基于知識鏈的自動控制原理課程教學改革*

◆艾偉清 徐偉 鐘黎萍

1 引言

自動控制原理是高等學校自動化類專業(yè)的一門核心基礎理論課，是專門研究有關自動控制系統(tǒng)中基本概念、原理和方法的一門課程，具備知識覆蓋面廣、理論性和抽象性強、內容具有一定深度和復雜性的特點，且對后續(xù)專業(yè)類課程影響較大[1]。然而經長期教學發(fā)現(xiàn)，學生對自動控制原理課程的學習興趣不高且學習效果不佳[2]。究其原因，一方面是自動控制原理課程本身的特點增加了學習的難度，常常被學生戲稱為“數(shù)學課”；另一方面是傳統(tǒng)的以書本知識體系為知識結構的教學設計不容易與現(xiàn)實工程控制問題聯(lián)系，讓學生無法解決“為什么學，學什么，學了有什么用”這三個本質問題[3]。因此，對課程進行大刀闊斧的改革具備必要性。

專業(yè)的發(fā)展也要求自動控制原理課程進行改革。“新工科”對教學改革的要求可概括為：讓“考生”變學生，讓教師成“導師”，讓教材成為參考書[4]。這一要求規(guī)定了課程改革中要充分發(fā)揮學生的自主學習性，同時增強教學設計環(huán)節(jié)，引導學生從工程案例中學習知識，再反饋回案例中解決工程問題，最終培養(yǎng)出具備解決復雜工程問題的能力。另外，課程的專業(yè)定位要求自動控制原理要起到連接基礎必修課和專業(yè)選修課的橋梁作用，也要求引導并培養(yǎng)學生用所學專業(yè)知識解決實際問題的能力。因此，對課程進行改革勢在必行。

基于課程改革的必要性和緊迫性，本文從四個方面對課程進行改革：基于知識鏈重構教學內容，設計“理虛實”的課程內容結構，解決知識點松散以及怎么用知識的問題；通過案例引導+模塊化+“理虛實”混合教學過程設計，解決教師怎么教、學生怎么學、學完怎么做的問題；通過階段考核報告，實現(xiàn)分階段考查學生對知識的掌握情況，解決基于知識鏈的工作過程系統(tǒng)化訓練的問題；通過校內與企業(yè)的評價反饋優(yōu)化課程改革方案，解決怎么不斷教得好的問題。

2 課程內容改革

圖1 教材的知識體系

知識鏈重構教學內容傳統(tǒng)教學依據(jù)教材的知識體系來進行教學內容設計，如圖1 所示。這種教學內容設計有兩個缺點：知識點松散導致的知識點間的層次性和遞進性不清晰，如穩(wěn)定性這一知識點同時出現(xiàn)在時域、頻域分析及采樣控制系統(tǒng)分析中；知識的抽象概念過多，來源與用途和實際工程案例沒有建立直接聯(lián)系，缺乏直觀性。上述缺點是引起學生認為自動控制原理是“數(shù)學課”的最直接原因，也是導致學生無法理解“為什么學，學什么，學了有什么用”的主要原因。

為了解決上述問題，本文提出基于知識鏈來重構教學內容。在解決實際工程問題時，常常采用的解決思路可以概括為：建模+分析+控制。以此為出發(fā)點，分別將松散的知識點歸類為建模知識模塊、性能分析知識模塊和控制知識模塊，各模塊間層層遞進、互相聯(lián)系，組成知識鏈。表1 是根據(jù)知識鏈重構的教學內容。以分析模塊為例，又細分為穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、動態(tài)性能三條子知識鏈，每條子知識鏈又從連續(xù)系統(tǒng)時域、頻域和采樣系統(tǒng)時域三個方面進行穩(wěn)定性分析的教學內容設計。這樣設計的好處可以保證知識點環(huán)環(huán)相扣，符合實際解決控制問題的思路。

“理虛實”課程內容結構設計為了凸顯自動控制原理是一門工程專業(yè)技術課，而不是學生認為的“數(shù)學課”，采用以“理虛實”為特色的課程內容結構改革，如圖2 所示。“理”指的是基于知識鏈的基本概念和基本理論的課程內容，旨在培養(yǎng)學生具備扎實的理論基礎。“虛”指的是虛擬仿真，即基于知識鏈開展MATLAB 和Simulink 仿真軟件的虛擬仿真教學內容，旨在培養(yǎng)學生學會利用仿真軟件輔助分析設計的能力。“實”指的是基于知識鏈組織實際控制系統(tǒng)的實驗與實踐教學內容，旨在培養(yǎng)學生解決實際控制問題的能力。“理虛實”的課程內容結構貫穿整個教學內容，讓學生了解課本中知識的源頭、組成和用途，提高學生的學習興趣。

表1 基于知識鏈的教學內容

圖2 “理虛實”課程內容結構

3 教學過程設計與考核設計

案例引導+模塊化+“理虛實”混合教學在教學開展環(huán)節(jié)，根據(jù)教學內容和教學進度的特點采取不同的教學方式。在建模教學階段，主要采用案例引導教學，通過電路、電機拖動、力學系統(tǒng)等實際案例中控制問題的分析來引出解決問題所需的知識鏈以及為什么學這個知識鏈的問題。該方法的優(yōu)點在于與前期的先修課程聯(lián)系緊密，建模的所需理論有實際的對象，避免了單純教授建模理論時過分抽象的缺點。從性能分析教學階段開始，采用模塊化教學法。根據(jù)學生對知識鏈的掌握程度，以強弱聯(lián)合、優(yōu)勢互補為原則，形成模塊化的學習小組，解決學生間學習差異的問題。模塊化學習小組組合方式如圖3 所示。控制教學階段在前面的教學方法基礎上再引入“理虛實”教學。結合課程內容的“理虛實”結構，抽象的理論知識通過MATLAB 仿真得到驗證，并通過實驗設備得以實現(xiàn)，解決了知識抽象難理解的問題，增強了學生使用知識成功解決問題的成就感。

圖3 模塊化學習小組組合說明

基于知識鏈的階段考核方式設計階段性考核報告是根據(jù)知識鏈的教學內容而設計的。教學內容中知識鏈的各個模塊環(huán)環(huán)相扣，因此采用工作過程系統(tǒng)化的教學思想設計階段考核報告的考查點，如圖4 所示。設計的特點表現(xiàn)為：每一個知識鏈模塊對應一份階段報告，階段報告內容層層遞進，具有知識系統(tǒng)化的好處，實現(xiàn)知識的反復練習；只給出報告的基本要求，控制對象的選擇、建模、性能指標分析等內容都由學生自己設計完成，發(fā)揮了學生的主觀能動性；以模塊化學習小組為單位，互相協(xié)作，根據(jù)分工完成報告，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。階段考核的最終目的是培養(yǎng)學生利用“建模+分析+控制”的思想去解決實際系統(tǒng)控制問題的能力。

4 教學效果評價

從校內與企業(yè)兩個方面設計教學效果的評價，如圖5所示。以學生為中心，設計課程學習心得反饋環(huán)節(jié)，通過每月的學習心得及時掌握教學過程中學生的學習狀態(tài)。以學校為中心，設計評教環(huán)節(jié)和課程達成度評價環(huán)節(jié)，評估教學效果是否能夠達到工程教育專業(yè)認證所要求的學習成果。以企業(yè)為中心，設計企業(yè)技術反饋環(huán)節(jié)。通過走訪在企業(yè)的畢業(yè)生，了解自動控制原理課程在實際工程應用中需要加強和深入教學的知識點，達到真正學有所用。通過上述三個環(huán)節(jié)得到的反饋信息，設計一個教學改革反饋環(huán)，達成教學的持續(xù)改進和優(yōu)化目的。

圖4 階段考核報告

圖5 校內外評價機制

表2 是2014 級和2015 級自動化專業(yè)學生對于自動控制原理課程改革前后的教學反饋情況統(tǒng)計表。從表中數(shù)據(jù)可以看出，教學改革前，自動化14 級的兩個班40%左右的學生對于自動控制原理的教學評價都很差，認為教學良好和優(yōu)秀的學生僅占學生總數(shù)的30%左右；教學改革后，對教學效果評價差的學生人數(shù)下降到總人數(shù)的20%以下，認為良好和優(yōu)秀的學生提高到70%左右。

表2 學生評價反饋情況統(tǒng)計表

5 結語

本文主要介紹了基于知識鏈的自動控制原理課程教學改革，分別從課程內容重構、教學過程與考核過程重設計以及校內外評價機制等四個方面進行了介紹。經過改革后，學生對于自動控制原理課程的學習興趣得到顯著提高，也為學校自動化專業(yè)開展工程教育專業(yè)認證工作做出應有的貢獻。■