協同創新模式提升自動控制原理課程教學質量的研究

王鹍?田思慶?郝兵?姚凱

摘要：以校級重點課程自動控制原理作為試行目標，分析該課程當前的教學現狀及存在的問題，探討協同創新模式提高自動控制原理課程教學質量的多種可行性創新方式方法，以期提升電氣工程及自動化專業學生的綜合素質。

關鍵詞：協同創新；自動控制原理；教學質量

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0146-02

協同創新是近兩年“高等學校創新能力提升計劃”的核心概念，反映了科研發展的基本趨勢。其中的“協同”，可以有多個層面、多種形式。協同論的自組織原理顯示，所有系統一旦缺乏和外界環境進行物質、能量和信息的交流，其本身就會處于孤立或封閉狀態[1]。鑒于，協同創新模式在高校教學改革中具有較高的推廣價值，所在的一般本科院校電氣工程及自動化專業也開始積極推動協同創新理念。

自動控制原理課程是電氣信息類重要的專業基礎課，是由高數、大學物理、電路、電機拖動、機械、數學建模多門課程融合的系統理論，與后續的現代控制理論、自動控制系統、過程控制等相關課程聯系緊密，也是控制理論和控制工程研究方向的基礎理論，自動控制原理課程更是很多本科生考研所選擇的專業課[2]。因此，選擇自動控制原理課程作為協同創新方式的研究與實踐，探索全面提升教學質量的有效方法。

一、自動控制原理課程教學現狀及存在的問題

自動控制原理課程傳統教學模式一直以來都偏重理論，與我校重點專業電氣工程專業的“寬口徑、復合型”的“技術型電氣工程師”培養目標相背離。傳統的自動控制原理課程在人才培養方案、授課方式、實踐環節等方面比較保守，缺乏創新和思索；專業之間交叉少，幾乎是單一專業教研室獨自培養人才；實踐環節落后，課程實驗對學生的實踐和創新能力幫助不大，學生都是應付了事；教師多屬教學理論型的，接觸社會少，與企業聯系少，解決實際問題的能力比較弱，對所授的專業課程對應的行業前沿動態了解的不多，不能很好的將最新的應用性技能傳授給學生，指導技術型本科學生能力欠缺；電氣專業還有二表本科和三表本科的認知水平的差異等等。

上述問題導致自動控制原理課程所講授的理論、知識更新以及訓練出的學生實踐能力與實際需求脫節，尤其是面對校級大學生創新項目、全國電子大賽、職業技能大賽等基礎理論需要時，客觀上都急需專業或教師積極探索控制理論的有效教學模式。

二、多種教學方式的協同

1.傳統教學方式與多媒體教學方式的協同

教師利用板書進行傳統的教學，講解公式及定理的推導過程，細膩專注，習題計算和繪制曲線，步驟清晰，一目了然，重點突出，詳略得當，板書的形式可以讓學生掌握理論的來龍去脈，授課效果還是很好的。根據授課內容，如果適當減少板書，采用PPT、matlab仿真等多媒體教學，不僅可以提高課堂的時間效率，還可以激發學生的學習熱情，使抽象的理論變得直觀生動。

例如，使用matlab仿真幫助學生理解掌握控制原理和系統分析設計的方法?？刂葡到y方框圖化簡，計算和方框圖的一步步化簡過程比較麻煩；理論分析二階系統尤其是高階系統的動態響應，計算難且計算量大；研究一個或幾個參數變化對系統根軌跡及性能的影響，手工繪圖繁雜且不準確不靈活；利用伯德圖對系統進行頻域分析和設計，都需要花費較多的時間來計算和畫圖，且圖形都是近似不準確的。而matlab軟件輕松解決上述困擾，畫圖特別快捷直觀，系統分析如虎添翼，事半功倍。

再例如，判定系統穩定性是控制理論最重要的學習內容，在理論講授完成后，讓學生思考總結，寫個小報告，利用matlab至少有幾種方法可以幫助判定系統的穩定。據學生們反饋，課上課下寢室都在一起研究討論著，非常主動積極。報告內容分為閉環判斷穩定性和開環判斷穩定性兩大類。一類是已知系統閉環傳函或是特征多項式，利用指令root（）直接求特征根，再根據所求得的根是否都具有負實部，是則閉環系統穩定；利用step（）命令繪制系統的階躍響應曲線，若曲線收斂，閉環系統穩定，反之不穩定。另一類是已知系統的開環傳函，利用rlocus（）指令繪制系統的根軌跡曲線，可以判定閉環系統的穩定性及參數的穩定范圍；區別使用bode（）、nyquist（）、margin（）、allmargin（）指令，也可判定閉環系統的穩定性。

教師總結時，當學生聽到不同的方法，趕緊去研究，充分調動起學生學習的積極性，教學效果很好。

2.課堂教學與課外實踐協同

在課堂上，課程講解時老師是主體，當學生自由討論問題各抒己見時，老師穿針引線，分析總結，學生便是主體。教師若能在自控原理知識融會貫通的基礎上，多思考并設計一些啟發性的問題或任務留給學生，尤其是設計的任務涉及到電氣、機械等實際系統，既要數學建模，又要系統分析和綜合設計時，極大的激發了學生的求知欲，學生自由組合，形成活學活用的虛擬空間，為將來的實踐打下了比較堅實的基礎。

（1）開放實驗室。在校內，實驗室開放是培養學生創新精神和實踐能力的主要手段，各實驗室分層次面向學院的學生開放。實驗室開放的重點是指導和培養本學院的學生進行各種科技創新活動，完成學生自選科技項目。許多學生甚至將研制出的作品拿去應聘，提高了自身的競爭力，也滿足了單位對人才的需求[3]。

（2）校企協同。除了課堂講授、課程實驗、實訓、畢業設計外，師生與企業聯合，進一步實現理論與實踐的協同。本專業最近幾年逐漸加大校企合作，與佳木斯鹽業公司、市污水處理廠等幾家企業建立了多個課外實習基地，選擇參加的學生自動控制原理、PLC、單片機等課程成績都是很優秀的。在由教師、工程師、工人一起解決企業的科研實際難題的過程中，教師和學生協同，校企雙方在原理、技術、水平上都有不同程度的提高，使得高校的教學科研與生產實際相融合，更有利于企業與學校的橫向合作，實現雙贏。

三、資源協同

1.教師協同

自控原理課程學時多，選修的學生多，學生的學習要求層次多，一名專業課教師可能由于種種原因不能完全勝任對幾十甚至百余名學生的指導工作，但多個教師聯合起來的力量將會更大，兩位或是幾位教師分章節上同一門課，各有各的精彩和特長，教師還能有更多整塊的時間和精力去搞科研，再來反哺教學。這種多教師協同培養方式，打破了傳統的一對多的師生關系，拓展到了多對多，能拓寬學生的研究思路和技術領域。

2.多專業學生協同創新

我院組織電氣工程及自動化專業學生參加全國電子大賽、省級大賽很多年了，最近兩年又組織學生參加校級大學生創新項目、職業技能大賽，其它學院也開始參加這幾個比賽。過程中發現：控制專業的學生盡管自動控制原理、檢測、電機、PLC等已經學習過，但機械及數學建模等知識了解的不深入，有時題目要求的系統模型都很難建立起來，就談不到后續的控制及編程；而機械、數學等專業的學生，控制方法和編程又稍弱，比賽成績不盡人意甚至直接被淘汰。試想，大學在組織管理、績效評價、權益分配等協同機制上有所作為，將電氣工程、自動化、機電、通信、數學、電路、控制等多學科交叉協同，不同專業的優秀教師和學生協同組成一個科技小組，在平時的學習和科研中，技術技能專業知識相互彌補，相得益彰。在學習過程中，自然分出層次，然后推薦不同的學生參加適合的大學生競賽，學生在協同創新的訓練后勢必有新的突破。在2014年的黑龍江省大學生電子設計大賽中，所有參賽學生均獲獎，一等獎一名、二等獎一名、三等獎兩名，成績為歷年來最優。以各項比賽為契機，促進學生對自動控制原理課程及其它相關專業課的理解與掌握。

3.儀器設備協同

大學的實驗室存在儀器設備分散，設備利用率低，學生的實驗相對封閉，選修自控原理的學生多，但本專業的實驗設備不足，對其它實驗室的設備只能望洋興嘆，學生的實驗效果不好也無計可施。當各學院之間、實驗室之間、學科之間作為競爭者時，相互的合作就會更少[4]。但是，當相關專業有意愿協同創新時，教師的資源與實驗室的資源就能自由組合，更好的發揮整體的實力。

4.多專家協同

傳統課程例如經典的自動控制原理課幾十年來的講授，容易使學生形成固定的思維和模式，任課教師經常鼓勵學生們嘗試用其它學科的思維方法研究本課程的問題。為此，學院每學期都盡力請一些不同方向的專家走進課堂，在相互交流相互碰撞中，促進了學生思考，開拓了學生的視野，觸類旁通，學生們比以前更能活學活用控制原理的精髓，對不同的控制系統不再有為難情緒，在系統分析和設計過程中，幾種設計方法進行比較，思考利弊，非常有利于學生的協同創新，這種方式很受學生歡迎。

四、結語

本文基于協同創新模式下的自動控制原理課程的教學研究發現，通過教學方式和教學手段的改革，加強實踐教學和學科交叉，學生很大程度的由惰性學習轉變為協同創新性學習，在以學生、教師、企業等多種資源協同學習的彈性平臺上，有助于學生更深入的掌握經典的自動控制原理課程，有助于促進學生學用結合，有助于實現自動控制原理課程教學質量的提升。實踐協同創新模式，教師教學與科研能力都不同程度得到了提升，綜合提高了師生解決實際問題的實踐創新能力。

參考文獻：

[1]李祖超，梁春曉.協同創新運行機制探析——基于高校創新主體的視角[J].中國高教研究，2012，（7）：81-84.

[2]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，（1）：63-66.

[3]田思慶，蘇貴章，王越男，等.電氣工程應用型人才“3+1”培養模式的研究與實踐[J].中國電力教育，2011，（3）：170-171.

[4]葉仕滿.協同創新：高校提升創新能力的戰略選擇[J].中國高?？萍?，2012，（3）：16-18.

（責任編輯：劉麗娜）