“自動控制原理”課程教學改革

肖萍萍，李曉光

(長春大學光華學院信息工程學院，吉林長春 130117)

“自動控制原理”課程主要研究自動控制系統的系統建模、系統分析及系統設計的基礎理論和方法，對培養學生學習后續課程及從事工程實際工作有著重要的影響。該課程具有理論性強，概念抽象等特點，如何激發學生的學習興趣，將學生的數學基礎、專業理論及工程實踐有機地結合起來，提高教學質量是進行課程改革的目的。

認知心理學是以信息加工為核心的心理學，它吸收了信息論、控制論、系統論和計算機科學等當代最新理論和科技成果的精華，用實驗方法和信息加工觀點研究心理過程［1］。

經過幾年的探索，我們從學生認知心理的特點和規律出發，建立一套以互動—實踐—創新為主線的教學模式，在完成課堂教學的同時，提高學生自主學習能力、實踐創新能力和團隊協作能力，以適應社會對工程應用型本科創新人才培養的需求。

1 形象化教學手段

1.1 動態教學能激發學生興趣

在本課程的緒論部分，重點介紹自動控制在空間技術、科技、工業、交通和環境等領域的應用。由于學生對系統的概念沒有感性認識，更沒有機會在實際現場親身體驗自動控制系統過程的機會。我們在講授過程中，以Flash動畫、實物圖以及幻燈片的方式，將一些典型系統，如溫度控制、液位控制和車輛控制等工程實踐過程以動態的方式展現出來，引導學生對實際控制系統的各個組成部分進行分析。圖1所示為采用動畫方式演示液位控制系統的傳統手動控制(a)和自動控制(b)的過程［2］。

圖1 液位控制系統

1.2 強化復述可加深學生記憶

根軌跡的繪制方法是本章的重點，它主要包括了根軌跡的起點、終點、分支數、實軸上的根軌跡、分離點、匯合點以及漸近線等步驟。我們將繪制步驟的每個知識點，采用板書的方式進行講解。同時，按照繪制步驟在課件中設定動畫的順序和效果。在每一步驟完成后，演示出其結構，在最后一頁幻燈片中將完整的圖形繪制出來。這樣將較抽象的內容形象化，體現教學思路，可以強化學生對重點內容的掌握。

1.3 利用虛擬仿真提高學生思維

在講解時域分析法、頻率法和系統校正等內容時，其手工繪圖精度較低，分析質量差。我們引入Matlab/Simulink作為控制系統 CAD［3］。在課件中適當地插入由Matlab編程實現的各變換域分析結果，利用虛擬仿真對系統的穩定性以及性能指標進行計算，從而使抽象的概念形象化，避免計算和繪圖的錯誤。作為某控制系統的仿真實例，要求系統在單位斜坡輸入信號作用下，速度穩態誤差ess≤0.1，開環截止頻率 ωc≥4.4弧度/秒，相位裕量 γ≥45°，幅值裕量h≥10dB，采用無源串聯超前網絡對系統進行校正仿真，其結果如圖2所示。

圖2 控制系統校正前后的Bode圖

2 多種教學方法

我們研究學生的認知心理和思維特征，結合本課程的專業特點，精心設計課堂各個環節及其實施過程的策略，采用了如下多種教學方法［4］。

(1)預習式和關聯式相結合，促進學生認知結構條件化。在課堂內容進行到某一階段，學生對要講授的課程內容有一定基礎后，通過布置思考題的方式，引導學生對下節課要講授的內容進行預習，并鼓勵學生課后查閱相關資料和素材，接觸本課程、本學科的新知識和新技術。在授課過程中，結合教學內容有針對地補充相應的基礎知識和工程背景，有意識地將學科的最新進展，以及本課程與其他課程的聯系傳達給學生，在開闊學生的視野的同時，幫助學生認知結構完備化。

(2)導入式和問題式相結合，促進學生認知結構條件化。根據課堂的教學內容、特點，注意圍繞教學重點精心設計一些具有啟發性和指導性的問題穿插到教學內容中，強化其焦點注意，有利于學生選擇引入的信息。例如在講解線性系統離散分析時，由于學生已經掌握時域分析和頻域分析的方法，教師可以將時域和頻域的分析方法進行比較總結作為引子，激發學生已有的知識點，引導和啟發學生將所學的知識與其使用條件結合起來學習，讓學生自己考慮在什么條件下使用離散分析。教師提出離散系統分析的重點，以問題的方式啟發學生自學，發揮學生的主觀能動性。

(3)研究性學習和自我展示相結合，促進學生知識結構化。我們發現通過書面作業和口頭回答問題的形式，很難了解學生認知過程中存在的問題。因此，在控制系統設計環節，我們將每班學生分成幾個小組，由教師預先將不同設計目標分配給每組協作完成。組內學生根據分工認真查閱相關資料和素材，讓他們自己進行思考和研究并為其自我展示創造機會。例如，在課堂討論時，由每組派一名學生上講臺介紹設計內容和方法，其他學生和教師進行點評［5］。通過學生設計思路的講解，對師生的思路差異進行分析，引導學生從認知結構中尋找缺陷，改善本組設計中的不足，拓寬設計思路。

以上三種教學方法彼此之間相互關聯且相互滲透。針對不同教學內容，可以使用不同的教學方法，促進學生知識結構化。

3 結語

為了適應素質教育對工程應用型創新人才培養模式的需求，獲得良好的教學效果，我們結合學生認知心理的特點和規律，對“自動控制原理”課程的教學方法和教學環節等方面做了一些改革的嘗試。我們將教學內容以圖形和聲音等現代教育技術手段表現出來，有機地將本課程連接成一個整體，可以充分發揮學生的主觀能動性，提高教學質量。

［1］ 王志堅，認知心理學的學習理論對課堂教學的啟示［J］.北京:中國教育學刊，1997，第02期

［2］ 劉大年，史旺旺，孫貴根，吳桂峰，“數字信號處理”課程的形象化教學方法探索［J］.南京:電氣電子教學學報，2006，28(4)，104-111

［3］ 岳舟，羅良才，曹鋒等，“自動控制原理”教學改革的研究與探索［J］.合肥:電腦知識與技術，2010，Vol:6(20)，5537-5538

［4］ 張學敏，“數字信號處理”課程教學改革實踐［J］.北京:中國電力教育，2009(2)，140-141

［5］ 金鑫，謝昭莉，盛朝強等，“自動控制原理”實驗教學改革創新與實踐［J］.南京:電氣電子教學學報，2009.31