自動控制原理課程教學(xué)改革淺議
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摘要：自動控制原理課程是自動控制類專業(yè)的基礎(chǔ)課,具有較強(qiáng)的理論性和抽象性，掌握起來有很大的難度，所以，要加強(qiáng)對該課程的教學(xué)改革。文章提出了教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的許多改革措施，這些改革方案可以有效改善課堂教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主體參與意識。
關(guān)鍵詞：控制基本原理；課堂；教學(xué)
自動控制理論的蓬勃發(fā)展開始于二十世紀(jì)三十年代，但真正進(jìn)入大學(xué)課堂卻是在二十世紀(jì)五六十年代，它的誕生為高等學(xué)校帶來了全新的生命力。自動控制原理課程的專業(yè)知識覆蓋面廣，教學(xué)內(nèi)容多，應(yīng)用性非常強(qiáng)，對于學(xué)習(xí)者形成系統(tǒng)和工程的思想有著非常重要的作用。目前，自動控制原理課程已成為自動控制類專業(yè)最主要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，其內(nèi)容涉及:手動體系的基礎(chǔ)組織與構(gòu)造、手動體系的特性指數(shù)以及手動體系的種類和特性、手動體系的分析方式(時(shí)域法、根軌跡法、頻域法等)以及工程設(shè)計(jì)方法等。該課程的設(shè)立目的主要是為了訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)以及設(shè)計(jì)、分析系統(tǒng)問題的能力，在自動控制類專[2]業(yè)的課程體系中，占據(jù)非常關(guān)鍵的地位。自動控制原理課程對數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的應(yīng)用能力要求很高，通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠?yàn)槿蘸筇幚韺?shí)際工程問題打下重要的理論基礎(chǔ)。在新型工科背景下，如果學(xué)校仍然采取以教師為主體的傳統(tǒng)教學(xué)方法，那么將很難培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜工程問題的能力。?？祁愒盒W(xué)生的動手能力相對較強(qiáng)，但基礎(chǔ)知識薄弱。根據(jù)這類院校學(xué)生的實(shí)際狀況，為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，增強(qiáng)學(xué)生處理復(fù)雜實(shí)際問題的能力，在教學(xué)模式與教學(xué)手段等方面都必須作出改變。
1.課堂教學(xué)中存在的問題
⑴學(xué)生的綜合知識能力相對薄弱。該教程主要涉及到了高中數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、大學(xué)物理、集成電路等的基本知識，并涉及大量公式推導(dǎo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往感到內(nèi)容簡單乏味,無法很好地將知識融會貫通。⑵學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確。學(xué)習(xí)者往往很難認(rèn)識到自動控制學(xué)科在工程實(shí)際中的潛在意義，只重視教材中簡單公式化的習(xí)題，從而造成學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中無法正確理解所學(xué)理論知識的實(shí)際應(yīng)用。⑶配套教材的缺乏。目前，該課程的教材大都基礎(chǔ)理論性較強(qiáng)，復(fù)變函數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識以及集成電路等基礎(chǔ)知識較多，能夠完全符合新工科特點(diǎn)的內(nèi)容相對較少，教材中涉及處理復(fù)雜工程問題的介紹尤為稀少，基本上都是根據(jù)傳統(tǒng)理論知識點(diǎn)設(shè)置。盡管任課教師采用了一些新穎方式開展課程，比如，在課程講解過程中，把典型的爐溫、液位高度及其調(diào)速系統(tǒng)等知識點(diǎn)穿插其中，幫助學(xué)生深入了解課程內(nèi)容，從而訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立分析問題并解決矛盾的能[3]力，但是，由于教材中并無這些知識點(diǎn)，教師只能講解一些與之相關(guān)的較為簡單的知識點(diǎn)，因此，很難訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立處理復(fù)雜工程問題的能力。⑷教學(xué)方法簡單、成效不理想。教師在教學(xué)中廣泛運(yùn)用了多媒體技術(shù)，形象展現(xiàn)了教學(xué)中的公式推理等內(nèi)容，但教學(xué)中其他教學(xué)內(nèi)容還是需要更為多樣化的教學(xué)手段進(jìn)行生動呈現(xiàn)，這樣才能達(dá)到相應(yīng)的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，由于考試方法陳舊傳統(tǒng)，很難反映對學(xué)生創(chuàng)造力的訓(xùn)練效果，和新工科理念也不太吻合。⑸實(shí)踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新程度不足。課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中沒有實(shí)際研究對象，只在試驗(yàn)箱和模擬軟件上進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗(yàn)和演示性試驗(yàn)。而且，由于試驗(yàn)設(shè)施不夠，很難適應(yīng)新的工科專業(yè)課程規(guī)劃要求。
2.教學(xué)改革
自動控制的原理課程的學(xué)習(xí)是自動化學(xué)習(xí)者從高中階段到大學(xué)階段認(rèn)識事物的最關(guān)鍵的一次分水嶺，學(xué)習(xí)者第一次被引導(dǎo)從“系統(tǒng)”而非“部件”的角度去認(rèn)識事物，所以，課程與教學(xué)方法的選用就變得尤為重要。按照新課程目標(biāo)，應(yīng)逐步構(gòu)建以學(xué)生為中心，老師進(jìn)行引導(dǎo)的新型教學(xué)方式。任課教師通過設(shè)置當(dāng)下熱點(diǎn)控制問題，并指導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，以充分調(diào)動學(xué)生積極參與研究的熱情。老師在課堂中除了要有清晰的工作思路，仔細(xì)總結(jié)教學(xué)內(nèi)容，用心搜集資源、案例、圖片動畫，把優(yōu)質(zhì)的多媒體導(dǎo)入課堂之外，還要重視教學(xué)內(nèi)容和課堂技能改革。自動控制原理課程具有理論性、實(shí)用性、系統(tǒng)性強(qiáng)，涉獵面寬,概念抽象等特征，學(xué)生在初學(xué)起來一般覺得很麻煩，是教師應(yīng)注意引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。工科學(xué)生喜歡邏輯性和連貫性較強(qiáng)的練習(xí)，在實(shí)際課堂教學(xué)中，不少學(xué)生往往會因?yàn)橛幸粋€(gè)知識點(diǎn)掌握不好而長時(shí)段停滯，甚至趕不上教學(xué)進(jìn)程。這時(shí)，老師就一定要重視并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，通過有效溝通，指導(dǎo)學(xué)生跟上步伐。工科的大部分學(xué)科都需要通過預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)鞏固，但現(xiàn)在的學(xué)生常常由于各種因素而做不到這點(diǎn)，這就對任課教師提出了更高的要求。老師們必須在教學(xué)中經(jīng)常把前后知識點(diǎn)串聯(lián)起來,要善于在學(xué)生的困難中找到問題實(shí)質(zhì)，善于幫助學(xué)生從問題和困難中走過來，從而贏得學(xué)生的信賴，營造良好、高效的學(xué)習(xí)氣氛。隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，新型的控制方式和測控手段也越來越多，針對職業(yè)教育的特點(diǎn)，教師應(yīng)打破按照知識體系教授課程的傳統(tǒng)方式，突出職業(yè)能力培養(yǎng)，以學(xué)生將要從事的崗位所需的職業(yè)能力為目標(biāo)，以崗位需求為導(dǎo)向，以崗位技能對應(yīng)的職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，充分進(jìn)行校企合作，進(jìn)行基于工作過程的課程開發(fā)與設(shè)計(jì)，既要保證職業(yè)崗位所需技能、相關(guān)知識、職業(yè)素質(zhì)的需要，又要注重與后期專業(yè)課程內(nèi)容的銜接；教師應(yīng)以真實(shí)工作任務(wù)或產(chǎn)品為載體組織教學(xué)內(nèi)容，在真實(shí)工作情景中采取項(xiàng)目導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動、工學(xué)交替等教學(xué)模式。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)把古典控制理論和現(xiàn)代控制理論緊密結(jié)合在一起講解，并著重介紹現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)和應(yīng)用，提高講授內(nèi)容的系統(tǒng)性。只有在課堂教學(xué)過程中不斷探索不同的教學(xué)模式，善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)與提高，才能真正改善教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出優(yōu)秀的人才。另外，教師在課堂教學(xué)過程中應(yīng)加強(qiáng)控制理念，減少過程推導(dǎo)，對控制系統(tǒng)的基本概念、原理、分析方法等進(jìn)行重點(diǎn)講解，注重培養(yǎng)學(xué)生將課程與學(xué)科實(shí)際相結(jié)合的能力。
2.1教學(xué)模式改革
運(yùn)用超星學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)平臺，進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)。超星學(xué)習(xí)通平臺相比其他互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺有許多優(yōu)勢：⑴搜索功能。海量的課程資源可以通過網(wǎng)頁搜索一鍵搜索獲得，其中包含了各種電子書、雜志、文章、報(bào)紙、專題、音頻等，學(xué)習(xí)者可以按照自身對課堂內(nèi)容的需要搜索自己所需要的資源；⑵數(shù)據(jù)同步。學(xué)習(xí)通與電腦遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)教育平臺學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)同步，包含建課數(shù)據(jù)、課程數(shù)據(jù)分析、教學(xué)交互統(tǒng)計(jì)等；⑶社區(qū)功能。學(xué)習(xí)者采用賬號方式實(shí)名注冊，可以加入同校之間、跨校之間的網(wǎng)絡(luò)社區(qū),參與各種課程興趣小組等。任課教師還可以自制濃縮教學(xué)精華的微課件，上傳到學(xué)習(xí)通教學(xué)空間，便于學(xué)習(xí)者在課后觀看，鞏固課堂知識點(diǎn)。另外，教師還可以在超星學(xué)通平臺制作引導(dǎo)研討的微課程，通過編寫研討提綱與要求，讓學(xué)生課后利用微課將研討場景搭建出來，自主練習(xí)，提供研討素材。實(shí)踐教學(xué)中，任課教師總是耗費(fèi)大量時(shí)間給學(xué)生講述試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)機(jī)理、試驗(yàn)過程等，實(shí)際給學(xué)生的實(shí)操時(shí)間非常少。但是，通過利用學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺，教師可以直接把試驗(yàn)內(nèi)容制成微課件或直接共享網(wǎng)絡(luò)空間中的視頻資料，讓學(xué)生[4]在課下完成情境式預(yù)習(xí)。
2.2教學(xué)內(nèi)容改革
自動控制原理課程是以介紹基本專業(yè)理論為目的，并進(jìn)行了復(fù)雜的數(shù)理概念推導(dǎo)，學(xué)生很難抓住重點(diǎn)，不易理解。針對這些問題，可對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改革。自控基本原理課程的核心主線是數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)化工程設(shè)計(jì)，根據(jù)這一核心教學(xué)主線，將課程細(xì)分為六大塊:自控的基本概述、數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)解析、控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、采樣系統(tǒng)分析以及非線性系統(tǒng)分析。對于數(shù)據(jù)分析部分的講解,教師可以引入多種數(shù)據(jù)分析手段；在講解工程系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，通過以上分析方法，讓學(xué)習(xí)者在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中圍繞“系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)”這一主線展開，舉一反三，從而讓學(xué)生對控制理論有更深刻的認(rèn)識。在講解每一章節(jié)時(shí)，以系統(tǒng)穩(wěn)定性為主線，通過分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將主要知識點(diǎn)緊密連接在一起,并指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會綜合運(yùn)用所學(xué)知識。在學(xué)生理解體系物理定義的基礎(chǔ)上,通過導(dǎo)入優(yōu)秀的教學(xué)手段，將Matlab軟件的使用帶入真人課堂，讓學(xué)生深入理解Matlab在各個(gè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。具體做法如下。首先，從基本理論和范疇來看，淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)。例如，針對分析方式和校準(zhǔn)方式，對以控制系統(tǒng)穩(wěn)、速、準(zhǔn)等為核心的性能指標(biāo)加以剖析講解,省略數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只需讓學(xué)生掌握該課程的邏輯性。其次，在講解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，涉及到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的各種復(fù)雜變換，在講解過程中簡化為只講解結(jié)構(gòu)圖的串聯(lián)、并聯(lián)和反饋,并且利用Matlab軟件求解傳遞函數(shù)。由于Matlab仿真軟件是一個(gè)功能很強(qiáng)大的軟件,因此，在教學(xué)過程中會利用更多的課時(shí)講解Matlab軟件的使用。該軟件在自動控制原理這門課中有著舉足輕重的作用，此外，學(xué)生用好這個(gè)軟件對于以后的科研工作也會有很大的幫助。這一教學(xué)過程中可以減少學(xué)生對數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)變化的機(jī)械性學(xué)習(xí)，從而減少了學(xué)生復(fù)習(xí)任[5]務(wù)，以使其有更多的精力分析系統(tǒng)性能問題。最后,在頻域分析方法中，涉及到對系統(tǒng)的幅相頻率特性曲線圖和對數(shù)特征關(guān)系曲線圖的描繪與解析，在講解過程中以兩種圖形的對比以及參數(shù)的變化為自變量,按照系統(tǒng)的性能指標(biāo)對圖形進(jìn)行對比分析。
2.3教學(xué)方法改革
自動控制原理對學(xué)生的定性分析能力、定性評價(jià)能力、綜合運(yùn)用能力、數(shù)形結(jié)合能力等有特定的要求，并需具備堅(jiān)實(shí)的數(shù)理教育基礎(chǔ)知識，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往會產(chǎn)生困惑或產(chǎn)生恐懼心理，從而影響教學(xué)效果。所以，需要改變傳統(tǒng)教學(xué)方法與授課方式，從而提高質(zhì)量，這是課堂變革的關(guān)鍵問題。在以信息技術(shù)、知識大爆炸為特點(diǎn)的今天，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)手段已無法滿足信息時(shí)代的要求，運(yùn)用現(xiàn)代的教學(xué)技能和管理手段，改善課堂教學(xué)條件，已成為目前的一種趨勢。2.3.1多媒體技術(shù)的運(yùn)用。在自動控制原理課程的多媒體教學(xué)實(shí)踐中，為了讓多媒體教學(xué)這一先進(jìn)的教育技術(shù)手段更好地服務(wù)于課堂，在課堂中可將一些重點(diǎn)或難點(diǎn)問題制作成視頻展示給學(xué)生，開展課堂探討，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)，經(jīng)過探究，也能夠讓學(xué)生對相關(guān)問題有進(jìn)一步的認(rèn)識。另外，可以開發(fā)自動控制原理多媒體教學(xué)課程、Matlab模擬軟件包等教材，科學(xué)合理地利用多媒體技術(shù)的生動、真實(shí)、容量大的優(yōu)勢。事實(shí)證明，多媒體技術(shù)的運(yùn)用獲得了不錯(cuò)的教學(xué)效果，也得到了廣大學(xué)生的青睞，對教學(xué)質(zhì)量的提升起了一定的積極影響。2.3.2現(xiàn)場講解。面對一個(gè)新的名詞或者問題，以往的教學(xué)手段通常有兩種:一是以書中給出的系統(tǒng)示意圖為例；二是以身邊的常用器件為例,以上兩種方法效果并不理想，學(xué)生很難形成清晰的概念。針對以上問題，現(xiàn)在我們采取每節(jié)課直接進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的方法，面對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行講解。例如，我們利用實(shí)驗(yàn)室THSA-1型過程控制綜合實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)操和講解:(1)教師講解實(shí)驗(yàn)臺裝置部件組成；(2)組織學(xué)生討論傳感器、電動調(diào)節(jié)閥、加熱管、PID調(diào)節(jié)器等工作原理；(3)教師根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)要求整體講解系統(tǒng)構(gòu)成和原理。以上步驟能讓學(xué)生真實(shí)觀察到系統(tǒng)，形象了解系統(tǒng)部件組成，使得抽象的理論變得形象化。同時(shí)，可活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，教師在講解過程中，通過告知學(xué)生一些實(shí)物和基本概念，從[6]而引出學(xué)科體系中的相關(guān)課程，讓學(xué)生了解相關(guān)課程之間的關(guān)系和重要性，提高學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)的熱情。并且，通過對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的講解，學(xué)生能夠?qū)υO(shè)備更熟悉，也可以利用自己的課余時(shí)間進(jìn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和鞏固這些知識，通過實(shí)測數(shù)據(jù)，加深對理論知識的理解。2.3.3理論課程實(shí)驗(yàn)化。在理論教學(xué)中，如果將純理論教學(xué)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)化，即用Matlab仿真軟件邊講授理論知識邊做實(shí)驗(yàn)，這樣會達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果，可增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動性，也能讓學(xué)生從枯燥的課堂教學(xué)回到實(shí)驗(yàn)室中。例如，在講授一階系統(tǒng)的性能分析時(shí)，討論參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，可讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中利用Matlab仿真軟件自己調(diào)參，通過不同的參數(shù)調(diào)整，對比仿真圖效[7]果，自行分析系統(tǒng)參數(shù)對其性能指標(biāo)的影響。學(xué)生通過自己動手仿真做實(shí)驗(yàn)，能夠更好地把控參數(shù)的調(diào)整區(qū)間，同時(shí)對該任務(wù)點(diǎn)的學(xué)習(xí)有更深刻的印象。
2.4考核方式改革
在教學(xué)考評方面，采用平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模擬練習(xí)和期末學(xué)科課程設(shè)計(jì)等有機(jī)結(jié)合的考評方法，著重考查學(xué)生的實(shí)操技術(shù)能力、工程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、技術(shù)創(chuàng)新能力等,使學(xué)生建立屬于自己的工程意識，同時(shí)把新時(shí)期對工科專業(yè)學(xué)生的基本能力要求充分體現(xiàn)出來，并合理評估學(xué)生處理復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力。
3.結(jié)語
本文根據(jù)自動控制原理課程教學(xué)過程中遇到的問題展開分析，總結(jié)了當(dāng)前新工科環(huán)境下的一系列創(chuàng)新教學(xué)模式。通過采用以上教育手段、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方案等創(chuàng)新手段，任課教師可以更好地完成教學(xué)任務(wù)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好，為今后專業(yè)課程的教學(xué)和學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)奠定更加堅(jiān)實(shí)的基石。同時(shí)，根據(jù)自動控制原理課程教學(xué)中出現(xiàn)的一些問題，采取變革課堂教學(xué)、變革作業(yè)形態(tài)、變革實(shí)驗(yàn)形態(tài)等措施。在校內(nèi)資金允許的情況下，可設(shè)置自動控制原理理論教學(xué)平臺、實(shí)踐教學(xué)平臺和社會實(shí)踐平臺，各平臺相互聯(lián)系，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。
作者:田輩輩 張喜云 單位:焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院