐能力、熱情及科學的學習方法十分有效。

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