以多種手段為導向的教學方法的實踐及探討

林青 裘潯雋 張君 王金平 丁軻軻

摘要：本文根據筆者的教學實踐，結合自動化專業的《自動測量技術》和《自動控制原理》兩門課程，總結探討以多種手段為導向的教學方法，以具體實例說明了如何引導學生的思路進入要學習的課程內容，從而提高教學效果。

關鍵詞：導向；教學方法；自動控制原理；自動測量技術

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）24-0167-02

大學工科課程內容很多比較抽象，對學生來說往往難于理解。教材一般都是對各個知識點所涉及的定義定理的解釋、推導、計算、論述，教學內容如果僅按照教材的章、節、條，平鋪直敘按部就班地展開，按照常規從定義定理出發進行教學，學生在學習中往往不知定義定理所涉及的問題如何產生，對所學知識感到茫然。在學生眼中，專業課程往往成了枯燥的定義、定理與繁瑣的數學運算的堆砌。這種情形下，就需要教師對教學內容進行合理的設計，采用一定的手段引出問題，引導學生的思路進入將要學習的課程內容，引導學生如何將理論運用于實際，如何解決實際問題。具體采用什么手段需要根據講授的教學內容而定。本文根據筆者的教學實踐，結合自動化專業的《自動測量技術》和《自動控制原理》課程，總結探討以多種手段為導向的教學方法。

一、以相關理論的發展歷史為導向

《自動控制原理》課程是很多專業學生的一門必修課，以教材第二章自控系統數學模型的建立為例。對于剛學習自控基本概念的學生，教學中如果直接通過計算題推導講解如何用微分方程描述自控系統，學生會感到茫然，不理解自控原理課程上怎么又做起微分方程的應用題。課堂上，筆者告訴學生從自動控制原理的發展歷史來看，人類從發明第一個自控系統即瓦特發明的蒸汽機調速系統，到懂得要研究提高自控系統性能必須首先建立系統的微分方程，這個過程經歷了一百年。從而肯定學生產生這種茫然的感受是有道理的，首先解除學生心理上的疑慮，然后介紹相應的歷史背景如下：

歷史上瓦特發明了蒸汽機，極大地推動了技術進步并拉開了第一次工業革命的序幕，但很少有人知道瓦特還是蒸汽機調速器的發明人。蒸汽機運行時只有保持轉速的穩定才能保證產品的質量，可實際中由于受到外界的各種擾動，蒸汽機轉速往往會發生較大的波動甚至最后不能穩定下來。為解決這個問題，當時不少人從多方面對調速器進行了改進，比如改變調速器的結構、材料、制造工藝、離心擺的體積等，但都無法解決這個問題，這種探索持續了大約一百年之久。

1864年，英國科學家麥克斯韋根據圖紙制作了一個瓦特蒸汽機調速器，經過四年的研究探索，第一次指出，蒸汽機的轉速能否克服外界擾動最后穩定下來，不單獨取決于調速器，而是需要將調速器跟蒸汽機作為一個整體，建立相應的微分方程來研究其轉速的穩定性問題。他還指出，從系統的微分方程就能判斷出轉速是否能最后穩定，調節系統穩定性取決于其微分方程對應的特征根的實部，若能保證特征根實部為負值，系統轉速就能穩定。

麥克斯韋據此發表了著名論文《論調速器》，這篇論文被公認為自動控制理論的開端。課堂上介紹到此，激發起學生興趣的同時，也將他們的思路引導到如何用微分方程來描述一個自動控制系統。

《自動控制原理》很多重要的知識點都有相應的歷史背景，比如，關于判斷穩定性，1874年，勞斯（Routh）提出了用簡單的數學方法判別微分方程特征根實部為負的方法，即勞斯穩定判據，該判據至今仍廣泛應用；關于如何設計調節器，1922年，美國的Minorsky在對船舶自動導航的研究中，提出了一個設計方法，其研究成果是現在廣泛應用的PID調節器的前身；……。通過相關問題歷史背景的展示，充分歸納利用歷史資料，提出問題，引導學生弄清相關概念的來龍去脈，體驗到知識的形成與應用過程，了解其中蘊含的思想方法。

二、以相關科學家發明創造的小故事為導向

“負反饋”是自動控制和電子技術課程中的一個常用概念，關于反饋的概念及應用實例，有這樣的一個史料：

第一次世界大戰之后，電子管放大器的產生，使長距離的電話通訊成為可能。但是隨著距離增加，電信號能量損耗加大，需要更多的放大器來彌補能量損耗，可是電子管的微小非線性所產生的失真必隨著放大器增多而上升。為解決這一問題，在美國貝爾實驗室工作的Harold S.Black提出了使用負反饋放大器的方案來減小失真。Black是如何想到負反饋放大器這個方案的呢？他在《負反饋放大器的發明》一文中寫到：“1927年8月21日早晨，上班途中，當我正要在拉卡瓦拉渡口渡河時，負反饋放大器的念頭如閃電般出現在我的腦際。五十多年來，我始終在思索為什么以及如何會有這個念頭出現。時至今日，我對此問題的解釋仍和那個早晨所能做的解釋一樣：在對放大器問題進行了幾年艱苦的研究之后，我突然意識到，如果將放大器輸出倒相反饋到輸入端使裝置避免振蕩，就能得到我想要的消除輸出失真的方法。于是我打開晨報，在《紐約時報》的一頁上畫下了負反饋放大器的一個簡單但規范的草圖，寫下了描述反饋放大過程的方程，并草草地簽上名。20分鐘后。我到了實驗室，現已故的Earl C.Blessing看到并讀懂了草圖，然后也簽了名。……”這份《紐約時報》已成為一件珍貴的文物珍藏在AT&T;的檔案館中。

這樣的歷史資料很多，非常生動，讓學生感到知識是有溫度的，使學生更容易進入所要講授的內容。

三、以學生已有的理論知識為導向

學生在學習專業課時，已完成了基礎課程比如大學物理等的學習，通過已有的概念和基礎知識為導向，啟發討論，引入相關新的教學內容。

《自動測量技術》課程主要學習溫度、壓力、流量、液位等參數的測量原理，課程的特點或難點之一是涉及的基礎課程較多，但這也正好是啟發學生如何將理論知識應用于工程實際的一個契機，可以訓練學生的思考能力。

比如該課程中的霍爾壓力傳感器，涉及到的基礎知識是《大學物理》中學習的霍爾效應，可以采用以下途徑啟發學生思考，根據公式EH=KHIBcosθ（式中EH：霍爾電動勢；I：輸入電流；B：磁感應強度；θ：B與霍爾元件法線的夾角；KH：霍爾系數），討論可以利用霍爾效應這一物理現象來測哪些物理量，解決這個問題有多種思維方式。教學中，筆者采用這樣的思路，EH是I、B、θ三個量的函數，當其中任何兩個量保持不變，那么，就可以根據EH的大小來確定另一個量的值，比如保持I、θ不變，則EH=f（B），可得到測量磁場強度的高斯計；保持I、B不變，則EH=f（θ），引出角位移測量儀，等等。那么如何利用霍爾效應來做成壓力變送器呢？進行下一步的分析便水到渠成了。

四、以解決工程中的實際問題為導向

學習《自動測量技術》中熱電偶溫度計的中間溫度和中間導體定律時，可以這樣引導學生，前面學習中推導出只要熱電偶的冷端溫度保持不變，就可根據熱電偶回路中熱電勢大小來得出熱端溫度，但是，第一是在實際中，熱電偶冷端溫度不可能保持不變，第二是要得到熱電偶回路中熱電勢的大小，回路中必須接入測量表計，那么測量表計的接入，會影響熱電勢的大小嗎？接下來就順理成章地引入中間溫度和中間導體定律的學習內容。

五、以增強學生感性認識的手段為導向

增強學生感性認識的手段很多，比如利用多媒體教學手段，通過播放一些與教學內容有關的視頻或者圖片等；也可帶學生參觀實驗室或者利用學生下廠實習的機會給學生講解。

六、結束語

教師根據課程內容的特點，采取不同的教學方法，通過不同手段引導學生進入相應的教學內容，可以使學生容易理解課程內容；培養學生對學科的興趣，能欣賞并感受學科的魅力；培養并發展學生的思維能力。當然，要很好地達到上述目的，需要教師的精心設計，教師對于教學內容知識的掌握情況在很大程度上決定了相應的教學效果。

參考文獻：

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