付主木 高愛云

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

自動控制理論課程教學(xué)改革探索

付主木 高愛云

河南科技大學(xué) 河南洛陽 471003

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實際的能力，我們主要從課程體系、課程內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等幾個方面對自動控制理論課程進(jìn)行了教學(xué)改革，以期提高教學(xué)效果。

自動控制理論；教學(xué)改革；教學(xué)內(nèi)容

自動控制理論課程是自動化及相關(guān)專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響到許多后續(xù)專業(yè)課的教學(xué)效果，且許多高等學(xué)校和科研院所都將其列為研究生入學(xué)考試的專業(yè)課。其特點是知識覆蓋面廣、內(nèi)容多、更新發(fā)展快、理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，是一門具有一定深度和復(fù)雜性的課程。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會信息化進(jìn)程的加速，自動控制領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的理論和方法，這對高校人才培養(yǎng)提出了更高的要求。鑒于此，我們在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)、注重個性發(fā)展和提高學(xué)生創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行了一些探索。這些對培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力和創(chuàng)新能力，樹立理論聯(lián)系實際的科學(xué)觀點，以及提高綜合分析問題的能力等方面，都起到了重要的作用。

一、課程教學(xué)體系的改革

傳統(tǒng)課程體系是根據(jù)“自動控制理論”本科教學(xué)的基本內(nèi)容和教材分章順序制定的，通常為：(1)緒論；(2)數(shù)學(xué)模型；(3)時域方法；(4)根軌跡方法；(5)頻域方法；(6)系統(tǒng)校正；(7)狀態(tài)空間方法；(8)離散系統(tǒng)；(9)非線性系統(tǒng)。其優(yōu)點是在很大程度上遵循了自動控制理論發(fā)展的歷史軌跡，其缺點是：(1)線索太多，沒有一條貫穿前后的總線索，導(dǎo)致內(nèi)容重疊，占用學(xué)時過多；(2)各種方法獨立介紹，不利于橫向相互比較。

本文根據(jù)自動控制理論自身的內(nèi)在體系,以系統(tǒng)建模——系統(tǒng)分析——系統(tǒng)綜合為總線索,在每一章中再以方法線索為子線索組織教學(xué)內(nèi)容,實行模塊化教學(xué)。

二、課程教學(xué)內(nèi)容的改革

1.指導(dǎo)思想

面向21世紀(jì)，更新教學(xué)觀念，以自動控制理論和控制系統(tǒng)為主線，依托學(xué)科發(fā)展，結(jié)合與自動控制相關(guān)的學(xué)科進(jìn)行課程教學(xué)內(nèi)容改革，優(yōu)化高等工科人才教學(xué)培養(yǎng)過程，貫徹“學(xué)生為本，技能為主，創(chuàng)新為魂”的教學(xué)理念，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、適應(yīng)力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神和實踐能力”的綜合性技術(shù)人才。

堅持“加強(qiáng)基礎(chǔ)、削枝強(qiáng)干”，體現(xiàn)本科教學(xué)的基礎(chǔ)性、前沿性和時代性的特點，處理好基礎(chǔ)性和先進(jìn)性、經(jīng)典與現(xiàn)代的關(guān)系，保證傳授知識的先進(jìn)性、實用性，使學(xué)生學(xué)有收獲，學(xué)有所用。本課程內(nèi)容按“三域”(時域、復(fù)域、頻域)中的數(shù)學(xué)模型和“三性”(穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性)為基本框架進(jìn)行組織，注重加強(qiáng)基礎(chǔ)和抽象思維的培養(yǎng)。

2.加強(qiáng)實驗教學(xué)

以往的實驗教學(xué)內(nèi)容大多是驗證性實驗，內(nèi)容陳舊，實驗方法落后，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。以實驗報告來給成績的單一實驗考核方式,造成的不良后果是：學(xué)生只重視實驗報告的撰寫,不重視對實驗原理的理解和操作能力的培養(yǎng)。對此,我們建立分層次的實驗體系，即按實驗內(nèi)容將實驗分為基礎(chǔ)性實驗、指導(dǎo)性實驗和設(shè)計性實驗三個層次，學(xué)時按4∶3∶3 分配，以全面提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力、知識綜合能力、創(chuàng)新設(shè)計能力。

3.把科研成果及時引入教學(xué)

通過參與科研項目，一方面有利于提升教師的學(xué)術(shù)和教學(xué)氛圍，為培養(yǎng)面向施工一線的工程技術(shù)人才提供了堅實的師資隊伍；另一方面，教師將最新的研究成果引入到教學(xué)中，并通過課堂教學(xué)、講座、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)生參加科研項目、建立和發(fā)展實踐基地等手段提高本課程的教學(xué)效果。

4.增設(shè)課程設(shè)計

在學(xué)完自動控制理論后，為加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，鍛煉如何運用基本的理論知識進(jìn)行實際問題分析，增設(shè)課程設(shè)計。同時，在已學(xué)知識點的基礎(chǔ)上，我們均有課程教學(xué)中因?qū)W時限制而沒有講解的知識點，要求同學(xué)們在課程設(shè)計中必須運用以上知識點，從而補(bǔ)充了課堂上沒有學(xué)習(xí)的知識。課程設(shè)計的題目基本來源于工程實際或科研課題，其實用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、知識跨度大,能夠達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和分析問題的能力、提高學(xué)生工程應(yīng)用能力的目的。同時也使他們在學(xué)校就能實現(xiàn)工程實踐零接觸，大大提高了他們畢業(yè)后適應(yīng)工作的能力。

5.引入Matlab軟件

在自動控制理論教學(xué)過程中引進(jìn)Matlab軟件輔助教學(xué)，以培養(yǎng)系統(tǒng)思維方式為重點。在內(nèi)容上按通過建模組成控制系統(tǒng)、對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析(時域法、根軌跡法、頻率特性法等)和控制系統(tǒng)設(shè)計三部分來劃分，再通過課程設(shè)計把三者有機(jī)聯(lián)系起來。建模部分用Matlab軟件進(jìn)行拉普拉斯變換、微分方程求解和各類模型的輸入、形式變換等。分析部分可充分體現(xiàn)Matlab軟件的強(qiáng)大輔助教學(xué)作用，用它可非常方便地觀察各種相應(yīng)曲線、根軌跡、頻率特性和參數(shù)變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)特性的影響。設(shè)計部分放在課程設(shè)計中，要求學(xué)生結(jié)合已掌握的知識，經(jīng)適當(dāng)簡化進(jìn)行建模、分析、校正等，其中分析校正既用手算又用Matlab軟件進(jìn)行，這樣就使學(xué)生較完整地初步進(jìn)行了自動控制原理理論與實際的結(jié)合。

三、課程教學(xué)方法的改革

1.案例教學(xué)

對于自動控制理論課程的教學(xué)，教師往往采用嚴(yán)格地按知識點的排列進(jìn)行教學(xué)，雖然邏輯嚴(yán)密，但學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難見全貌，感覺枯燥無味。而且學(xué)習(xí)這些知識的目標(biāo)也不明確，所以很難引發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動他們的積極性，學(xué)習(xí)效果也不十分理想。

案例教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)法相反，采用先任務(wù)或應(yīng)用、后方法、再原理的模式。學(xué)生有疑問的地方可以舉幾個例子，變抽象為具體，變復(fù)雜為簡潔。該方法以實際情境和問題為思考的出發(fā)點，讓學(xué)生從具體問題著手做理論思考和分析，設(shè)想解決問題的途徑,探討方法的科學(xué)性、合理性，最終理解有關(guān)理論。由于案例在一開始就具有一定程度的強(qiáng)制性和目的性，因此，這種以案例為基礎(chǔ)展開學(xué)習(xí)和教學(xué)過程的方法，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與興趣，加深他們對基本原理、概念的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)他們分析問題和解決問題的能力，使他們學(xué)會以抽象的形式描述規(guī)劃問題，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

生產(chǎn)一線的情況是千變?nèi)f化的,案例教學(xué)為學(xué)生提供了一種模仿、借鑒和引申的范例。這種教學(xué)模式的最大特點是使教學(xué)更加貼近生產(chǎn)實際,針對性較強(qiáng)。

2.啟發(fā)式教學(xué)

以啟發(fā)式教學(xué)為主，注重問題的引入，學(xué)會對問題進(jìn)行分析，抓住問題的本質(zhì)，將復(fù)雜化為簡單，樹立學(xué)生學(xué)好本專業(yè)的信心。課堂教學(xué)堅持“少教”和“多學(xué)”的原則，精講與自學(xué)相結(jié)合，把學(xué)生從被動變?yōu)橹鲃樱浞终{(diào)動他們學(xué)會、會學(xué)，在探索中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中探索。教師提出幾個綜合性的問題，然后逐個加以分析，按設(shè)定條件逐步提出解決辦法，使學(xué)生從中領(lǐng)會思路，學(xué)會解決問題的辦法。此種方式針對性強(qiáng)，特別適用于概念比較多的內(nèi)容。

3.任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)是指讓學(xué)生在教師預(yù)先給定“任務(wù)”的驅(qū)動下進(jìn)行學(xué)習(xí)，目的是引導(dǎo)學(xué)生由簡到繁、由易到難、循序漸進(jìn)地完成一系列“任務(wù)”，從而使其獲得清晰的思路、方法和知識脈絡(luò)，在完成“任務(wù)”的過程中，培養(yǎng)其分析問題、解決問題以及程序設(shè)計的能力。

在實際教學(xué)過程中，教師根據(jù)學(xué)生已有的知識和需要學(xué)習(xí)的新知識，需精心設(shè)計“任務(wù)”，在此“任務(wù)”框架的驅(qū)動下，展開新知識的教學(xué)和學(xué)習(xí)。還可以在課程的最后階段開設(shè)課程設(shè)計，這樣可以綜合各個章節(jié)的知識，讓學(xué)生在開發(fā)中培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力和團(tuán)隊合作精神，提高解決實際問題的能力，這種教學(xué)方法有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

四、課程教學(xué)手段的改革

1.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

著名教育家顧泠沅說：在課堂教學(xué)范圍里對教師最有意義的是學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)的激發(fā)，也就是要使學(xué)習(xí)的內(nèi)容讓學(xué)生感興趣，對有了興趣的事學(xué)生就會認(rèn)真地把它學(xué)好。學(xué)習(xí)動機(jī)是直接推動學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動的心理動因。因此，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣就成為啟發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的前提。

提問是引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)的一種主要形式。在教學(xué)中，教師提出問題以后，不要急于讓學(xué)生回答。而是給學(xué)生留出獨立思考和周圍同學(xué)交流想法的時間，待學(xué)生對問題有深刻的理解后再讓他們回答。這種提問，有利于促進(jìn)教學(xué)活動中兩主體之間的互動，使學(xué)生的注意力始終處于活躍的積極狀態(tài)。

在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的情況，縮短教師講解時間，采取“自學(xué)指導(dǎo)式”“課堂討論式”和“發(fā)現(xiàn)問題式”等多種形式相結(jié)合，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生改變傳統(tǒng)的思維方式，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其發(fā)散思維能力。

2.引入多媒體技術(shù)

以往的自動控制理論課堂教學(xué)過程中，教師需在黑板上做大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，畫大量的曲線，既占用時間，又使得課堂教學(xué)枯燥、索然無味，很難使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生興趣。教學(xué)中合理應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，既可省下課堂寫板書的時間，增加課堂的信息量，又可使枯燥、抽象的理論教學(xué)變得生動且豐富多彩，獲得最佳教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，充分恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用多媒體技術(shù)，將其與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，使學(xué)生在課堂中積極參與，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)實踐表明，現(xiàn)代化教學(xué)手段的引入，常常會產(chǎn)生事半功倍的效果。

嘗試將Matlab仿真軟件作為輔助教學(xué)工具引入自動控制原理的課堂教學(xué)中,借助于Simulink可視化的編程和仿真演示，即節(jié)省了手工繪圖的時間,又將抽象的理論和概念變得更為通俗易懂,彌補(bǔ)了實驗手段的不足。同時通過對系統(tǒng)具體運動過程的觀察和對輸出圖形的分析,加深了學(xué)生對基礎(chǔ)理論的認(rèn)識和理解。

3.開展雙語教學(xué)

雙語教學(xué)目標(biāo)是雙重性的，其一是獲取學(xué)科知識，其二是培養(yǎng)和提高學(xué)生運用外語的能力。雙語教學(xué)的開展有利于學(xué)生盡快地掌握本課程的英語專業(yè)術(shù)語。在全國高校提倡雙語教學(xué)已有10年多了，但由于種種原因，至今尚未普及。我們通過大量的嘗試，從中得到一些經(jīng)驗：(1)根據(jù)學(xué)生的接受程度和對專業(yè)英語的掌握程度，我們必須因地制宜?，F(xiàn)在還不能實現(xiàn)該門課程在所有任課班級上實行雙語教學(xué)，只能將英語較好的學(xué)生單獨組班開設(shè)雙語課。(2)合理選擇雙語教學(xué)的內(nèi)容非常重要。使用雙語教學(xué)必須適時把握教學(xué)效果,靈活掌握雙語的比例,以不影響該課程的講授為原則?？蛇x擇那些圖例較多、公式較多、而敘述又較少的內(nèi)容進(jìn)行雙語教學(xué)，這樣使學(xué)生適應(yīng)雙語教學(xué)的難度要小些。(3)探索合適的雙語教學(xué)模式。應(yīng)采取什么教學(xué)模式不能一概而論。應(yīng)根據(jù)不同高校的具體情況而定，如若在重點高校，學(xué)生英語程度較高，可采取浸潤式模式，效果可比較好；普通高校，可采取根據(jù)外語程度分班，外語水平較高的班級，也可采取浸潤式模式，其余班級可采取保持型雙語教學(xué)模式或過渡型雙語教學(xué)模式。當(dāng)然，根據(jù)課程不同，授課教師可根據(jù)具體情況來采取合理的模式。在雙語教學(xué)時，要經(jīng)過認(rèn)真調(diào)查和論證，并根據(jù)各高校的人才培養(yǎng)模式和課程設(shè)置，構(gòu)建自己的雙語教學(xué)模式。

4.建立網(wǎng)絡(luò)平臺

在教學(xué)過程中，我們深深體會到僅靠課堂幾十分鐘的授課時間是絕對不夠的。學(xué)生還需要課后的輔導(dǎo)才能加深對課題內(nèi)容的理解。為此，我們建立了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，放置各種教學(xué)資源，包括電子教案、多媒體課件、授課錄像、教學(xué)大綱等授課內(nèi)容，還有課后自測題、師生討論區(qū)、答疑區(qū)、通知等互動內(nèi)容。該平臺為學(xué)生自學(xué)創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)條件，提高了學(xué)生對本課程的興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，充分反映“開放式”教育的特點和優(yōu)勢，促進(jìn)師生間的互動交流，及時解決教學(xué)中的一些問題。

五、結(jié)束語

課程改革的關(guān)鍵是課程內(nèi)容與課程體系的改革，同時教學(xué)手段的現(xiàn)代化也是課程改革的重要方面。本文所介紹的方法在實踐教學(xué)中取得了一些成效，在今后的教學(xué)中還需要我們進(jìn)行不斷地完善，以提高大學(xué)生創(chuàng)新能力，取得較為滿意的教學(xué)效果。

[1]胡壽松.自動控制原理(第四版)[M].北京：科學(xué)出版社，2001

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Exploration of the geaching reform on automatic control theory

Fu Zhumu , Gao Aiyun
Henan university of science and technology, Luoyang, 471003, China

This paper puts forward a series of practically efective teaching reform on the automatic control theory from the aspects such as course system, course content, teaching methods, teaching means and so on. The purpose is to cultivate students’ innovative ability and contact theory and fact ability. At the same time, the teaching result is improved.

automatic control theory;teaching reform; teaching content

book=84,ebook=325

2009-10-28

付主木，博士，副教授。