范興剛，徐新黎，王萬良

(浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023)

“自動控制原理”是自動化、電氣工程及其自動化、計(jì)算機(jī)自動化一體化雙專業(yè)等專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。主要研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、基于數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)工程分析方法和綜合設(shè)計(jì)方法三方面的內(nèi)容。它是一門理論性很強(qiáng)的課程，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算以及繪圖理論較為復(fù)雜。

我們針對“自動控制原理”的特點(diǎn)，開展了很多卓有成效的教改工作。2005年我?！白詣涌刂圃怼闭n程被評為國家精品資源共享課程。文獻(xiàn)［1］作為“十一五”國家級規(guī)劃教材，被評為國家級精品教材。

多年來，很多教師從教學(xué)方法，教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行了“自動控制原理”的教學(xué)研究［2-5］。我們在這些研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)精品資源共享課程的要求，重點(diǎn)從教學(xué)錄像拍攝，資源的完整性和規(guī)范化兩方面進(jìn)行了建設(shè)。

1 課堂教學(xué)錄像拍攝

在國家級精品資源共享課建設(shè)過程中，課堂教學(xué)錄像是重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。教師要對各個(gè)環(huán)節(jié)認(rèn)真設(shè)計(jì)，精心表演。我們從教學(xué)課件的豐富和細(xì)化，教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和動畫視頻注釋編導(dǎo)，習(xí)題課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻拍攝等幾方面進(jìn)行課程建設(shè)。

1.1 教學(xué)課件的豐富和細(xì)化

“自動控制原理”課程理論性強(qiáng)，有大量的公式推導(dǎo)，原有教學(xué)課件采用的演示文稿達(dá)不到好的教學(xué)效果。我們采用動畫視頻的手段增加教學(xué)課件的生動性，細(xì)化公式的每一步推導(dǎo)過程，按照推導(dǎo)步驟在課件中設(shè)定動畫的順序和效果，每一步進(jìn)程先做一個(gè)停頓，讓學(xué)生自己想如何推出下一步。緊接著給出提示和結(jié)果。這樣既復(fù)習(xí)了前面的知識，又學(xué)習(xí)了新的內(nèi)容。

例如，在講解如何求取系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)時(shí)，需要采用冪級數(shù)展開法進(jìn)行Z反變換。我們先給出冪級數(shù)展開法的提示，這里停頓30秒，讓學(xué)生重新回憶起復(fù)變函數(shù)的內(nèi)容。接著在下一張演示視頻上，給出冪級數(shù)展開法的具體過程，給出此例題的Z反變換解題過程和答案。

動畫演示Matlab環(huán)境下，自動控制系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)能夠使學(xué)生加深課堂重點(diǎn)內(nèi)容的理解。對于關(guān)鍵的知識點(diǎn)，在動畫視頻上標(biāo)出教材頁碼，對于涉及到的經(jīng)典案例和熱點(diǎn)前沿也標(biāo)注出處。學(xué)生明確自學(xué)的考核要求后可以自己課下自學(xué)。我們籍此實(shí)現(xiàn)了以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)為主的教學(xué)方法向課內(nèi)外結(jié)合為主的教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變。

1.2 教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和編導(dǎo)

教學(xué)設(shè)計(jì)必須做到目標(biāo)明確，重點(diǎn)突出，難點(diǎn)合理。在每一章的開始，我們設(shè)計(jì)了導(dǎo)入環(huán)節(jié)，說明為什么要介紹本章，本章的主要內(nèi)容是什么?難點(diǎn)是什么?例如，講勞斯判據(jù)時(shí)，我們明確告訴學(xué)生:勞斯判據(jù)的構(gòu)造方法是要掌握的主要內(nèi)容，其難點(diǎn)是如何根據(jù)勞斯表判斷特征根的分布情況。

我們在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)課堂的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)，圍繞教學(xué)重點(diǎn)精心設(shè)計(jì)一些具有啟發(fā)性和指導(dǎo)性的問題穿插到教學(xué)中。以此啟發(fā)學(xué)生的思維，搜尋自己原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)解決問題的途徑，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力的提高，設(shè)計(jì)一些具有探究價(jià)值的問題。例如，提出“什么是朱利判據(jù)?”和“朱利判據(jù)與勞斯判據(jù)的異同點(diǎn)在哪里?”這兩個(gè)問題，后一個(gè)問題要比前一個(gè)問題好得多。提出問題后，讓學(xué)生有幾分鐘的獨(dú)立思考時(shí)間。他們往往在自己先思考之后，再聽教師的解讀能夠有更深刻的理解和體會。

教師在整個(gè)教學(xué)拍攝過程中應(yīng)多用肢體語言吸引學(xué)生的注意力，用生動的形象和豐富的語言調(diào)節(jié)課堂氣氛和學(xué)生情緒。在講解慣性環(huán)節(jié)的納氏曲線圖時(shí)，筆者用手畫了一個(gè)圓圈，從右往下往左半圓是從0到無窮大的大致軌跡。有的學(xué)生就用手模仿這個(gè)過程，還和筆者進(jìn)行了眼神的交流。

1.3 習(xí)題課與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)

由于“自動控制原理”定理和公式多，習(xí)題課不僅可以鞏固和強(qiáng)化理論知識系統(tǒng)，更重要的是可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)的研發(fā)激情和創(chuàng)新能力。我們對習(xí)題課進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，先將習(xí)題課內(nèi)容提前公布出來，并不要求學(xué)生做，然后下一次課講授習(xí)題的完整解題過程，課后還會在網(wǎng)上予以公示，這樣可以確保每位學(xué)生跟進(jìn)。講完之后再讓學(xué)生表示不同的想法，并進(jìn)行總結(jié)。習(xí)題講完以后，直接讓學(xué)生進(jìn)行課內(nèi)練習(xí)，進(jìn)行延伸，讓學(xué)生及時(shí)消化吸收。例如離散系統(tǒng)的靜態(tài)誤差系數(shù)是一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)，以課后習(xí)題來重點(diǎn)復(fù)習(xí)這個(gè)知識點(diǎn)，先復(fù)習(xí)典型輸入信號下的靜態(tài)誤差系數(shù)，接著給出解題思路:先推導(dǎo)出開環(huán)Z傳遞函數(shù)G(z)，再根據(jù)極點(diǎn)數(shù)確定系統(tǒng)是0型、1型或2型系統(tǒng)，選擇合適的靜態(tài)誤差系數(shù)計(jì)算公式得到誤差系數(shù)，得到穩(wěn)態(tài)誤差。復(fù)習(xí)完知識點(diǎn)以后，再一步一步給出習(xí)題的推導(dǎo)過程，讓學(xué)生進(jìn)一步理解靜態(tài)誤差系數(shù)的概念。

我們從課堂實(shí)驗(yàn)與自主實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)［2］。課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們采用經(jīng)典的“自動控制原理實(shí)驗(yàn)箱”，通過視頻講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)過程，然后要求學(xué)生自己接線，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)曲線，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)真回答實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的思考題。例如典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)及性能的改善實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)視頻，能夠更好地理解二階系統(tǒng)的性能，獲得非常好的教學(xué)效果。我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一些自主實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生用Matlab實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。

2 資源的完整性和規(guī)范化

精品資源共享課程對資源的完整性和規(guī)范化提出了高要求。我們把“自動控制原理”課程結(jié)構(gòu)分成8個(gè)課程模塊，細(xì)化每個(gè)課程模塊的知識點(diǎn)，保證每一個(gè)課程模塊有4-5個(gè)知識點(diǎn)，其他資源都圍繞著知識點(diǎn)展開。例如，“連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能”知識點(diǎn)，學(xué)習(xí)指導(dǎo)告訴大家從穩(wěn)態(tài)性能的定義，穩(wěn)定性的判斷，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)等幾個(gè)方面去學(xué)習(xí)。教學(xué)重點(diǎn)就是穩(wěn)定性的判斷和穩(wěn)態(tài)性能的計(jì)算。難點(diǎn)就是典型信號輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算。課后習(xí)題是穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算類習(xí)題。

為了很好地利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，我們進(jìn)一步完善了網(wǎng)站［6］。該網(wǎng)站支持網(wǎng)絡(luò)在線答疑和網(wǎng)絡(luò)在線輔導(dǎo)，以增強(qiáng)“自動控制原理”教學(xué)的互動性。網(wǎng)站新增了在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，從演示文稿的播放時(shí)間，習(xí)題的完成時(shí)間等幾方面考核自學(xué)過程，網(wǎng)站還進(jìn)一步增加了自動控制原教學(xué)領(lǐng)域的時(shí)事新聞和熱點(diǎn)跟蹤。

3 結(jié)語

我們針對“自動控制原理”課程的特點(diǎn)，根據(jù)國家精品資源共享課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，研究教學(xué)課件的豐富和細(xì)化、教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和教學(xué)視頻錄像的編導(dǎo)、習(xí)題課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)等方法，探討各種教學(xué)資源的進(jìn)一步完整性和規(guī)范化，使各個(gè)資源互相支撐，形成一個(gè)有機(jī)的整體。學(xué)生非常容易建立起“自動控制原理”的體系結(jié)構(gòu)，明白前后的關(guān)聯(lián)度，能夠從整體上掌握課程體系，為進(jìn)一步的自學(xué)打好基礎(chǔ)。

［1］王方良，自動控制原理［M］北京，高等教育出版社，2008。

［2］肖萍萍，李曉光.“自動控制原理”課程教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012(4):34-35，69

［3］肖理慶，李巍.“自動控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012(3):88-89，98

［4］沈輝，張湘平，張明.采用思維導(dǎo)圖進(jìn)行“自動控制原理”的研討式教學(xué)［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(1):93-95

［5］結(jié)碩，韓光勝.Matlab在自動控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(2):95-97

［6］http://www.zdkz.zjut.edu.cn/