獨立學院“控制理論”精品課程建設的探索與實踐

李靜 許芳

【摘 要】圍繞“控制理論”課程的特點及獨立學院本科應用型人才的培養(yǎng)目標，結合“控制理論”校級精品課程的建設，對課程的教學內容、教學手段和方法、實踐教學體系等方面提出一系列改革措施。通過近3年的教學實踐，在培養(yǎng)學生的自主學習能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力等方面起到了良好的作用。

【關鍵詞】控制理論；精品課程；教學內容；教學手段與方法；實踐教學體系

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2016）14-0042-03

“控制理論”是自動化和電氣及自動化專業(yè)必修的一門專業(yè)核心課程，作為武昌首義學院的校級精品課程建設項目于2012年開始建設。筆者結合課程特點和專業(yè)實際，提出了“以培養(yǎng)應用技術型人才”為主線的改革思想，在近3年的精品課程建設過程中，根據(jù)學生的實際情況，結合現(xiàn)代教育技術在教學內容、教學手段、教學方法、多媒體課件制作、實踐教學創(chuàng)新、網(wǎng)絡教學應用等方面做了一系列的優(yōu)化和改革，逐步形成了一套適應獨立學院、工科院校的控制理論課程的教學體系。

一、教學內容安排

課程組根據(jù)獨立學院生源參差不齊，學生接受知識、對知識的理解能力差異較大的特點，對課程的內容進行了整合，制定了新的教學大綱，優(yōu)化了教學課件，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 優(yōu)化教學內容，建立課程群

對自動化專業(yè)的學生而言，“控制理論”課程是一門承上啟下的課程，該門課程以前期的“高等數(shù)學”“信號與系統(tǒng)”“電路”“模擬電子技術”等課程為基礎，同時又是后續(xù)課程“過程控制系統(tǒng)”“運動控制系統(tǒng)”“計算機控制技術”等的基礎。因此，課程組結合課程性質，首先構建了由這些課程形成的課程群，一起討論并優(yōu)化了幾門課程的教學內容，保證了各門課程知識的連貫性、兼容性，做到課程知識間的承上啟下，避免了任課教師盲目上課，內容重復或重點內容不突出的現(xiàn)象。例如，有關拉普拉斯變換的定義及性質部分的內容在“信號與系統(tǒng)”中已經(jīng)詳細講授過，在“控制理論”中僅帶著學生復習一下性質的具體內容，讓學生知道如何使用即可；有關BODE圖的繪制及其特點這些內容“控制理論”講得很詳細，后續(xù)的“運動控制系統(tǒng)”課程中這個部分也可以弱化，等等。

2. 關注發(fā)展前沿，保持內容先進性

近年來，隨著科學技術的進步，控制理論的發(fā)展也日新月異，智能控制、魯棒控制、自適應控制等方向都取得了很大進展。為了激發(fā)學生的學習興趣，讓其了解本專業(yè)方向的發(fā)展前沿，保持教學內容的先進性，教師在授課過程中應適當引導學生接觸一些新理論、新技術。比如，在講授與穩(wěn)定系統(tǒng)相對應的不穩(wěn)定系統(tǒng)的例子“倒立擺”時，引入雙輪自平衡機器人這一典型的倒立擺模型，引導學生了解機器人領域的發(fā)展趨勢及成果；在講授PID控制算法時，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡、蟻群算法和魚群算法等智能控制算法，引導學生去了解這些算法的基本思想，等等。這樣不僅加深了學生對學習內容的理解，更重要的是大大激發(fā)了學生的學習興趣。

3. 淡化推導，重視例題習題

“控制理論”課程理論性很強，涉及“高等數(shù)學”“線性代數(shù)”等課程的數(shù)學知識較多，對學生的數(shù)學基礎要求較高，如果課堂上太過注重數(shù)學公式的推導、證明，很容易讓學生感覺抽象且難以理解，所以在講課過程中應盡量淡化數(shù)學公式的推導、證明。例如，繪制根軌跡的基本規(guī)則中漸近線、分離點等規(guī)則的數(shù)學證明較為煩瑣，在授課過程中僅提供證明思路即可，關鍵是講清楚如何運用規(guī)則繪制根軌跡、分析系統(tǒng)性能。

另一方面，鑒于此門課程的強理論性，在詳細講解了重要知識點的基礎上，需多講解一些綜合性較強的例題，讓學生清楚地知道如何運用知識點解題，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。課程組在教學過程中發(fā)現(xiàn)有很多學生反映：課堂上老師講的都能聽懂，但是一到課下自己做題就會遇到問題，特別是考研真題中有些綜合性的題目感覺無從下手，這些情況歸根結底還是因為對知識點掌握得不夠扎實，不會靈活運用，所以有針對性的練習必不可少。

4. 重視工程應用，增強實例列舉

“控制理論”課程貫穿始終的一條主線是：建立模型、分析系統(tǒng)性能、綜合設計，學生學習的最終目的是要能進行自動控制系統(tǒng)的設計，進一步的要能解決實際工程應用問題，因此，在授課過程中應盡量多結合實際的工程實例來講解。例如，在講解課程中非常重要的“閉環(huán)控制”概念時，引入大家所熟知的馬桶液位自動控制系統(tǒng)、加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)等實例來講解，使得學生對反饋控制系統(tǒng)的組成及工作原理有更深刻的認識。

二、教學手段與方法的改革

教學手段與方法的改革是精品課程建設的基礎，主講教師在課堂教學過程中應盡量做到熟悉課程內容，授課內容豐富，信息量適當，思路清晰，重難點突出等，還應大力提倡采用“啟發(fā)式”“互動式”教學方法，以教師為主導、學生為主體，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生參與到教學過程中來。具體實施如下：

1. 引入MATLAB/SIMULINK仿真，讓學生更加直觀地理解系統(tǒng)穩(wěn)、快、準三個方面的性能分析等，提高學生學習的興趣。學生在課余時間也可以通過仿真軟件分析設計系統(tǒng)，鞏固理論知識。

2. 引入學科競賽、畢業(yè)設計的優(yōu)秀作品，將理論講解與實物演示結合，讓學生更加直觀地理解閉環(huán)控制系統(tǒng)、PID控制算法在實踐中的應用，增強學習積極性。

3. 設置一些問題或者指定部分內容，留給學生課后思考、自學。通過檢查或者讓學生自己上臺來講1次課等形式，充分調動學生自主學習。

4. 將傳統(tǒng)的板書和多媒體教學手段相結合，取長補短。多媒體課件需注意強調重點難點，圖文逐條顯示，充分展現(xiàn)各章節(jié)知識點間的邏輯關系；另外還要引入一些動畫或者仿真曲線等充實課件的內容，吸引學生的注意力；而對于重點公式的推導、重要知識點的理論分析、習題的解題步驟等內容則先以板書的形式給出，然后再結合多媒體課件加深印象，以期達到更好的教學效果。

三、實踐教學體系建設

獨立院校培養(yǎng)應用型技術人才，需努力改變以往“高學歷，低能力”的狀況和不適應用人部門對應用型人才需要的情況，因此，實踐動手能力的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為此，可采用以下辦法：

1. 改革實驗教學內容和方法，切實培養(yǎng)學生的動手能力

修訂實驗教學大綱，更新實驗平臺和對應的實驗教學講義，除了加強驗證性實驗外，新增了綜合性、設計性實驗，另外還增加了MATLAB仿真設計實驗。課程組在實驗教學方法上也進行了改革和探索。具體體現(xiàn)為：

（1）上實驗課時，除了在課表中安排的指導老師外，課程組其他沒有課的青年教師中必須有1～2個進行協(xié)助指導，提高指導效率。

（2）課堂上事先布置實驗內容，要求學生做好預習，并檢查預習情況。這樣，學生做實驗時就會更有目的性。

（3）實驗開始前，實驗教師說明實驗要求，并對有關重要知識點進行講解，但不再告訴學生如何一步一步接線，如何搭建系統(tǒng)，要求學生自己思考，自己連接，構造系統(tǒng)，經(jīng)教師檢查合格后方能運行、調試。這樣就避免了部分學生過于依賴教師，記憶式接線，完全沒有系統(tǒng)的概念，也完全沒有收獲，這種方法有效地提高了實驗效果。

（4）實驗過程中出現(xiàn)的問題，指導老師不再有問必答，而是結合實驗現(xiàn)象和理論分析，引導學生，讓學生慢慢總結問題，然后提出改進措施，再實施、驗證。

（5）實驗完成后，學生不僅要提交實驗數(shù)據(jù)，部分被抽查到的學生還要針對實驗內容回答指導教師的提問，促使學生端正態(tài)度、認真做實驗。

通過以上改革，學生普遍反映實驗比以前更有內涵了，實驗效果明顯提升。此外，為檢驗并進一步提高實驗的教學效果，每學期會針對學生組織一次專業(yè)技能測試，在自動化專業(yè)的所有學生里隨機抽取一定比例的學生，在一定時間內完成指定內容的實驗，由3名評估老師根據(jù)學生在測試過程中的表現(xiàn)予以評分，不合格的學生需要重修對應的實驗課程。此方法能促進學生對所有實驗課程的重視程度，較好地提高了實驗的教學效果。

2. 用心指導畢業(yè)設計，努力提高學生的實踐動手能力

鑒于“控制理論”課程沒有配套的課程設計，課程組就在指導畢業(yè)設計上多下功夫。項目建設期間，每年指導畢業(yè)設計時，均是盡量擬定能切實鍛煉學生實踐動手能力的課題，凡是能做出實物的課題均嚴格要求學生動手做實物。近3屆課程組老師在指導控制類畢業(yè)設計中共獲得校級優(yōu)秀畢業(yè)設計獎項29項，其中湖北省優(yōu)秀畢業(yè)論文8篇，切實提高了學生的實踐動手能力。

3. 積極參與學科競賽，增強學生的創(chuàng)新意識

學科競賽是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的一個重要平臺，課程組非常重視將學科競賽活動與課程教學相結合，注重創(chuàng)新意識和動手能力的培養(yǎng)，充分調動學生的學習積極性。課程組每年均會指導學生參加電子設計大賽、飛思卡爾智能車大賽和機器人大賽等學科競賽，較好地把控制理論教學輻射到科技制作、學科競賽等方面，在加深對課程內容理解的同時，切實提高了學生的實踐動手能力。

同時，結合精品課程建設，課程組也積極開展了相關的教學、科學研究，并積極引導學生參與這些項目，這為學生進行工程實踐訓練提供了極為有利的條件，也為學生學科競賽取得好成績提供了強大支撐，學生的科研能力和創(chuàng)新精神得到了有效提高。

四、網(wǎng)絡資源建設

網(wǎng)絡教學不受時間和空間的限制，利用信息技術、網(wǎng)絡和多媒體的交互性，能有效地實現(xiàn)資源的共享。我校已于2015年底全面建成了精品資源共享課程平臺，“控制理論”課程的教學大綱、課件、MATLAB仿真實例、習題集、競賽和畢業(yè)設計作品調試的視頻等所有相關資源均已實現(xiàn)了共享，并及時提供更新和維護，學生可以隨時下載所需的資料用于課前預習或者課后復習。同時，網(wǎng)站還開辟了師生在線交流欄目，學生可以在網(wǎng)上針對學習過程中遇到的問題、對教學的意見、建議等及時與教師溝通交流。網(wǎng)絡資源的建設為師生互動、學生自主學習提供了一個良好的平臺，獲得學生的一致好評。

五、總結

在校級精品課程“控制理論”近三年的建設過程中，以上一系列措施極大地調動了學生學習的積極性，很好地培養(yǎng)了學生的自主學習能力和工程實踐能力，近三屆自動化專業(yè)的學生在考研率、學科競賽、畢業(yè)設計等方面取得較好的成效。但是“控制理論”課程的改革是一個動態(tài)發(fā)展的過程，下一步我們將在以下幾個方面繼續(xù)進行探索和改進：

1. 進一步加強教學團隊建設，重視師資培養(yǎng)，改善職稱結構，同時選拔教師進企業(yè)進行生產(chǎn)實踐，培養(yǎng)1～2名雙師型教師，讓團隊結構更加合理化。

2. 加強實驗室建設，充分發(fā)揮實驗裝置的作用，將實驗裝置規(guī)范化、規(guī)模化。

3. 進一步加強課程群建設，合理優(yōu)化、整合資源。

4. 加強校企合作，爭取建立1～2處自動控制領域相關的實習基地，接受部分學生進行畢業(yè)實習或生產(chǎn)實習或自主實習，切實提升學生的社會實踐能力。

5. 不斷更新、完善課程網(wǎng)站，重點建設好網(wǎng)上學生答疑平臺、互動平臺，最大限度地發(fā)揮網(wǎng)站作用。

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（編輯：秦俊嫄）