基于自動(dòng)控制原理的教學(xué)創(chuàng)新改革探索

李曉杰，董 暉，王一光

（桂林理工大學(xué) 廣西 桂林 541004）

自動(dòng)控制原理課程是控制類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，其知識(shí)體系的掌握程度直接影響學(xué)生對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。通過對(duì)控制理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以提高對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的認(rèn)知水平，整體提升專業(yè)能力，同時(shí)能培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，以及解決實(shí)際問題的能力[1]。近年來，許多工程領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化專業(yè)的教育質(zhì)量提出了更高的要求，對(duì)具有創(chuàng)新能力的新時(shí)代自動(dòng)控制領(lǐng)域人才要求越來越高。自動(dòng)控制原理這門課程的教學(xué)效果直接影響本行業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。但是由于自動(dòng)控制原理的知識(shí)量大、知識(shí)點(diǎn)難度較高且較為抽象，致使該課程的授課難度很大。教師在規(guī)定的授課學(xué)時(shí)內(nèi)完成這門課程的教學(xué)任務(wù)，保證學(xué)生系統(tǒng)地掌握這門課程的知識(shí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中，是目前教學(xué)的難題。目前，各高校的教學(xué)都因理論與實(shí)踐結(jié)合不夠緊密、研究與教學(xué)銜接不足、教學(xué)內(nèi)容新穎度、深度以及廣度不足等原因出現(xiàn)授課效果不佳的問題。為了解決以上問題，有必要探索新的教育方法和課程改革，使學(xué)生更好地應(yīng)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)[2]。

1 課程特點(diǎn)及教學(xué)問題

自動(dòng)控制理論具有直觀的工程背景，綜合性強(qiáng)，是農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空、軍事以及社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域控制方面的理論依據(jù)，是現(xiàn)代控制工程領(lǐng)域重要的理論基礎(chǔ)。并且實(shí)際的工程應(yīng)用對(duì)自動(dòng)化相關(guān)的專業(yè)人員要求較高，這使得人們更加強(qiáng)調(diào)課程改革和教學(xué)方法的重要性，以更好地滿足行業(yè)的需求。自動(dòng)控制原理課程特點(diǎn)可以歸納為以下三個(gè)方面：

①自動(dòng)控制理論涉及數(shù)學(xué)、電子信息工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，包括微積分、復(fù)變函數(shù)理論、電力電子技術(shù)等多個(gè)課程的知識(shí)內(nèi)容，課程涉及控制系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)，要求學(xué)生具備比較扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理等方面的知識(shí)，并能夠?qū)ζ浼右造`活運(yùn)用。因此，自動(dòng)控制原理這門課程對(duì)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，不僅考驗(yàn)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)學(xué)生還需要具備較強(qiáng)的分析和解決問題的能力。

②自動(dòng)控制原理的理論知識(shí)相對(duì)較為抽象，同時(shí)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間存在著較為密切的關(guān)聯(lián)，學(xué)生需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，才能夠深入理解基本概念和原理，掌握控制系統(tǒng)的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。

③自動(dòng)控制理論的問題解決思路是利用可測(cè)量的信息將具體的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定量抽象的數(shù)學(xué)分析，以滿足實(shí)際控制目標(biāo)為需求，進(jìn)行系統(tǒng)控制的整體設(shè)計(jì)。其核心控制思想體現(xiàn)了信息論、系統(tǒng)論、控制論的綜合方法，要求學(xué)生了解信息論的基本概念和方法，掌握信號(hào)處理和控制系統(tǒng)中的信息傳遞、存儲(chǔ)和處理方法[4]。

根據(jù)以上自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)分析，自動(dòng)控制原理涉及多種知識(shí)、理論內(nèi)容豐富、要求學(xué)生具備解決實(shí)際問題的能力，導(dǎo)致該課程的教學(xué)任務(wù)重，教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度大，實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中普遍存在一些問題[5]。首先，該課程涉及知識(shí)面較廣、知識(shí)點(diǎn)理論性強(qiáng)，講授過程中通常存在理論與實(shí)際聯(lián)系不夠緊密的情況。雖然部分章節(jié)的例題與實(shí)際系統(tǒng)相關(guān)，但系統(tǒng)分析、校正、設(shè)計(jì)等部分的內(nèi)容講解與實(shí)際聯(lián)系較少，缺少實(shí)際系統(tǒng)控制案例，使得學(xué)生難以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，從而不能充分理解理論知識(shí)并融入實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中。另外，由于課程教學(xué)時(shí)長(zhǎng)限制，課堂上無法將控制理論中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都詳細(xì)講解，教師在課堂上與學(xué)生互動(dòng)交流的時(shí)間有限，無法對(duì)每個(gè)學(xué)生的難點(diǎn)一一解答，知識(shí)量大，授課時(shí)長(zhǎng)不能滿足教學(xué)需要，知識(shí)點(diǎn)講授不夠詳細(xì)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解不到位，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

通過以上分析，教師若采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法來對(duì)自動(dòng)控制原理這一門課程進(jìn)行教學(xué)必然不能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。教學(xué)方法不適當(dāng)會(huì)為課程的教學(xué)帶來各種問題，使教學(xué)時(shí)間緊張，教學(xué)內(nèi)容冗雜，教學(xué)知識(shí)點(diǎn)難以理解，達(dá)不到理想的教學(xué)效果。這些問題可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生缺乏必要的技能和知識(shí)來有效地將控制理論應(yīng)用于實(shí)際。因此，為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文提出自動(dòng)控制原理教學(xué)創(chuàng)新改革方法，提出理論課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)和總體評(píng)價(jià)方式三方面的具體改革措施，強(qiáng)調(diào)了教學(xué)內(nèi)容安排的合理性和系統(tǒng)性的重要性，旨在促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的人才。

2 課程教學(xué)改革

2.1 理論課程教學(xué)改革

首先，根據(jù)自動(dòng)控制原理課程的整體知識(shí)架構(gòu)，優(yōu)化教學(xué)任務(wù)，系統(tǒng)合理地安排理論教學(xué)內(nèi)容。在具體的教學(xué)當(dāng)中，教師需要對(duì)自動(dòng)控制原理的教學(xué)內(nèi)容做出系統(tǒng)安排，以此來突出自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)，避免與其他專業(yè)課程的授課內(nèi)容重復(fù)。自動(dòng)控制原理主要是從時(shí)域、復(fù)域、頻域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，因此，為了提高課程的系統(tǒng)性，應(yīng)從縱向?qū)⒆詣?dòng)控制原理的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。也就是把時(shí)域法、復(fù)域法和頻域法的系統(tǒng)分析知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)講述，使學(xué)生能夠理解控制方法的內(nèi)涵，形成整體系統(tǒng)的知識(shí)框架。另外，系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析的前提，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)相互影響，因此在具體教學(xué)當(dāng)中，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)建模的重要性，突出系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)過程，讓學(xué)生系統(tǒng)理解每部分所學(xué)知識(shí)在自動(dòng)控制原理中的作用。并且根據(jù)學(xué)生個(gè)人能力分層次教學(xué)，保證基本知識(shí)點(diǎn)透徹地講解，將復(fù)雜的推導(dǎo)過程放到線上教學(xué)或課后答疑的過程中，通過線上教學(xué)或答疑等環(huán)節(jié)針對(duì)學(xué)生提出的問題進(jìn)行解答。這樣既能節(jié)約課堂時(shí)間，可以更詳細(xì)地對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)化講解，還可以滿足水平較高學(xué)生的知識(shí)需求。在理論分析上，自動(dòng)控制原理需要更加注重工程的定義、工程的物理意義和工程的實(shí)際應(yīng)用，因此需要對(duì)這一方面的內(nèi)容做出詳細(xì)的闡述。在對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)上，需要積極培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維方式和系統(tǒng)創(chuàng)新能力。教師可以通過實(shí)際案例的分析和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方式，讓學(xué)生更深刻地理解知識(shí)點(diǎn)，并與實(shí)際系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)系，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。這方面需要教師進(jìn)行大量的資料查詢，以滿足課堂實(shí)例教學(xué)的需求。課堂中，教師拋出實(shí)際問題，以解決問題為目標(biāo)，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，更主動(dòng)地思考和探索，可以極大程度地改善學(xué)生被動(dòng)的思維方式，提高其辯證思維和創(chuàng)新能力。

其次，通過對(duì)理論教學(xué)方法的創(chuàng)新，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。深刻理解學(xué)生為教學(xué)主體，教師引導(dǎo)啟發(fā)教學(xué)模式的含義，積極采用各種教學(xué)手段激發(fā)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的興趣和學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。通過啟發(fā)式教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生之間討論問題，查找相關(guān)資料，自主尋找解決問題的思路和方法，這樣不僅可以讓學(xué)生掌握基本的知識(shí)點(diǎn)，并且擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)量，也是對(duì)已學(xué)知識(shí)的鞏固和應(yīng)用練習(xí)。教學(xué)方案的制訂，要從學(xué)生的角度出發(fā)，考慮學(xué)生的接受能力和接受程度，找到難點(diǎn)的突破口，才能有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合分析能力和解決問題能力。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)達(dá)，多媒體教學(xué)手段成熟，教師可充分利用網(wǎng)絡(luò)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和反饋，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提高教學(xué)效果。同時(shí)，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生一起完成課后的設(shè)計(jì)與作業(yè)，互相交流彼此的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)問題，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通能力，從而讓學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論有更全面的理解。

最后，利用信息化教學(xué)方式提高教學(xué)效果。教師板書講解的教學(xué)方式適用于自動(dòng)控制原理中多數(shù)方程和傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，但對(duì)于系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)以及根軌跡、頻域伯德圖等內(nèi)容的教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)方式往往讓學(xué)生感到內(nèi)容抽象，無法深刻理解教學(xué)內(nèi)容，不清楚所學(xué)理論知識(shí)在實(shí)際工程中的實(shí)踐應(yīng)用。因此，對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行信息化改革，將信息化課程教學(xué)方式和傳統(tǒng)授課方式相結(jié)合，將信息化作為一種工具融合到自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)中，能更高效準(zhǔn)確地教授知識(shí)內(nèi)容，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為課堂提供活力，提高課堂效率。此外，在教學(xué)過程中利用具有先進(jìn)計(jì)算和系統(tǒng)仿真功能的軟件，完成系統(tǒng)模型建立、分析和設(shè)計(jì)的講解過程，可以更直觀、更形象、更生動(dòng)、更透徹地讓學(xué)生感受到所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用方法，更好地理解知識(shí)內(nèi)容。通過信息化教學(xué)方式不僅便于學(xué)生理解和掌握自動(dòng)控制原理中的重難點(diǎn)，也可以引導(dǎo)學(xué)生在平臺(tái)上驗(yàn)證自己的分析結(jié)果，完善學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。通過對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行信息化改革，使得學(xué)生更容易理解自動(dòng)控制原理的知識(shí)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)課堂效率和教學(xué)效果的提升。

2.2 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是自動(dòng)控制原理課程中非常重要的一環(huán)，它不僅能夠有效驗(yàn)證理論教學(xué)的效果，還可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，增加學(xué)生的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生綜合素質(zhì)的提高奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題的能力至關(guān)重要。因此，在教學(xué)過程中，還要強(qiáng)調(diào)將自動(dòng)控制原理理論課程學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相結(jié)合，通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開展讓學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理相關(guān)基本理論知識(shí)的理解更加深入，達(dá)到鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力的目的，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要充分體現(xiàn)開放性，給學(xué)生足夠的獨(dú)立思考和創(chuàng)新空間，結(jié)合課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之上再額外增加一些綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解，使學(xué)生把課堂教學(xué)中的內(nèi)容與實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，而綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠鍛煉學(xué)生系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生具有全面解決實(shí)際控制問題的能力。另外，除了教師的指導(dǎo)和培養(yǎng)，學(xué)校還要提高實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的投入，提供足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，滿足每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的需要，并重視實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維修保養(yǎng)，保證設(shè)備正常運(yùn)行，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備故障對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的影響，讓實(shí)驗(yàn)課程可以更好地完成。同時(shí)，學(xué)校還應(yīng)該注重實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的建設(shè)和管理，保證實(shí)驗(yàn)室的安全和衛(wèi)生，為學(xué)生提供一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

2.3 總體評(píng)價(jià)方式改革

自動(dòng)控制原理課程是一門重要的專業(yè)課，而考核方式多以卷面考試為主，這種考核方式難以全面評(píng)估學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，也很難僅僅通過卷面考核成績(jī)判斷學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解和控制應(yīng)用理論的掌握程度。為此，一種更全面的考核方式是采用多種考核形式相結(jié)合的總體評(píng)價(jià)方式，該評(píng)價(jià)方式采取閉卷筆試成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、課前預(yù)習(xí)情況、課堂出勤率、課堂參與度及作業(yè)成績(jī)等多種考核結(jié)合的形式。將實(shí)驗(yàn)考勤、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容納入總體評(píng)價(jià)方式中進(jìn)行綜合評(píng)定，從而提高實(shí)踐環(huán)節(jié)在成績(jī)中的占比，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探索的主動(dòng)性，提高學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力，以及培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新的意識(shí)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)自動(dòng)控制原理課程教學(xué)問題進(jìn)行了深入分析，提出了針對(duì)理論課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)和總體評(píng)價(jià)方式三個(gè)方面的創(chuàng)新改革措施，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性、提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。只有在教學(xué)過程中不斷學(xué)習(xí)教育理論，深入落實(shí)創(chuàng)新改革教學(xué)模式和教學(xué)方法，才能提高自動(dòng)控制原理課程教學(xué)質(zhì)量。爭(zhēng)取通過自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)，為社會(huì)培養(yǎng)出更多專業(yè)素質(zhì)優(yōu)秀、工程實(shí)踐能力突出、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力領(lǐng)先的合格人才。