孫建平 趙立慧

摘? ? 要：新時期，科技發(fā)展與社會進(jìn)步給傳統(tǒng)學(xué)科課堂教學(xué)帶來了新的問題。為了促進(jìn)學(xué)校雙一流學(xué)科建設(shè)，本文以“自動控制原理”課程為教學(xué)研究與實踐對象，探析了現(xiàn)有教學(xué)存在的問題，引入模型化教學(xué)思維、主動學(xué)習(xí)促進(jìn)策略、集成化項目工程教育教學(xué)理念，從課程內(nèi)容、習(xí)題教學(xué)、理論實操等方面提出優(yōu)化自動控制原理教學(xué)的策略。旨在通過教學(xué)改革引導(dǎo)學(xué)生深入領(lǐng)會課程的知識結(jié)構(gòu)，改善本科教學(xué)中常見的基礎(chǔ)知識掌握不牢現(xiàn)象，進(jìn)一步提升學(xué)生運用自動控制理論解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程應(yīng)用學(xué)科;教學(xué)改革;自動控制原理

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）12-0012-03

隨著智能科技的廣泛普及和快速發(fā)展，傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)迎來了新的挑戰(zhàn)，也因此誕生了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求，教學(xué)手段也向多樣化發(fā)展。同時，現(xiàn)代社會對學(xué)生的要求不僅滿足于熟知理論，還迫切要求學(xué)生能夠?qū)⒄n程原理與生產(chǎn)生活中的實際問題聯(lián)系起來，具有分析設(shè)計能力和工程實踐能力。為推進(jìn)我國工業(yè)現(xiàn)代化，自動控制原理因其課程理論的普適性及重要性，已被列入自動化、電氣專業(yè)、機(jī)電專業(yè)等本科工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程[1]。

近些年來，雖然學(xué)生綜合素質(zhì)不斷提高，但學(xué)風(fēng)浮躁、課程鉆研精神不足等群體現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)業(yè)整體水平下降。為更好促進(jìn)雙一流學(xué)科建設(shè)，“自動控制原理”課程中原有的教學(xué)體系、課程內(nèi)容等方面需要進(jìn)行優(yōu)化改革。因此，為讓本科生教育能夠緊隨時代發(fā)展潮流，本文結(jié)合國內(nèi)高?，F(xiàn)有的教學(xué)條件，聯(lián)系教學(xué)實際探析工程基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)的改革之道。

一、“自動控制原理”教學(xué)現(xiàn)狀

“自動控制原理”課程以復(fù)變函數(shù)與積分函數(shù)為基礎(chǔ)，要求學(xué)生全面掌握控制系統(tǒng)組成原理以及系統(tǒng)分析。學(xué)生在課堂中普遍反映課程內(nèi)容難以掌握，經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)教學(xué)體系中存在以下問題需要改進(jìn)。

第一，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱。“自動控制原理”課程由于開課次序及學(xué)時設(shè)定等原因，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)知識遺忘或先修課程掌握不透徹等現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，不能深入理解相關(guān)時域、頻域的知識。例如在課堂上推導(dǎo)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生需要理解大量的公式推導(dǎo)。再加上該部分趣味性不足等原因，基礎(chǔ)較差的學(xué)生在面對不熟悉的知識點時就會出現(xiàn)跟不上學(xué)習(xí)進(jìn)度的情況。在課程初期聽不懂，學(xué)生就會喪失對課程的興趣，并在大腦中將其錯誤定位為純理論性學(xué)科，導(dǎo)致對課程實用性認(rèn)知模糊不清，直接影響到后續(xù)教學(xué)和學(xué)習(xí)效果[2]。

第二，教學(xué)效果反饋滯后。本科教學(xué)知識和內(nèi)容逐年增加，以及教學(xué)時長進(jìn)一步壓縮，兩方面因素造成教師難以及時得到學(xué)生對知識理解程度的真實反饋?，F(xiàn)有教學(xué)體系往往通過隨堂練習(xí)、課堂提問討論、課后習(xí)題等方式來了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，經(jīng)過調(diào)查，課堂效果并不理想。課外教學(xué)效果的鞏固應(yīng)當(dāng)以習(xí)題作為媒介，但現(xiàn)有的“課堂講解原理—典型例題講解—布置課后習(xí)題”這一教學(xué)模型尚有改進(jìn)的余地，面對習(xí)題計算量大、控制理論分析方法多、各章節(jié)內(nèi)容相互聯(lián)系的現(xiàn)狀，學(xué)生并不能及時掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，課后并不積極進(jìn)行課程內(nèi)容復(fù)習(xí)與解疑。學(xué)生對先修課程內(nèi)容理解不透徹，從而導(dǎo)致不能夠掌握該種問題模型的分析方法，導(dǎo)致教師不能及時學(xué)生對重難點內(nèi)容的反饋。

第三，課程教學(xué)內(nèi)容缺乏整體觀念。如今高校應(yīng)試教育氛圍濃厚，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往流于對方法論的學(xué)習(xí)，忽略了對該門課程內(nèi)容整體觀念的理解。從歷史角度來看，自動控制原理具有深厚的歷史積淀，目前公認(rèn)的第一篇理論論文，即1863年J.C.Maxwell發(fā)表的“論調(diào)節(jié)器”，其距今已有兩三百年。因此自動控制原理是前人在遇到難以解決的控制系統(tǒng)問題基礎(chǔ)上，經(jīng)過不同時代對社會生產(chǎn)需求的歷練，逐步完善的經(jīng)典控制理論。當(dāng)今教育環(huán)境衡量教學(xué)成果看重應(yīng)試成績，學(xué)生以取得高分為目標(biāo)，這就導(dǎo)致教師的教學(xué)重點向單純講述解題方法傾斜，忽略了自動控制原理是一套體系化理論。

第四，與 “倡導(dǎo)工業(yè)化與信息化結(jié)合”的時代政策聯(lián)系不緊密。課程體系規(guī)劃伊始，計算機(jī)尚未普及，信息工業(yè)化技術(shù)遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在發(fā)達(dá)。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)方式和設(shè)備的多樣化，知識可承載媒介更豐富，實現(xiàn)多種角度教授和學(xué)習(xí)知識的條件比以往更加充裕。授課內(nèi)容不再僅僅停留于紙筆，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其分析方法已經(jīng)可以通過多媒體設(shè)備，利用MATLAB等平臺進(jìn)行仿真，并且復(fù)雜性較低，學(xué)生更容易理解。在信息化高速普及的今天，現(xiàn)有教學(xué)體系還未涉及到學(xué)生可以通過編程實現(xiàn)工業(yè)場景的建模與數(shù)學(xué)模型的仿真。這一方面的教學(xué)有益于學(xué)生個人能力的培養(yǎng)，應(yīng)該早日同“工業(yè)化與信息化結(jié)合”的國家政策緊密結(jié)合起來。

第五，課程實踐僅僅依附于單門課程。2016年6月2日，中國加入《華盛頓協(xié)議》，同年明確了本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題。所謂復(fù)雜工程問題，是指具有較高的綜合性，包含多個相關(guān)的子問題且涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素的綜合性問題[3]。自動控制理論課程與眾多學(xué)科相互聯(lián)系，同時自動控制理論應(yīng)用于不同的就業(yè)及專業(yè)背景，能夠結(jié)合電子電路和通信、設(shè)備設(shè)計等多方面內(nèi)容進(jìn)行實踐。學(xué)生通過運用控制數(shù)學(xué)模型能夠解決大量工程實際中的問題，大大提升了解決復(fù)雜工程問題的能力。而現(xiàn)有的相關(guān)實踐教學(xué)僅僅涉及單門課程的原理性實踐，沒有結(jié)合多門課程，并且課程實踐的“碎片化”嚴(yán)重阻礙了學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)[4]。

二、教學(xué)優(yōu)化的指導(dǎo)思想

課程教學(xué)改革中的常見措施是積極把教育領(lǐng)域的主流與前沿思想融入到教學(xué)實踐中來，結(jié)合教學(xué)中出現(xiàn)的問題對現(xiàn)有授課體系進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過分析近年來教學(xué)改革目標(biāo)相關(guān)文獻(xiàn)研究，綜合多項教改經(jīng)驗，在先進(jìn)的教學(xué)思想基礎(chǔ)上，探討教改應(yīng)用手段方向。

（一）運用模型化教學(xué)思維

模型化思維是指從科學(xué)認(rèn)識的角度出發(fā)，將知識內(nèi)容進(jìn)行抽象、簡化和純化[5]，建構(gòu)出能反映原型本質(zhì)關(guān)系的模型。這種高度抽象化的模型能夠?qū)⒆詣涌刂圃碇械募?xì)枝末節(jié)聯(lián)系起來，有助于學(xué)生構(gòu)建知識體系，更加深入地理解控制理論的本質(zhì)。在教學(xué)過程中，經(jīng)驗豐富的教師能夠自覺或不自覺地引導(dǎo)學(xué)生從復(fù)雜的知識架構(gòu)中抽取出數(shù)學(xué)精髓，并構(gòu)建出理論框架體系[6]，同時用淺顯的數(shù)學(xué)知識輔助學(xué)生理解復(fù)雜的時域、頻域分析方法，避開需要深厚數(shù)學(xué)功底才能夠理解的推導(dǎo)過程。模型化思維在目前“自動控制原理”課程教學(xué)中有所應(yīng)用但不夠系統(tǒng)科學(xué)化。

模型化教學(xué)思維不僅要引入到課堂中，還要求能夠與現(xiàn)有教學(xué)體系緊密結(jié)合。對此，鐘媚[7]等學(xué)者從哲學(xué)科學(xué)理論產(chǎn)生本質(zhì)出發(fā)，將教學(xué)過程與模型建構(gòu)與修正聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生在實踐過程中建立學(xué)科知識的數(shù)學(xué)模型。付偉[8]等提出將理論、實驗、素質(zhì)拓展等教學(xué)節(jié)點分別建立教學(xué)模型，在強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識教學(xué)同時也兼顧個人興趣及工程應(yīng)用發(fā)展方向，因材施教并循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。這些研究啟發(fā)本門課程在進(jìn)行實踐教學(xué)時，汲取經(jīng)驗豐富教師的授課方式，從宏觀上全面構(gòu)筑好學(xué)生的理論體系，并在實踐中對理論知識體系進(jìn)行完善，逐步、分層次的以多重指標(biāo)來讓學(xué)生掌握統(tǒng)化的課程知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。

（二）實施主動學(xué)習(xí)促進(jìn)策略

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和學(xué)生對傳統(tǒng)科學(xué)理論重視程度的淡化，使用線上與線下、理論與實際結(jié)合的主動式學(xué)習(xí)策略開始被高校教學(xué)所接納。主動學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在社會、人文等學(xué)科的教學(xué)上，但是在工程學(xué)科中的應(yīng)用尚不常見。工程學(xué)科由于課程內(nèi)容指向性明顯、主動學(xué)習(xí)效果不能得到保證等方面原因，仍然需要沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方式。隨著學(xué)生獲取知識渠道越來越多元化，傳統(tǒng)的知識單向流動式教學(xué)逐漸顯現(xiàn)出局限性，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動學(xué)習(xí)的想法也越來越淡。以學(xué)生為本，促進(jìn)學(xué)生面向未來工程需求的主動學(xué)習(xí)勢在必行。

清華大學(xué)電機(jī)系嘗試將主動學(xué)習(xí)促進(jìn)策略引入到傳統(tǒng)學(xué)科“電路原理”的教學(xué)模式中[9]，配合互聯(lián)網(wǎng)資源，引導(dǎo)學(xué)生在課下主動學(xué)習(xí)，教師在課堂上進(jìn)行答疑解惑、引導(dǎo)學(xué)生討論。這種學(xué)習(xí)模式可以自由穿插在授課過程中，教師也可以根據(jù)課程需要靈活運用?！白詣涌刂圃怼闭n程特征與電路原理類似，因此可以仿照清華大學(xué)將該思維引入到學(xué)科教學(xué)中。引入過程中需要根據(jù)實際情況，在課堂上對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)。課堂的時間以教師為主，但可以在講授理論的同時活用多媒體教學(xué)。通過進(jìn)行實例仿真演示，運用計算機(jī)軟件如MATLAB、AMESIM進(jìn)行輔助教學(xué)等方法，將信息化技術(shù)與經(jīng)典理論結(jié)合起來，形象生動地展示不同數(shù)學(xué)模型下的仿真求解過程。在課程授課難點上，教師可將課堂內(nèi)容交還學(xué)生主動學(xué)習(xí)，將重心放在上課指導(dǎo)從而加深學(xué)生理解。

（三）加強(qiáng)集成化項目工程教育

工科知識來源于工程。近年來，“讓工程教育回歸工程”的理念從麻省理工學(xué)院被迅速引進(jìn)國內(nèi)。1996年，國家教委組團(tuán)考察美國工程教育后，撰文闡釋其核心內(nèi)涵為：加強(qiáng)工程能力的培養(yǎng)，將過去過分重視工程學(xué)科轉(zhuǎn)變到更多重視工程系統(tǒng)及其應(yīng)用背景上，并強(qiáng)調(diào)使用“集成”的思想促進(jìn)課程實踐向綜合化、整體化方向發(fā)展。工程實踐對培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要性無需贅述，現(xiàn)有教學(xué)方法在提出工程問題后直接講授答案，學(xué)生無法培養(yǎng)探索與主動解決工程問題的能力。為解決這個問題，利用整合多門學(xué)科的項目進(jìn)行集成化工程項目教學(xué)，是我們強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的必由之路。

在項目教學(xué)方法中，劉云龍等提出將自動控制原理與現(xiàn)代控制理論進(jìn)行整合，在教學(xué)內(nèi)容之外，相應(yīng)地設(shè)置項目實施環(huán)節(jié)來培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。經(jīng)過整合課程設(shè)計在鍛煉學(xué)生的同時，實施過程與教學(xué)評價系統(tǒng)也更為合理科學(xué)。在實際應(yīng)用中，自動控制原理還可以與智能控制理論、機(jī)械設(shè)計、電子電路、通信等學(xué)科進(jìn)行綜合，依據(jù)真實性、綜合性、探究性原則開展基于不同專業(yè)的集成化工程項目教學(xué)，使學(xué)生在實施項目過程中，能夠掌握根據(jù)需求搜集所需知識并進(jìn)行知識體系集成與建構(gòu)的能力。

三、優(yōu)化教學(xué)的實施策略

授課體系的優(yōu)化主要依據(jù)學(xué)生反饋教學(xué)情況，對授課體系進(jìn)行優(yōu)化。在順應(yīng)社會發(fā)展對應(yīng)用型人才需求變化的前提下，繼承學(xué)校歷年來優(yōu)秀的教改成果和經(jīng)驗，融合本科生教育領(lǐng)域優(yōu)秀的思想。借此達(dá)到提升學(xué)生課堂興趣、引導(dǎo)學(xué)生充分利用教材、構(gòu)建學(xué)生知識應(yīng)用體系的效果。從而進(jìn)一步豐富和完善現(xiàn)有教學(xué)體系，培養(yǎng)出應(yīng)用型人才解決復(fù)雜工程問題的能力。

（一）使用習(xí)題模型進(jìn)行反饋式教學(xué)

習(xí)題是理論的實際應(yīng)用，為抽象出的數(shù)學(xué)模型。反饋體系有助于教師及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并根據(jù)反饋來增加教學(xué)內(nèi)容來更好地輔助學(xué)生理解課堂內(nèi)容。建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的學(xué)科離不開計算實踐，只有積極進(jìn)行計算才可以更深刻理解并運用知識點。現(xiàn)有的教學(xué)反饋信息獲取具有滯后性，因此可以利用超前補(bǔ)償?shù)乃枷雽ΜF(xiàn)有的習(xí)題反饋體系進(jìn)行擴(kuò)展，倡導(dǎo)學(xué)生在課堂教學(xué)前完成教材例題進(jìn)行知識點預(yù)習(xí)，在課堂上在進(jìn)行針對性的講解，下節(jié)課堂開課前，鞏固該課堂例題。在“發(fā)現(xiàn)課程問題—課程中理解問題—完整理解知識點—螺旋式鞏固例題”這種教學(xué)模式中，使學(xué)生在課堂上有針對性的聽講，提高了課堂效率。

（二）利用計算機(jī)調(diào)動主動學(xué)習(xí)熱情

利用計算機(jī)資源主動學(xué)習(xí)。一方面指利用MOOC平臺、愛課程等教育平臺鞏固課堂教學(xué)，另一方面指利用軟件平臺進(jìn)行仿真實驗。學(xué)生可以在課后自學(xué)課程教材中的選學(xué)章節(jié)，嘗試將信息化、工業(yè)化與課程原理結(jié)合，把計算機(jī)輔助設(shè)計融合到自動控制理論中，也可以將MATLAB作為輔助教學(xué)軟件推廣開來。達(dá)到能夠根據(jù)教材具體實例，并結(jié)合電氣、熱能工程、自動化等專業(yè)電力背景，利用軟件解決自動控制原理范圍問題的目標(biāo)。

（三）組織實踐項目培養(yǎng)綜合能力

科研項目是豐富的教學(xué)資源。教師在授課時可以適當(dāng)穿插控制系統(tǒng)項目，帶領(lǐng)學(xué)生觀看項目視頻或?qū)嶋H演練。項目實操部分包括使用計算機(jī)來仿真基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)模型，如倒立擺、運動控制系統(tǒng)等實際應(yīng)用模型。當(dāng)學(xué)生具備基礎(chǔ)的工程應(yīng)用能力后，通過參加大學(xué)生控制系統(tǒng)方面的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動等方式，以比賽項目帶動學(xué)生在應(yīng)用中自己構(gòu)架自控應(yīng)用知識體系，培養(yǎng)自動控制原理與相關(guān)學(xué)科結(jié)合的思想，提升利用反饋、控制系統(tǒng)等知識解決實際問題的能力。

綜上所述，在建設(shè)雙一流學(xué)科中，“自動控制原理”課程要將“模塊教學(xué)+主動學(xué)習(xí)+集成項目”引入現(xiàn)在的教學(xué)體系中，改革構(gòu)建出新的教學(xué)體系。自動控制理論作為基礎(chǔ)學(xué)科，教師在把握社會動向的同時，將傳統(tǒng)的理論知識與社會應(yīng)用實際接軌，在教學(xué)中協(xié)助學(xué)生建構(gòu)堅實、深厚的知識基礎(chǔ)。要求教師在沿用優(yōu)秀的傳統(tǒng)教學(xué)體系的同時，務(wù)必結(jié)合國家對本科生人才的新標(biāo)準(zhǔn)、新要求，只有這樣才能夠培養(yǎng)出專業(yè)素質(zhì)過硬的工程人才。與此同時，教學(xué)體系必須及時將現(xiàn)代化科技應(yīng)用于教學(xué)課程，這樣才能夠引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動應(yīng)用，讓學(xué)生能夠通過多種媒介更加深入地理解控制理論的本質(zhì)。教師應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮項目經(jīng)驗豐富的優(yōu)勢，把課程講解與強(qiáng)化理論聯(lián)系實際，同步注重學(xué)生的編程能力，由此不僅能培養(yǎng)學(xué)生的綜合學(xué)科知識能力，更能夠培養(yǎng)解決實際問題能力。

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收稿日期：2019-04-20

作者簡介：孫建平（1962—），男，山東牟平人，華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)學(xué)院自動化系教授，主要從事自動控制原理

教學(xué)、故障診斷等研究。