《自動控制原理》全方位教學改革體系的構建思考

王亮 許軍 周奇勛 樂春峽

摘要：《自動控制原理》課程具有數學推導多、理論知識面廣、結合工程背景強等特點，這使得不少教師在教學過程中感覺難以在有限的課堂時間內清晰闡述整個課程的構架，而學生在學習過程中感覺枯燥無味且內容生澀難懂。在這種背景下，學生只是機械地記住了若干公式定理，很難用相應的控制思想去解決實際工程中的問題，為此研究如何通過《自動控制原理》課程的全方位教學改革來激發學生的學習熱情，切實提高學生的知識應用能力和科研素養，就顯得尤為重要。

關鍵詞：自動控制原理；應用型教學；教學改革；教學體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0081-02

近年來隨著我國經濟發展步入新常態，高等教育過于重視研究的缺陷日益突出，為此2010年6月教育部在全國高校開展“卓越工程師教育培養計劃”，旨在促進高等教育由研究型向應用型轉變[1]。在高等教育轉型的過程中，我院為提高自動控制專業學生的實踐和創新能力，構建了《自動控制原理》課程的全方位教學改革體系，現就其中比較典型的經驗進行總結。

一、《自動控制原理》課程的教學現狀

第一，課堂信息量與課時之間的矛盾比較突出。《自動控制原理》涉及較多的理論知識、圖形（如對數坐標圖、工程應用原理圖等，在圖形的繪制和講解上需要耗費較多的時間）、公式推導、應用介紹等，雖然本院教學計劃為96課時且開設16課時的實驗，但相對于如此龐大的課堂信息量，課時還是略顯不足，同時學生在有限的課時內很難有效消化眾多的知識點，使教學效果大打折扣。

第二，實驗課的授課方式有待改進。雖然我院對實驗課的內容和環節都進行了精心設計，但仍然按照傳統理論授課的方式來開展實驗課（即教師對實驗步驟進行詳細講解后，學生按照步驟來進行操作），這弱化了學生的動手實踐能力，學生的思維在實驗中處于僵硬狀態，沒有讓知識成為整個實驗的驅動[2，3]。

第三，多媒體課件的應用不夠深入。利用多媒體課件能夠使學生獲得直觀的印象，激發學生的理想式思維（如在頻率特性的講解中，可以通過動畫來讓學生了解系統的頻率響應曲線是如何隨系統參數的變化而變化），也有助于調節單調的課堂氛圍。但目前多媒體課件在我院應用的較少，更多的知識講解還是依靠板書。

第四，教學方法比較單一。“傳授知識點為主，啟發式教學為輔”的教學方法過于強調傳授知識，難以激發學生自我學習的熱情和創造力，同時制約了學生靈活應用知識的能力。

二、《自動控制原理》全方位教學改革體系的構建

1.融合工程實例來優化教學內容。教師在選擇教材時，不僅要考慮到學生接受的難易程度及教學的課時量，還要考慮到所授專業未來的就業方向[4]。雖然現在《自動控制原理》的教材較多[如科學出版社的《自動控制原理》（第五版）教材對自動控制的基本理論進行了全面闡述，并將MATLAB軟件的仿真包含在內，但其與工程實踐的結合還不夠緊密]，但考慮到本院學生的實際需求，課程組人員自行編寫了《自動控制原理》教材，在教材中除包含系統控制理論和控制方法、系統分析方法、系統設計及線性系統校正方法等重點內容外，還融入了具體實例（如板帶軋制過程控制、雙容水箱的壓力控制）來幫助學生對相應知識點進行消化吸收。

2.采用多元化的教學方法。《自動控制原理》課程教學中可用的方法較多，例如：

第一，專題式教學法。專題式教學法比較適合學時較少的專業，其流程如下：教師將若干個核心內容進行整合，選出具有代表性的研究熱點和國內外研究進展→講述研究知識在具體實踐中的應用→向學生提出需要思考的問題和研究方向。

第二，問題式教學法。問題式教學法有助于激發學生的探索意識，其流程如下：教師提出具體的研究內容，讓學生就該內容尋找相應的問題→學生根據所學知識來進行自主思考，然后與其他學生進行溝通和交流來制定問題的初步解決方案→學生對問題的解決情況進行反思，并對解決方案進行完善，從而力求徹底解決問題。

第三，關聯教學法。所謂關聯教學法，是指教師將學生已掌握知識和其他利于新知識理解的相關信息聯系起來，促進學生在較短的時間內更好地掌握新知識，在復習已有知識的基礎上對新知識進行融會貫通。

3.靈活應用多媒體課件來輔助課程教學。如前文所述，《自動控制原理》是一門抽象性和理論性很強的課程，很多枯燥煩瑣的理論問題如果依靠板書，很難讓學生產生直觀印象并激發學生的學習熱情，因此適當應用多媒體課件來輔助課程教學就顯得尤為重要。本文將以Matlab在《自動控制原理》中的具體應用來進行說明：

第一，構建系統模型。在利用Matlab對控制系統進行輔助分析時，需要首先進行系統建模。利用Matlab的Simulink工具箱可直接構建系統的方框圖模型，比傳統的仿真軟件（如差分方程建模）更加靈活和直觀[5]。

第二，進行性能分析。如果利用人工來對系統的穩定性進行判斷，那么需要大量的公式計算來對系統的動態響應指標進行分析，不僅過程煩瑣且教學效果較差，而如果利用Matlab的Simulink工具箱，則可以極大地簡化計算過程。

第三，進行系統設計。系統設計是根據給定的對象模型來確定合適的校正裝置，確保系統達到相應的指標性能，而Matlab的Simulink工具箱允許對參數進行隨意修改，并且可以對仿真結果進行即時觀測，從而使設計者可以通過對仿真結果的分析來對參數進行修改，以獲得最佳的指標[6]。

第四，進行實驗仿真。通過Matlab的Simulink工具箱，教師從模塊庫中復制系統所需的模塊，然后按照硬件實驗系統的方框圖進行連接就可以完成虛擬實驗仿真教學，不僅提高了仿真結果的可信度，而且有助于激發學生的創造靈感。

4.實施“以學生為主體”的模塊化實驗教學模式。本院實施了“以學生為主體”的模塊化實驗教學模式，在力求讓學生成為實驗主體和兼顧學院現有的實驗條件的前提下，將整個實驗課劃分為如下幾個模塊：

第一個模塊是驗證性實驗。作為整個實驗教學的基層，驗證性實驗對學生自主創新能力、分析能力等要求較低，需要學生在認真學習實驗指導書的情況下，遵循實驗指導書規定的實驗步驟來完成相應的實驗，并通過分析實驗結果來對已學理論知識進行驗證（如典型非線性環節實驗）。

第二個模塊是設計性實驗。驗證性實驗雖然可以提高學生理解和分析實驗結果的能力，但由于缺乏必要的實驗環節設計，導致學生在實驗過程中往往按部就班，難以發揮學習能動性，為此在驗證性實驗的基礎上延伸了設計性實驗（包括控制系統設計、分析實驗），此類實驗只給學生提供實驗目的、要求和設備，然后讓學生根據所需的理論知識來自行設計實驗方案，并在Multisim仿真軟件或模擬試驗箱上進行驗證，從而提高學生在實驗中的參與度。

第三個模塊是創新性實驗。在設計性實驗的基礎上，通過引入工程應用背景，讓學生自主設計實驗題目及實驗方案，并在實驗完成中進行實驗結果的分析。由于結合相應的工程應用，并且對建模方法、實驗題目、實驗設備、控制方式等不做任何限制，因此非常有利于學生的創新意識，并能夠幫助學生將書本知識自主轉化為相應的工程應用。

第四個模塊是綜合性實驗。上述三種實驗的被控對象是用仿真軟件或模擬電路來實現的，而綜合性實驗的被控對象是實物對象，是學生在綜合利用書本知識的基礎上，對自動控制系統進行自主分析和設計的試驗（包括數字PID控制實驗、狀態反饋與狀態觀測器實驗等）。

5.構建科學合理的教學質量評價體系。學生的綜合素質絕不能僅僅靠考試成績來衡量，為此我院構建了完善的教學質量評價體系，分別包含理論課程的評價和實驗課程的評價兩個部分（其中理論課程占學生總成績的80%，實驗課程占學生總成績的20%，具體如表1所示）：

三、討論

經過近年的不斷改革，本院已經構建了比較完善的《自動控制原理》教學體系，通過理論和實踐的交互來不斷提高學生對理論知識的應用能力和創新意識。但毋庸置疑地，任何一門課程的知識點都處于動態發展之中，《自動控制原理》課程也不例外，需要我們不斷地對教學理念、教學方法、輔助技術、教學評價等進行改革，以適應技術發展的需求。

參考文獻：

[1]謝林柏，徐穎秦.面向卓越計劃的“自動控制原理”課程教學探索[J].中國電力教育，2013，（31）：91-92.

[2]崔明濤，過潤秋，盛英，葉俊杰，段學超[J].電氣電子教學學報，2015，37（3）：24-27.

[3]林敏，鄭永軍，黃詠梅.二階系統頻率特性的探究性教學[J].電氣電子教學學報，2010，32（2）：106-108.

[4]劉琳，劉志新，張秀玲.基于控制系統分析的自動控制理論課程建設及實踐[J].教學研究，2012，35（3）：47-50.

[5]劉金頌，張慶陽，蘇曉峰，楊蕾.Matlab軟件在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2014，31（6）：138-141.

[6]結碩，韓光勝.Matlab在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2010，29（2）：95-98.