自動控制理論課程的教學模式淺談

李敏

摘要：本文從教學目的、教學內容選擇、教學內容次序安排、教學方法的設計和教學輔助手段等方面談自動控制理論課程的教學模式，如何順應學生的認知規律和邏輯思維習慣是建立教學模式的根本出發點。

關鍵詞：認知規律；邏輯思維習慣；主線式教學；案例式教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0167-02

自動控制理論是電氣工程及其自動化、機械設計制造及其自動化以及相近專業的骨干專業必修課或選修課，是控制理論學科的首要基礎理論課。這門課程具有抽象性、邏輯性、理論性強、內容多等特點，尤其與數學知識聯系密切。它為后期的電力拖動自動控制系統、電力電子技術、運動控制，伺服控制等專業課打下堅實的理論基礎。課程結束后，學生除了零星記得幾個概念，會做幾個題目以外，對這門課程缺乏一個系統的整體認識，更不知道學習這個課程有何意義。雖然課程的系統性、典型案例和研究意義，每個授課教師都會強調，但是教學效果卻不理想。究其原因，傳統教學模式與學生接受能力和接受習慣不對應，我們關注教師如何去教，卻忽視了學生如何學這個問題。在杜威的“反傳統”教學模式及國內同行探討教學模式的綜合熏陶下[1-4]，所在教研團隊多年的教學體會和實踐使我們深刻認識到在安排課程的教學模式時要充分考慮學生的認知心理學和學習的邏輯思維習慣。本文圍繞學生“如何學”作為教學模式研究的出發點，探討自動控制理論的教學模式

一、明確教學目的

傳統的教學目的是把盡可能多的學科知識傳授給學生。課堂是滿堂灌，大多數教材的編寫也是把盡可能多的知識點和知識框架呈現給讀者。在教學中，筆者發現教材沒必要寫得煩瑣，課堂上也沒必要講那么多，只需把這個方法講透徹了，總結的工作留給學生。學生覺得主線清晰，自己去做總結，很有成就感。

就自動控制理論學科而言，教師需要把學科的基本概念，基本原理和解決問題的思路方法傳授給學生，過多的知識點探討對于初次接觸控制理論學科的學生是不合時宜的。

每一門課程都有自己的特點，或是算法，或是技術，或是理論方法。自動控制理論作為控制理論的入門學科，重要的是方法的引導，一切教學方式都以學生是否系統地掌握了被控對象的控制方法為目的。圍繞這個目的，學生自然會對概念、分析被控對象所用的工具（原理）和控制器的設計原理感興趣，我們也就按照思維習慣層層逼近地把基本的知識點呈現給他們。

二、教學內容的選擇

明確了課程教學的目的，我們也就知道了如何對教學內容進行選擇。對于自動控制理論而言，不同專業學時雖然不一樣，但是對這門課程的要求是一樣的，掌握控制被控對象的方法。我們可以根據學時多少來決定所介紹方法的多少和內容的深淺，但至少保證一種理論方法的完整介紹。需要強調的是，我們介紹原理是為方法服務的，過多的原理探討影響學生對主體內容的把握。

三、教學內容次序的安排

教師講授一門課程的目的和學生學習一門課的目的應該是一致的。《自動控制理論》是一門控制理論，它研究被控對象的建模、分析和設計，要求學生熟練掌握控制方法。為了完成這個目的，我們主要介紹三種方法：時域法，頻域法和根軌跡法，實際對應被控對象的三種不同數學模型。傳統教學是按照教材的章節來進行的，教材為了條理性是按照建模、分析和設計分開來書寫的，但是學生的邏輯思維能力是無法在初步接觸一本課程時，就能層層剝繭從中分離出解決問題所需要的知識體系的。我們的教學決不能囿于教材，我們要按照學生能夠輕松接受的思維邏輯順序來安排教學內容順序。自動控制理論適合按照三種數學模型分別講解對應的分析和設計的理論方法。教學順序要依次解決學生的認知疑惑，符合學生的邏輯思維習慣。

四、教學方法的設計

我們期望學生能把握這個學科的“魚主骨”脈絡，唯有如此，學生才能系統地掌握這個控制方法。既然希望學生掌握“魚主骨”，那么我們就按照魚主骨的方式進行講授，這是符合學生接受新事物的思維習慣的。眾所周知，長期的熏陶遠勝短時間的灌輸，我們系統地去傳授這個方法，學生才可能系統地掌握它。我們都有一種體會，剛接觸一個新鮮事物時，我們不能把握它的細節，但是喜歡從宏觀角度上去認識它，然后再去攻克它的細節。

傳統教學一般采用章節式教學，優勢是知識體系較為完整，我們所傳授的每個知識點都是面面俱到的，導致了學生失去了探索的興趣。并且大而全也容易將主線湮沒了。每一章結束處的舉例教學缺點在于為了和當前一章的知識點對應，所談到的應用一般是支離破碎的，這嚴重影響了學生的全局意識。

我們采用主線式教學和案例教學交互方式開展教學，收到良好效果。

主線式教學是以簡單案例引入研究對象，給出其中一類數學模型對應的建模過程，其次給出分析問題時所使用的方法及其所涉及的理論原理，最后討論設計時所采用的原理和相應的步驟等。主線式教學易使學生從宏觀角度看待問題，抓住解決問題的本質，然后再去攻克小問題的處理方式。

每一種控制理論方法都采用主線式教學。每一種控制理論方法的綜合應用采用一個復雜的融合了主要知識框架的案例教學。案例教學的優勢是密切聯系實際，了解問題的工程背景，從實際問題中找到模型的對應模塊，是一個從工程背景資料中學會抽象建模的過程，確定任務目標，然后運用系統分析的原理進行分析，最后運用校正設計的原理進行設計，并做仿真或實驗進行驗證。

主線式教學和案例教學從課堂上實現了理論與實踐的初步結合。兩種方法是相鋪相成的。例如，在頻域法的案例教學中會時域性能指標，這時需要回到主線把時域和頻域的聯系補充完畢，才能把案例問題解決。總之，教學方法的采用與思維發展順序密切相關，采取水到渠成的思路教學易被學生接受。

五、教學輔助手段

為了知識體系的系統性和簡潔性，在主線式教學中必然要去除教材中部分內容。但是為了學科知識的完整性，還需要學生去了解或者掌握，這些內容在有限學時內是無法完成的。例如，時域分析法這一部分，典型研究對象是二階的，對于三階被控對象的分析和設計無法在課堂上完成。為了完成這部分內容的教學目標，設計思考問題和作業引導學生課下完成自學。國外大學課后作業需要學生自學，查閱大量資料，才能完成，也是這個原因。

為了提升學生對三種控制控制方法的掌握程度，設計一個綜合的課程設計專題，包括仿真和電路實驗，考察學生靈活運用三種控制方法的能力以及是否能夠區分它們的聯系和不同。

六、考核方式

本文提到的教學模式有利于學生從全局把握學科，但是深入學科的程度靠學生課下完成。為了提高學生自主學習積極性，平時成績所占比例大大提高，占到60%，包括平時作業成績占20%，課堂表現成績占20%，課程設計成績占20%。

綜上所述，本文所探討的教學模式對應了一句諺語“師父領進門，修行在個人”。根據筆者多年的個人科研經歷和教學體會，深刻認識到，每個學科進門是不容易的，需要花大量時間才能把握這門學科的思想和方法，現在我們的大學教學就是應該把脈絡清晰的“魚主骨”呈現給學生，如何進入各個通道的方法傳授給他們。自動控制理論作為一個基礎學科，首先應該做一個通識教育，激發他們的鉆研斗志，為后期的控制理論課程打下了堅實的方法論基礎。

參考文獻：

[1]朱虹，王棟，邢楠.論工科大學專業課的引導式教學模式的探索[J].教育教學論壇，2016，（2）：151-152.

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[3]楊颯.“自動控制原理”課程的任務驅動教學模式探索[J].廣東第二師范學院學報，（2013），33（3）：49-52.

[4]姚鳳麒.《自動控制原理》教學模式探索與實踐[J].實驗科學與技術，2014，12（3）：159-160.