周振華　陳耿彪　曹太山

[摘 要] 針對自動控制原理課程的特點(diǎn)和現(xiàn)有教學(xué)方式的不足，提出了有別于傳統(tǒng)的案例教學(xué)法。將一個工程實(shí)際應(yīng)用案例根據(jù)課程的授課章節(jié)和重要知識點(diǎn)對案例進(jìn)行合理的分解，在每個章節(jié)講授完畢后，學(xué)生需要根據(jù)本章所學(xué)的理論知識來完成相應(yīng)的案例設(shè)計任務(wù)。通過循序漸進(jìn)的方式，在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生將完成一個系統(tǒng)的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例的設(shè)計與分析，這對學(xué)生掌握章節(jié)理論知識之間的聯(lián)系與應(yīng)用是非常有效的。通過該案例教學(xué)法在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該案例教學(xué)法對充分調(diào)動學(xué)生的積極性、提高學(xué)生興趣有著較好的效果，并能克服傳統(tǒng)的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的缺點(diǎn)，使得學(xué)生能夠充分將理論知識應(yīng)用到工程實(shí)踐，提高學(xué)生對該課程知識的掌握程度，全面提高學(xué)生的理論知識應(yīng)用能力、實(shí)踐能力與分析解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞] 自動控制原理；案例教學(xué)法；實(shí)踐教學(xué)；理論教學(xué)；同步

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1008-2549（2017） 04-0092-02

一 課程介紹

自動控制原理是電氣信息類、機(jī)械類等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。通過該課程的學(xué)習(xí)能使學(xué)生掌握自動控制原理的基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)分析與設(shè)計能力，提高學(xué)生理論水平和知識運(yùn)用能力，同時對培養(yǎng)學(xué)生的辨證思維能力，建立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)和提高綜合分析問題的能力具有重要的作用[2]；自動控制原理課程是最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等課程的先修基礎(chǔ)課程，因此其學(xué)習(xí)質(zhì)量對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有著重要的作用；同時自動控制原理課程講授的知識在工程實(shí)踐中有著廣泛的用途，對工程實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)作用。學(xué)生是否能夠有效地掌握該課程的理論知識，提高獲取知識和綜合運(yùn)用知識的能力并解決實(shí)際工程問題的能力是該課程教學(xué)質(zhì)量的重要評價指標(biāo)，因此提高本課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)質(zhì)量是至關(guān)重要的。

二 課程特點(diǎn)及存在的問題

自動控制原理作為具有一定理論深度以及與工程實(shí)際緊密結(jié)合的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程有如下特點(diǎn)：首先，課程內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、章節(jié)銜接緊密。自動控制原理課程的基本研究方法是基于對分析對象進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，在獲得的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用不同的數(shù)學(xué)工具和數(shù)學(xué)方法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析與綜合，并在此基礎(chǔ)上完成控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、性能分析、系統(tǒng)校正等。自動控制原理課程在抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)的基礎(chǔ)上，需要借助相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)和圖形表示來對其進(jìn)行分析，并且每種數(shù)學(xué)表達(dá)和圖表分析方法都有著相應(yīng)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，因此該課程有一定的理論深度且抽象的概念多[3]。其次，自動控制原理前后章節(jié)的理論知識連貫而銜接緊密，前面章節(jié)的學(xué)習(xí)質(zhì)量對后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)有著十分重要的影響，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)脫節(jié)。再次，該課程對其他先修課程如：高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路原理、模擬電路等以及MATLAB等數(shù)學(xué)工具軟件的掌握程度要求較高。如果先修課程的基礎(chǔ)知識不熟悉或掌握不牢固會造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的畏難情緒，嚴(yán)重挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性從而影響教學(xué)效果。最后，自動控制原理課程的研究對象為應(yīng)用于工程實(shí)際的自動控制系統(tǒng)，與工程實(shí)際結(jié)合緊密，使得自動控制原理課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容來源于工程實(shí)際但又抽象于工程實(shí)際，這使得該課程的講授與學(xué)習(xí)方法與一般的理論基礎(chǔ)課程有著較大的區(qū)別。

從以上分析可知，該課程的特點(diǎn)決定了課程內(nèi)容學(xué)科綜合性強(qiáng)。在傳統(tǒng)的自動控制理論的教學(xué)與講授過程中，授課教師重于原理、以及相關(guān)數(shù)學(xué)理論的闡述，其教學(xué)現(xiàn)狀有如下特點(diǎn)：現(xiàn)有的理論教學(xué)一般沿用傳統(tǒng)的課堂面授教學(xué)方法，授課教師與學(xué)生通過課堂講授互動進(jìn)行課程內(nèi)容學(xué)習(xí)，但是由于課程數(shù)學(xué)理論抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜，因此授課教師感到“難教”，學(xué)生感到“難學(xué)”。而學(xué)生不了解理論知識的工程應(yīng)用意義，更不理解理論與工程實(shí)際之間的結(jié)合關(guān)系，因此使得教學(xué)過程脫離工程實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生接受程度低。其次，學(xué)生對MATLAB數(shù)學(xué)軟件的掌握欠缺，需要耗費(fèi)大量的精力用于數(shù)學(xué)運(yùn)算與圖形繪制，學(xué)習(xí)效率低下。于此同時，現(xiàn)有教學(xué)方式的實(shí)踐課一般是在理論課講授結(jié)束后，通過相應(yīng)的上機(jī)操作來進(jìn)行，實(shí)踐教學(xué)滯后于理論教學(xué)?，F(xiàn)有教學(xué)大綱中實(shí)踐教學(xué)所占的教學(xué)時間比重偏小，對實(shí)踐教學(xué)缺乏足夠的重視，無法提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)對理論教學(xué)的支持深度和廣度都不夠。

針對以上課程的特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，通過案例教學(xué)來提升教學(xué)效果是一種有效的方法與途徑。文獻(xiàn)[4]介紹了單獨(dú)案例法在自控原理課程中的應(yīng)用，通過某一案例對某一知識點(diǎn)的講解來對某個離散知識點(diǎn)的掌握，而文獻(xiàn)[5]通過對各個章節(jié)離散案例的安排，對章節(jié)理論知識進(jìn)行鞏固，這樣雖然可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但是因?yàn)榘咐碾x散而不成體系，學(xué)生無法完整的掌握理論知識之間的銜接，對系統(tǒng)設(shè)計與分析的理解不完整，缺乏系統(tǒng)的分析與設(shè)計思路。

三 工程案例法教學(xué)法

本文提出一種新的案例教學(xué)法，通過運(yùn)用與授課專業(yè)相關(guān)工程實(shí)際應(yīng)用案例，根據(jù)課程講授章節(jié)和內(nèi)容，對該案例根據(jù)章節(jié)知識點(diǎn)進(jìn)行分解，在每一章節(jié)中對該案例所面臨的不同理論問題和實(shí)際問題進(jìn)行分析與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)章節(jié)之間理論知識的與工程案例實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)一性，并充分利用MATLAB軟件進(jìn)行驗(yàn)證，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)能夠有機(jī)的結(jié)合起來，同時使得學(xué)生理解理論知識體系的連貫性，對理論知識的工程應(yīng)用形成深入的掌握，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)習(xí)質(zhì)量，并熟練掌握理論知識的實(shí)際應(yīng)用。

下面舉例說明該案例教學(xué)法的應(yīng)用，以國外經(jīng)典教材《現(xiàn)代控制系統(tǒng)》[6]教材為藍(lán)本，該教材中的案例以計算機(jī)領(lǐng)域最常用的磁盤驅(qū)動系統(tǒng)為研究對象。硬盤存儲器在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用非常廣泛，磁盤驅(qū)動系統(tǒng)為硬盤存儲器的核心部件，以磁盤驅(qū)動系統(tǒng)為案例，將理論和工程實(shí)際相結(jié)合，容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效率。將該案例根據(jù)教學(xué)章節(jié)的理論知識內(nèi)容展分解成不同層次的設(shè)計案例分布于各章節(jié)，在各章節(jié)講授完以后，運(yùn)用各個章節(jié)的理論知識，完成對應(yīng)的案例設(shè)計與分析，通過這種循序漸進(jìn)的方式，使得在該課程結(jié)束后，設(shè)計完成的工程實(shí)際應(yīng)用案例能夠滿足工程實(shí)際應(yīng)用所要求的性能指標(biāo)。

從提出的案例教學(xué)法示例可知，首先根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用，先建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的時域分析、穩(wěn)定性分析、頻域分析、誤差分析展開討論和實(shí)例分析與設(shè)計，最后對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行校正分析，整個過程是循序漸進(jìn)的，并在這個過程中理論知識和實(shí)際應(yīng)用是緊密聯(lián)系和連貫的。授課教師將一個完整的工程實(shí)際應(yīng)用案例根據(jù)課程的授課章節(jié)和重要知識點(diǎn)對案例進(jìn)行合理的分解，在每個章節(jié)講授完畢后，學(xué)生需要根據(jù)本章所學(xué)的理論知識來完成相應(yīng)的案例設(shè)計任務(wù)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能將所學(xué)的理論知識與工程實(shí)際應(yīng)用案例相結(jié)合，能有效地加深對理論知識的理解，同時有效地提高學(xué)生對知識的運(yùn)用能力。

四 結(jié)束語

本文通過對自動控制原理課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀的分析，提出了有別于傳統(tǒng)的案例教學(xué)法，通過將一個工程實(shí)際應(yīng)用問題，合理地與課程各章節(jié)的理論知識相結(jié)合，要求學(xué)生通過對工程案例的階段性設(shè)計目標(biāo)的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，層層遞進(jìn)，通過理論知識在工程案例中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，使得理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互結(jié)合、相互促進(jìn)，克服自動控制理論傳統(tǒng)教學(xué)案例法存在的缺點(diǎn)。顯然，通過合理的案例設(shè)計可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用意識并增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。同時該案例教學(xué)法也對學(xué)生的先修課程以及MATLAB掌握和熟練程度、學(xué)生的課余自學(xué)能力也提出了較高的要求。當(dāng)然，該案例只是提供了該案例教學(xué)法的一種思路，授課教師可以根據(jù)授課學(xué)生的專業(yè)方向以及自己的科研方向、學(xué)生的興趣采用更為合適、具體的案例和分解方式。

參考文獻(xiàn)

[1]王敏，劉志華.自動控制原理課程理實(shí)一體化教學(xué)模式研究[J].大學(xué)教育，2014（9）： 157-159.

[2]任祖華，周軍，錢惠敏，等. 基于倒立擺系統(tǒng)案例的自動控制原理教學(xué)研究[J].教育教學(xué)論壇，2015（43）：170-171.

[3]米智楠，潘柳萍，陳龍安. 案例教學(xué)法在“自動控制原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國電力教育，2010（33）： 87-88.

[4]宮二玲，孫志強(qiáng)，沈輝. “自動控制原理”課程中的多元化案例教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報， 2015（2）：58-60.

[5]劉慧英.“自動控制原理”課程的改革與實(shí)踐[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2000（1）：80-81，89.

[6]謝紅衛(wèi)，鄒蓬興，等.現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第8版）[M]. 高等教育出版社，2001（6）.