自動控制原理課程教學改革探索

田輩輩 張喜云

（焦作大學機電工程學院，河南 焦作 454000）

自動控制理論的蓬勃發展開始于二十世紀三十年代，但真正進入大學課堂卻是在二十世紀五六十年代，它的誕生為高等學校帶來了全新的生命力。自動控制原理課程的專業知識覆蓋面廣，教學內容多，應用性非常強，對于學習者形成系統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最主要的專業基礎課之一，其內容涉及:手動體系的基礎組織與構造、手動體系的特性指數以及手動體系的種類和特性、手動體系的分析方式(時域法、根軌跡法、頻域法等)以及工程設計方法等。該課程的設立目的主要是為了訓練學生的專業素質以及設計、分析系統問題的能力，在自動控制類專業的課程體系中，占據非常關鍵的地位[2]。

自動控制原理課程對數學和自然科學的應用能力要求很高，通過該課程的學習，能夠為日后處理實際工程問題打下重要的理論基礎。在新型工科背景下，如果學校仍然采取以教師為主體的傳統教學方法，那么將很難培養學生處理復雜工程問題的能力。?？祁愒盒W生的動手能力相對較強，但基礎知識薄弱。根據這類院校學生的實際狀況，為培養學生學習的主動性，增強學生處理復雜實際問題的能力，在教學模式與教學手段等方面都必須作出改變。

1.課堂教學中存在的問題

⑴ 學生的綜合知識能力相對薄弱。該教程主要涉及到了高中數學、復變函數、大學物理、集成電路等的基本知識，并涉及大量公式推導，學生在學習過程中往往感到內容簡單乏味,無法很好地將知識融會貫通。

⑵ 學生學習目標不明確。學習者往往很難認識到自動控制學科在工程實際中的潛在意義，只重視教材中簡單公式化的習題，從而造成學生在實際學習過程中無法正確理解所學理論知識的實際應用。

⑶ 配套教材的缺乏。目前，該課程的教材大都基礎理論性較強，復變函數等基礎數學領域的專業知識以及集成電路等基礎知識較多，能夠完全符合新工科特點的內容相對較少，教材中涉及處理復雜工程問題的介紹尤為稀少，基本上都是根據傳統理論知識點設置。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、液位高度及其調速系統等知識點穿插其中，幫助學生深入了解課程內容，從而訓練學生獨立分析問題并解決矛盾的能力[3]，但是，由于教材中并無這些知識點，教師只能講解一些與之相關的較為簡單的知識點，因此，很難訓練學生獨立處理復雜工程問題的能力。

⑷ 教學方法簡單、成效不理想。教師在教學中廣泛運用了多媒體技術，形象展現了教學中的公式推理等內容，但教學中其他教學內容還是需要更為多樣化的教學手段進行生動呈現，這樣才能達到相應的教學效果，激發學生的學習興趣。另外，由于考試方法陳舊傳統，很難反映對學生創造力的訓練效果，和新工科理念也不太吻合。

⑸ 實踐環節的創新程度不足。課程實驗環節中沒有實際研究對象，只在試驗箱和模擬軟件上進行現場模擬試驗和演示性試驗。而且，由于試驗設施不夠，很難適應新的工科專業課程規劃要求。

2.教學改革

自動控制的原理課程的學習是自動化學習者從高中階段到大學階段認識事物的最關鍵的一次分水嶺，學習者第一次被引導從“系統”而非“部件”的角度去認識事物，所以，課程與教學方法的選用就變得尤為重要。按照新課程目標，應逐步構建以學生為中心，老師進行引導的新型教學方式。任課教師通過設置當下熱點控制問題，并指導學生自己發現問題，以充分調動學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，仔細總結教學內容，用心搜集資源、案例、圖片動畫，把優質的多媒體導入課堂之外，還要重視教學內容和課堂技能改革。自動控制原理課程具有理論性、實用性、系統性強，涉獵面寬,概念抽象等特征，學生在初學起來一般覺得很麻煩，是教師應注意引導，激發學生的學習興趣。

工科學生喜歡邏輯性和連貫性較強的練習，在實際課堂教學中，不少學生往往會因為有一個知識點掌握不好而長時段停滯，甚至趕不上教學進程。這時，老師就一定要重視并能及時發現這個現象，通過有效溝通，指導學生跟上步伐。工科的大部分學科都需要通過預習與復習鞏固，但現在的學生常常由于各種因素而做不到這點，這就對任課教師提出了更高的要求。老師們必須在教學中經常把前后知識點串聯起來,要善于在學生的困難中找到問題實質，善于幫助學生從問題和困難中走過來，從而贏得學生的信賴，營造良好、高效的學習氣氛。

隨著控制理論的發展和計算機的廣泛應用，新型的控制方式和測控手段也越來越多，針對職業教育的特點，教師應打破按照知識體系教授課程的傳統方式，突出職業能力培養，以學生將要從事的崗位所需的職業能力為目標，以崗位需求為導向，以崗位技能對應的職業資格標準為依據，充分進行校企合作，進行基于工作過程的課程開發與設計，既要保證職業崗位所需技能、相關知識、職業素質的需要，又要注重與后期專業課程內容的銜接；教師應以真實工作任務或產品為載體組織教學內容，在真實工作情景中采取項目導向、任務驅動、工學交替等教學模式。在教學過程中，教師應把古典控制理論和現代控制理論緊密結合在一起講解，并著重介紹現代控制理論的基礎和應用，提高講授內容的系統性。只有在課堂教學過程中不斷探索不同的教學模式，善于總結經驗，并在教學實踐中進行檢驗與提高，才能真正改善教學質量，培養出優秀的人才。另外，教師在課堂教學過程中應加強控制理念，減少過程推導，對控制系統的基本概念、原理、分析方法等進行重點講解，注重培養學生將課程與學科實際相結合的能力。

2.1 教學模式改革

運用超星學習通等網絡平臺，進行線上線下混合式教學。超星學習通平臺相比其他互聯網教學平臺有許多優勢：⑴ 搜索功能。海量的課程資源可以通過網頁搜索一鍵搜索獲得，其中包含了各種電子書、雜志、文章、報紙、專題、音頻等，學習者可以按照自身對課堂內容的需要搜索自己所需要的資源；⑵ 數據同步。學習通與電腦遠端網絡教育平臺學習數據同步，包含建課數據、課程數據分析、教學交互統計等；⑶ 社區功能。學習者采用賬號方式實名注冊，可以加入同校之間、跨校之間的網絡社區,參與各種課程興趣小組等。任課教師還可以自制濃縮教學精華的微課件，上傳到學習通教學空間，便于學習者在課后觀看，鞏固課堂知識點。另外，教師還可以在超星學通平臺制作引導研討的微課程，通過編寫研討提綱與要求，讓學生課后利用微課將研討場景搭建出來，自主練習，提供研討素材。實踐教學中，任課教師總是耗費大量時間給學生講述試驗目的、試驗機理、試驗過程等，實際給學生的實操時間非常少。但是，通過利用學習通網絡平臺，教師可以直接把試驗內容制成微課件或直接共享網絡空間中的視頻資料，讓學生在課下完成情境式預習[4]。

2.2 教學內容改革

自動控制原理課程是以介紹基本專業理論為目的，并進行了復雜的數理概念推導，學生很難抓住重點，不易理解。針對這些問題，可對教學內容進行適當改革。

自控基本原理課程的核心主線是數據分析與系統化工程設計，根據這一核心教學主線，將課程細分為六大塊:自控的基本概述、數學模型、控制系統解析、控制系統的工程設計、采樣系統分析以及非線性系統分析。對于數據分析部分的講解,教師可以引入多種數據分析手段；在講解工程系統方案設計的環節中，通過以上分析方法，讓學習者在整個學習過程中圍繞“系統分析和設計”這一主線展開，舉一反三，從而讓學生對控制理論有更深刻的認識。在講解每一章節時，以系統穩定性為主線，通過分析系統的穩定性，將主要知識點緊密連接在一起,并指導學生學會綜合運用所學知識。在學生理解體系物理定義的基礎上,通過導入優秀的教學手段，將Matlab軟件的使用帶入真人課堂，讓學生深入理解Matlab在各個系統中的應用。具體做法如下。

首先，從基本理論和范疇來看，淡化數學推導。例如，針對分析方式和校準方式，對以控制系統穩、速、準等為核心的性能指標加以剖析講解,省略數學推導，只需讓學生掌握該課程的邏輯性。其次，在講解系統數學模型時，涉及到系統結構圖的各種復雜變換，在講解過程中簡化為只講解結構圖的串聯、并聯和反饋,并且利用Matlab軟件求解傳遞函數。由于Matlab仿真軟件是一個功能很強大的軟件,因此，在教學過程中會利用更多的課時講解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，學生用好這個軟件對于以后的科研工作也會有很大的幫助。這一教學過程中可以減少學生對數學結構變化的機械性學習，從而減少了學生復習任務，以使其有更多的精力分析系統性能問題[5]。最后,在頻域分析方法中，涉及到對系統的幅相頻率特性曲線圖和對數特征關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的變化為自變量,按照系統的性能指標對圖形進行對比分析。

2.3 教學方法改革

自動控制原理對學生的定性分析能力、定性評價能力、綜合運用能力、數形結合能力等有特定的要求，并需具備堅實的數理教育基礎知識，學生在學習過程中往往會產生困惑或產生恐懼心理，從而影響教學效果。所以，需要改變傳統教學方法與授課方式，從而提高質量，這是課堂變革的關鍵問題。在以信息技術、知識大爆炸為特點的今天，傳統的課堂教學手段已無法滿足信息時代的要求，運用現代的教學技能和管理手段，改善課堂教學條件，已成為目前的一種趨勢。

2.3.1 多媒體技術的運用

在自動控制原理課程的多媒體教學實踐中，為了讓多媒體教學這一先進的教育技術手段更好地服務于課堂，在課堂中可將一些重點或難點問題制作成視頻展示給學生，開展課堂探討，以增強學生學習的積極性，同時，經過探究，也能夠讓學生對相關問題有進一步的認識。另外，可以開發自動控制原理多媒體教學課程、Matlab模擬軟件包等教材，科學合理地利用多媒體技術的生動、真實、容量大的優勢。事實證明，多媒體技術的運用獲得了不錯的教學效果，也得到了廣大學生的青睞，對教學質量的提升起了一定的積極影響。

2.3.2 現場講解

面對一個新的名詞或者問題，以往的教學手段通常有兩種:一是以書中給出的系統示意圖為例；二是以身邊的常用器件為例,以上兩種方法效果并不理想，學生很難形成清晰的概念。針對以上問題，現在我們采取每節課直接進實驗室的方法，面對實際系統進行講解。例如，我們利用實驗室THSA-1型過程控制綜合實驗臺進行實操和講解:(1)教師講解實驗臺裝置部件組成；(2)組織學生討論傳感器、電動調節閥、加熱管、PID調節器等工作原理；(3)教師根據系統任務要求整體講解系統構成和原理。

以上步驟能讓學生真實觀察到系統，形象了解系統部件組成，使得抽象的理論變得形象化。同時，可活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣。此外，教師在講解過程中，通過告知學生一些實物和基本概念，從而引出學科體系中的相關課程[6]，讓學生了解相關課程之間的關系和重要性，提高學生專業課學習的熱情。并且，通過對實驗設備的講解，學生能夠對設備更熟悉，也可以利用自己的課余時間進實驗室學習和鞏固這些知識，通過實測數據，加深對理論知識的理解。

2.3.3 理論課程實驗化

在理論教學中，如果將純理論教學內容實驗化，即用Matlab仿真軟件邊講授理論知識邊做實驗，這樣會達到更好的學習效果，可增強學生的主觀能動性，也能讓學生從枯燥的課堂教學回到實驗室中。例如，在講授一階系統的性能分析時，討論參數變化對系統性能的影響，可讓學生在實驗室中利用Matlab仿真軟件自己調參，通過不同的參數調整，對比仿真圖效果，自行分析系統參數對其性能指標的影響[7]。學生通過自己動手仿真做實驗，能夠更好地把控參數的調整區間，同時對該任務點的學習有更深刻的印象。

2.4 考核方式改革

在教學考評方面，采用平時成績、實驗實訓模擬練習和期末學科課程設計等有機結合的考評方法，著重考查學生的實操技術能力、工程實驗能力、技術創新能力等,使學生建立屬于自己的工程意識，同時把新時期對工科專業學生的基本能力要求充分體現出來，并合理評估學生處理復雜工程技術問題的能力。

3.結語

本文根據自動控制原理課程教學過程中遇到的問題展開分析，總結了當前新工科環境下的一系列創新教學模式。通過采用以上教育手段、教學內容、教學方法、考評方案等創新手段，任課教師可以更好地完成教學任務，充分調動學生的學習興趣和愛好，為今后專業課程的教學和學生綜合素養的培養奠定更加堅實的基石。同時，根據自動控制原理課程教學中出現的一些問題，采取變革課堂教學、變革作業形態、變革實驗形態等措施。在校內資金允許的情況下，可設置自動控制原理理論教學平臺、實踐教學平臺和社會實踐平臺，各平臺相互聯系，充分調動學生的學習興趣，并訓練學生的實際應用能力。