基于知識鏈的自動控制原理課程教學(xué)改革*

◆艾偉清 徐偉 鐘黎萍

1 引言

自動控制原理是高等學(xué)校自動化類專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)理論課，是專門研究有關(guān)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(nèi)容具有一定深度和復(fù)雜性的特點，且對后續(xù)專業(yè)類課程影響較大[1]。然而經(jīng)長期教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對自動控制原理課程的學(xué)習(xí)興趣不高且學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)的難度，常常被學(xué)生戲稱為“數(shù)學(xué)課”；另一方面是傳統(tǒng)的以書本知識體系為知識結(jié)構(gòu)的教學(xué)設(shè)計不容易與現(xiàn)實工程控制問題聯(lián)系，讓學(xué)生無法解決“為什么學(xué)，學(xué)什么，學(xué)了有什么用”這三個本質(zhì)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(xué)改革的要求可概括為：讓“考生”變學(xué)生，讓教師成“導(dǎo)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(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，同時增強教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從工程案例中學(xué)習(xí)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(fù)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(chǔ)必修課和專業(yè)選修課的橋梁作用，也要求引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)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(gòu)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計“理虛實”的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)，解決知識點松散以及怎么用知識的問題；通過案例引導(dǎo)+模塊化+“理虛實”混合教學(xué)過程設(shè)計，解決教師怎么教、學(xué)生怎么學(xué)、學(xué)完怎么做的問題；通過階段考核報告，實現(xiàn)分階段考查學(xué)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(xùn)練的問題；通過校內(nèi)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(nèi)容改革

圖1 教材的知識體系

知識鏈重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)教學(xué)依據(jù)教材的知識體系來進行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，如圖1 所示。這種教學(xué)內(nèi)容設(shè)計有兩個缺點：知識點松散導(dǎo)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(xué)生認為自動控制原理是“數(shù)學(xué)課”的最直接原因，也是導(dǎo)致學(xué)生無法理解“為什么學(xué)，學(xué)什么，學(xué)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(gòu)教學(xué)內(nèi)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(gòu)的教學(xué)內(nèi)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(xué)內(nèi)容設(shè)計。這樣設(shè)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(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計為了凸顯自動控制原理是一門工程專業(yè)技術(shù)課，而不是學(xué)生認為的“數(shù)學(xué)課”，采用以“理虛實”為特色的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)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(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)?！疤摗敝傅氖翘摂M仿真，即基于知識鏈開展MATLAB 和Simulink 仿真軟件的虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會利用仿真軟件輔助分析設(shè)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(xué)內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實際控制問題的能力。“理虛實”的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)貫穿整個教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生了解課本中知識的源頭、組成和用途，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表1 基于知識鏈的教學(xué)內(nèi)容

圖2 “理虛實”課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)

3 教學(xué)過程設(shè)計與考核設(shè)計

案例引導(dǎo)+模塊化+“理虛實”混合教學(xué)在教學(xué)開展環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進度的特點采取不同的教學(xué)方式。在建模教學(xué)階段，主要采用案例引導(dǎo)教學(xué)，通過電路、電機拖動、力學(xué)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(xué)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(xué)階段開始，采用模塊化教學(xué)法。根據(jù)學(xué)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(xué)習(xí)小組，解決學(xué)生間學(xué)習(xí)差異的問題。模塊化學(xué)習(xí)小組組合方式如圖3 所示?？刂平虒W(xué)階段在前面的教學(xué)方法基礎(chǔ)上再引入“理虛實”教學(xué)。結(jié)合課程內(nèi)容的“理虛實”結(jié)構(gòu)，抽象的理論知識通過MATLAB 仿真得到驗證，并通過實驗設(shè)備得以實現(xiàn)，解決了知識抽象難理解的問題，增強了學(xué)生使用知識成功解決問題的成就感。

圖3 模塊化學(xué)習(xí)小組組合說明

基于知識鏈的階段考核方式設(shè)計階段性考核報告是根據(jù)知識鏈的教學(xué)內(nèi)容而設(shè)計的。教學(xué)內(nèi)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(xué)思想設(shè)計階段考核報告的考查點，如圖4 所示。設(shè)計的特點表現(xiàn)為：每一個知識鏈模塊對應(yīng)一份階段報告，階段報告內(nèi)容層層遞進，具有知識系統(tǒng)化的好處，實現(xiàn)知識的反復(fù)練習(xí)；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(nèi)容都由學(xué)生自己設(shè)計完成，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性；以模塊化學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)效果評價

從校內(nèi)與企業(yè)兩個方面設(shè)計教學(xué)效果的評價，如圖5所示。以學(xué)生為中心，設(shè)計課程學(xué)習(xí)心得反饋環(huán)節(jié)，通過每月的學(xué)習(xí)心得及時掌握教學(xué)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。以學(xué)校為中心，設(shè)計評教環(huán)節(jié)和課程達成度評價環(huán)節(jié)，評估教學(xué)效果是否能夠達到工程教育專業(yè)認證所要求的學(xué)習(xí)成果。以企業(yè)為中心，設(shè)計企業(yè)技術(shù)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(yīng)用中需要加強和深入教學(xué)的知識點，達到真正學(xué)有所用。通過上述三個環(huán)節(jié)得到的反饋信息，設(shè)計一個教學(xué)改革反饋環(huán)，達成教學(xué)的持續(xù)改進和優(yōu)化目的。

圖4 階段考核報告

圖5 校內(nèi)外評價機制

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

表2 學(xué)生評價反饋情況統(tǒng)計表

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于知識鏈的自動控制原理課程教學(xué)改革，分別從課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)過程與考核過程重設(shè)計以及校內(nèi)外評價機制等四個方面進行了介紹。經(jīng)過改革后，學(xué)生對于自動控制原理課程的學(xué)習(xí)興趣得到顯著提高，也為學(xué)校自動化專業(yè)開展工程教育專業(yè)認證工作做出應(yīng)有的貢獻?！?/p>