基于應用型本科院?！蹲詣涌刂圃怼氛n程教學改革

李青青++楊揚++王小鵬

【摘要】在電氣工程及其自動化專業中，《自動控制原理》是一門比較重要的主干課程，本文圍繞社會對應用型人才知識、能力和素質的要求，并結合自動控制原理課程的特點，打破了傳統的教師-黑板-學生的這種教學模式，遵循理論聯系實踐的原則，通過采用有效的教學方法，對于理論教學和實驗教學環節結合Matlab軟件來解決實際的理論問題，提高學生的學習興趣和注意力，使學生對所學知識有進一步的理解和掌握，從而實現既加強教學深度，提高教學質量的目的，又能培養學生的專業素養和實踐能力。

【關鍵詞】自動控制原理 多媒體教學 教學改革 Matlab軟件

【中圖分類號】TP13-4；G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0026-02

在電氣工程及其自動化專業的諸多專業課程中，自動控制原理是一門基礎專業課程，對于測控技術、自動化專業、電子技術等一些相關專業而言，該課程也是一門重要的基礎課程。目前，對于現代工業自動化應用的發展，自動控制理論也起著至關重要的作用。

因此，對于應用型本科院校，我們要想培養出具有較強的專業知識、專業技能和實踐應用能力的高級本科人才，對于自動控制原理這門課程，我們迫切需要對這門課程的教學方法，教學模式以及實驗實踐環節進行必要的改革措施，使得學生所學的理論知識與實驗實踐相結合，這樣一方面可以加深學生對所學的知識點更好的理解和掌握，另外也可以掌握一定的專業技能，培養一定的動手能力，從而為社會培養出具有較高素質和較強專業能力的應用型高級本科人才。

一、自動控制原理課程教學體系現狀

《自動控制原理》是電氣類專業的主干專業基礎課程，而且與后續的其他專業課程有著至關重要的聯系。相對于其他課程而言，該課程教學內容相對比較穩定，介紹的主要內容具體包括控制理論的一些基本概念和基本原理；反饋系統、離散系統和非線性系統的理論和相對應的一些分析方法；以及這些控制系統所涉及的綜合設計等。該課程的主要特點是具有一般方法論。 除此之外，“自動控制原理”課程理論性強，涉及內容廣泛，與機械、數學、生物等很多學科都有交叉，而且內容相對比較抽象，是一門具有一定深度和難度的課程。在教學效果上，學生只是機械地記住了若干公式定理，面對具體問題的時候，不知如何運用相應的知識去解決實際問題[1]。

對 “自動控制原理”課程教學體系和實驗實踐環節，我們進行了一些調研，在現有的教學體系中我們發現存在以下幾個主要問題：

1.存在的傳統教學模式

目前，在自動控制原理這門課程中，我校所采用的教學模式仍然是理論教學和實驗教學的單一教學模式，這種教學模式導致我們課程中的理論教學部分和實驗教學部分完全分開，致使學生理解理論知識困難，而且在實驗過程中，又不能很好的把理論知識應用進去，從而使理論學習和專業技能的提高加大了難度，不能把實驗的作用充分的發揮。

2.實驗教學方式簡單

實踐教學環節基本上都是在實驗室中的控制理論的實驗箱，學生做實驗時以進行單臺實驗為主，而且試驗中所使用的一些常用外圍器件基本上都是以模塊化的形式集成在實驗箱上，實驗箱上資源有限，所以學生在實驗中可擴展的條件很差，學生的實踐創新能力根本沒有機會施展[2]。

二、該課程對教學方法和手段的改革

1.結合多媒體采用啟發式教學方法

在自動控制原理課程的理論授課過程中，結合一些相關知識的專業實例，有效的采用啟發式教學方法，對教學重點和教學難點問題著重突出，引起學生足夠的重視，從而加深理解。比如，在自動控制理論的緒論部分，內容枯燥，學生不易集中精力，對于這一部分，可以通過選用一些專業相關的典型示例，把所涉及到的開環控制、閉環控制以及反饋等基本理論概念引出，從而使學生能夠意識到該課程在實際生活中的重要性，引起他們對這門課的重視，另外也可以使學生理解自動控制理論在專業發展中的作用。除此之外，在課堂上，還可采用問答和課堂討論的方式，讓學生積極投入到課堂中，成為課堂的參與者或是主人，另外，在教學內容轉換時可以提出問題或是質疑，并留出適當的時間，讓學生通過思考和討論自己解決問題，然后在對新知識進行講解，提高學生學習的主動性，并且能夠加強學生對該部分知識的理解，較深記憶，使得整體的教學質量提高。

2.控制原理課程教學中采用思維導圖法

根據自動控制原理課程的內容和特點，把思維導圖與自動控制原理的教學加以有機的結合，能明顯提高授課效率和學習質量[3]。為實現常規語義網絡的圖表化表達，英國心理學家、教育家Tony Buzan在20世紀70年代初提出了思維導圖（Mind Mapping）概念[4]。思維導圖通過顏色、圖像、關鍵詞、曲線等要素構成信息點框架，能有效激發大腦的創造力與記憶力潛能[4]。

（1）思維導圖法的作用

目前，在國外思維導圖法得到了十分廣泛的應用，該方法在教學過程中使用，能起到很大的作用，其功能如下：一方面通過思維導圖法，可以使課程的知識體系做成框架，更加形象具體，在整個教學六中的設計中，也顯得更加系統，教學方法相比較而言顯得科學有效，便于學生整體掌握。另一方面使用思維導圖法，在課堂中可以提供師生互動的圖形化界面，從而提高學生的注意力和積極主動性，便于師生溝通，使得學生容易加入課堂，提高課堂效率。最后利用思維導圖法，教師可以根據學生的思維導圖作品，對每個學生所掌握的知識結構有所了解，掌握每個學生對該課程的理解和認識程度，從而可以根據每個學生的情況不同，來實現因材施教。

（2）思維導圖法的教學設計

在自動控制原理課程的教學設計環節中采用思維導圖法，對各個章節所講授的主要內容，設計思路以及提問的相關內容等利用思維導圖，分別標注出，然后再在所標出的每一個子標題下面，列舉出相關的一些關鍵字及教學素材，最后根據各個小知識點之間的邏輯關系，組織構建出整體的知識系統，使得知識層次清楚，有條理，同時也提高了教師的備課效果。如圖1所示，自動控制原理緒論部分知識點的思維導圖教學設計。

圖1 第一章緒論導圖

利用思維導圖法的教學方式，可以加強學生對知識點的進一步理解和整體把握，而且對于學生的一些獨特的見解，也可以增加到知識框架中，使得師生共同學習，拉近了師生的關系，也能提高學生學習的動力和積極性。所以在教學過程中采用思維導圖法，可以使課堂知識傳授的效率的到明顯的提高和改善；另外這種教學方式使得課堂互動變得容易，對于課堂上師生的交流和溝通顯得自然，從提高課堂的氣氛和課堂效率，進一步加深學生對知識點的理解和掌握。

3.采用Matlab軟件和多媒體教學相結合

由于自動控制原理課程中很多知識點涉及到大量的公式和繪圖，而且對于準確度的要求也比較高，因此很多教師都是采用多媒體教學，采用多媒體教學方式存在這樣的不足，會到時學生只能聽，而沒有時間做筆記，從而使課堂上師生交流成為困難，學生不能及時的回應老師。在這里我們選擇一方面采用傳統的板書的教學方式，可以給學生留有足夠的時間理解掌握，同時對于一些出現很多圖表和公式，有很多曲線的知識點，對這樣的教學內容，采用現代的多媒體教學方法進行講解，比如傳遞函數、根軌跡法、頻率特性等知識點。

（1）結合Matlab軟件的課堂教學

在自動控制原理課程教學過程中，我們可以充分利用 Matlab軟件來輔助教學，把自動控制原理課程中的部分教學內容，比如一些曲線圖、控制系統等，可以利用Matlab軟件工具，非常迅速而準確的獲得比較理想而且直觀的曲線圖，并且大大的提高了課堂教學效果。比如對于時域分析知識部分，通過利用Matlab軟件分析系統閉環極點的分布情況，進而判斷系統的穩定性；通過Matlab軟件仿真系統中典型的信號響應，使系統的動態特征顯得清晰易懂。

如圖2，利用simulink仿真線性系統的時域分析：

圖2 simulink仿真線性系統的時域分析

其仿真結果：

通過仿真結果分析：比較兩條仿真曲線，可以看出閉環零點對系統動態性能的影響為：減小峰值時間，使系統響應速度加快，超調量增大。這表明閉環零點會減小系統阻尼。

（2）結合Matlab軟件的實驗教學

自動控制原理課程的實驗教學不應該是單純的驗證理論知識，而應該讓學生成為實驗中的主體地位。實驗過程不僅是學生從實踐中掌握理論知識的過程，而且還要成為學生從理論到實踐的一個汲取知識和體驗創新的過程。實驗教學不再是單純的教師傳授知識、學生獲得知識的傳遞過程，實驗教學則應該重點看學生實際動手的過程，在實驗中能否發現問題，以及如何解決實際問題的能力。

對于自動控制原理課程中的實驗教學，利用Matlab 軟件仿真完成相應的實驗教學是該課程改革過程中一個比較重要的環節。一方面，該教學模式有利于學生對所學理論的理解與深化，能夠及時發現問題，解決問題； 另一方面，該教學模式有利于鍛煉學生的實際動手能力，有利于培養學生的創新思維和邏輯分析能力[5]。

如線性系統的根軌跡實驗

在自動控制原理課程中，開環系統的增益K取得的就是根軌跡這個參數。在本科教材中介紹的描繪根軌跡的方法都是采用手工繪制方法，但是手工繪制并不準確，只能繪制根軌跡草圖。如果利用Matlab軟件中仿真工具，就可以非常方便的把根軌跡的圖繪制出來，而且還可以改變參數，通過觀察參數變化對特征根位置的影響。比如已知系統的開環傳遞函數■，利用Matlab繪制該系統的根軌跡。其根軌跡如圖3（a）所示。

若要繪制K在（1，10）的根軌跡圖，則此時利用Matlab的調用格式，對應的根軌跡如圖3（b）所示。

a）完整根軌跡圖形 （b）特定增益范圍內的根軌跡圖形

圖3 系統的根軌跡圖形

4.采取答疑質疑相結合的輔導方式

在課程教學中，答疑和質疑是教師輔導學生的兩種比較重要的形式。對于一般的本科學生，在自動控制原理課程的學習過程中，對該課程知識的掌握能力相對比較差，甚至是根本跟不上教師的進度，而且不懂也不主動問。針對這樣的情況，我們可以采用答疑與質疑相結合的方式對學生進行輔導，教師主動對知識點提出質疑，給學生一定的壓力，這樣對學生的主動學習起到了督促作用。對于絕大多數學生所存在的共性問題，我們可以采取集體輔導的形式，進行統一解答，或是展開專門討論，充分發揮學生學習的自主性，老師引導學生找到答案，解決問題。

三、結束語

本文只是作為自動控制原理這門課程在其教學改革道路上的一種嘗試和探索，我們通過改進教學方法、拓展教學思路，并把Matlab軟件工具科學合理的利用在理論教學和實驗教學中，使得教學質量明顯提高。使得學生在學習理論知識的同時，加強了對相應的專業技能和應用動手能力，也使得學生學習的自主能力增強，加強了創新意識。促進了該學科往應用型人才培養方向的發展。但是該課程的教改創新過程，還需要下更多的功夫深入研究。

參考文獻：

[1]李振龍，喬俊飛，孫亮等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009.3（2）：66-68.

[2]張璃成，王福斌.自動控制原理課程立體化教學體系研究與實踐[M].試驗技術與管理，2013.9（9）：181-182.

[3]劉良兵，彭曉芳等.思維導圖法在自動控制原理課程中的應用研究[G].中國科技創新導刊，2012（16）：59

[4]鄧明珍，汪德蓮.圖文關系視角下對思維導圖的再定義—— 以The Freedom Givers的思維導圖為例[J].佳木斯教育學院學報， 2011（4）：23～ 25.

[5]劉中，袁少強，張軍香. 自動控制原理實驗課的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）： 403-406.