基于在線開放資源的高校本科《控制工程基礎》總復習教學改革

梁宵 張慶新 王艷輝 陳俠 孟光磊

【摘要】《控制工程基礎》是以《自動控制原理》為核心，面向工程應用的高校基礎理論課。由于涉及理論較多，公式較為復雜，往往同學們的知識點容易發散。為了提高同學們發散性思維聯想能力，解決知識點孤立的問題，充分利用在線資源的課下自主學習時間，本文利用在線開放資源作為載體，進行了《控制工程基礎》課程的總復習與知識點串聯。通過各章的知識點串聯，使同學能夠更加深入的理解各方法之間聯系，更好地進行系統的分析與設計，借助網絡資源平臺使同學們的復習能夠有的放矢，自主地側重復習薄弱環節，激發學習的興趣，最終實現《控制工程基礎》教學內容改革措施的探索與邁進。

【關鍵詞】教學改革 高校 控制工程基礎 在線開放資源 知識點串聯

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）28-0219-02

近年來，關于應用型本科教學改革的理論研究與實踐探索呈逐年上升趨勢。在中國知網中，以“應用型”和“教學改革”或“課程體系”為關鍵詞，可以檢索到5000多篇研究論文，其中絕大部分為一線教師或管理工作者。這一方面是由于社會體制變化、科技迅猛發展，推動了教學改革。然而更重要的，是隨著改革投入的加大，物力和財力等條件已不再是面臨的主要問題，如何進行更深層次的改革，直接作用于一線教學，提高教學質量，擴展學生視野，培養學生分析問題和解決問題的能力，逐漸成為高校內涵式發展亟待解決的問題。

《控制工程基礎》是以《自動控制原理》為核心，以《高等數學》、《大學物理》和《電工及工業電子學》為基礎的面向工程應用的高校基礎理論課。通過該門課程的學習，能夠提高同學從數學的角度進行系統分析與設計的能力，并結合后續專業課程使其具備一定的解決工程實際問題的能力，具有承上啟下的重要作用。

一、從實踐和考核反饋發現中發現教學改革問題

這門課程可以拆分成：控制、工程和基礎三個方面理解。控制，指的是以數學為工具系統性的分析系統性能完成系統設計；工程，指的是通過教學學習，學生能夠具備一定的工程經驗，并要求教師在教學過程中生動的結合實際案例；基礎，指的是該門課程講授的仍然是經典控制理論，并可以根據實際情況對特定問題進行深化、拓展。

經過近幾年的考試試卷分析，發現往往許多同學側重于單獨知識點的理解與做題，在宏觀把握系統性能與分析設計上存在欠缺。尤其是同學考研的過程中，反饋回來的信息是：許多學校的考研專業課考試題型更為豐富，特別注重不同分析方法之間的聯系。而許多同學對于課程的理解，還停留在不同章節的獨立思維當中。

這與自動控制學科的特點有關。的確，由于分析方法的豐富，導致同學們進行系統分析時無所適從，并且許多控制學科領域的教科書均是按照不同的分析方法劃分章節的。這極容易導致學生在思考問題時眼界狹窄、孤立求解，不利于同學的發散性思維和創新能力的培養。

二、借鑒一流高校/專業教育經驗的改革方向

放眼國內外一流高校的自動控制課程，比如麻省理工學院、哥倫比亞大學、國內的清華大學與東北大學，其在系統分析與設計部分均合理的利用了各種分析方法的優勢，并通過對同一系統的分析實現了各種方法的比較與聯系，使得同學們的知識結構得到優化，記憶更為深刻。

其中，麻省理工學院的最新課件里，將控制學科緊密聯系了其航空航天優勢，出現了緊貼專業特色和實際問題的解決等方面內容，較強的鍛煉了同學系統分析能力。并且，其公開課在國際上非常知名，許多慕名前來的學子都曾通過網絡學習了該公開課程，使得麻省理工學院在課程的信息化建設上遠遠走在了前面。而近幾年，東北大學、北京航空航天大學和浙江大學等控制學科較強的國內高校，其考研題型也出現了不少變化，出現了許多習題或歷年真題沒有的綜合類題型。反觀部分高校現階段講授的控制課程，該部分的內容在教材上只占據了短短的不到10頁篇幅，這就很難實現學生綜合分析系統能力的鍛煉，也與最初課程設置的目的相背。

三、針對綜合能力考察的總復習教學內容改革

針對總復習與知識點串聯的教學改革實施起來較為方便，是在現有教學環節基礎上的改進，位于課程全部講授完畢后的總復習環節。主要側重各章節的知識點提煉，并且注重系統綜合分析與綜合設計，結合關鍵習題精講，使同學深入理解各章節的內在聯系，學會從不同角度分析解決問題，鍛煉發散性思維。主要包括以下幾部分的調整：

（1）深入理解教學大綱要求，緊密結合現有學科方向的發展趨勢

教學大綱是學科專業的教學綱要，深入理解大綱要求的目的是更加明確學生的培養方向，思考如何結合當今專業的發展趨勢，使教學大綱更具時代氣息和活力。充分研究國內外知名高校的教學案例，以及學科發展的前沿方向和熱點問題，吸取成功經驗，體會其中的細微差別與用意，為后續的知識點提煉與串聯打下堅實基礎。

為各知識點準備結合前沿科學方向與學生專業相近的生動案例，便于學生擴展知識面以及為課后自主閱讀提供參考。針對現有的教學內容存在綜合性分析設計薄弱的問題，參考麻省理工學院、哥倫比亞大學、清華大學與東北大學的優秀教案和課件，吸取其中的成功經驗，消化知識點的講解方式，避免與課堂教學重復。

（2）知識樹總結與課后習題精講

根據教學大綱的整理并結合國內外優秀課程的消化理解，整理出本課程的知識結構樹，指出各知識點存在的潛在聯系，并輔以習題精講進行鞏固，實現知識的聯想記憶，打破孤立解題的思維，深化教學成果。

課后習題的選擇也尤為關鍵，書中的習題部分已經作為作業，學生能夠獨立完成，這就需要挖掘其他優秀學校的教材和課后習題輔導書，目的是尋找能夠補充完善課堂教學，并鞏固和深化學生知識理解的新例題，特別是能夠綜合考察系統分析與系統設計能力的例題，使學生能夠在解題過程中，體會知識點的內在聯系，意識到自己的薄弱環節，然后有的放矢的去獨立自學。

（3）基于知識點串聯的期末總復習

許多自動控制學科的教材安排順序基本為：系統模型、系統分析、系統設計。其中系統分析的方法按順序為：時域分析法、根軌跡法、頻域分析法。這種方式也是非常經典的授課方式，那么在總復習時，從章節安排的角度出發引起同學思考：為什么是這樣的順序？可不可以改變這樣的順序？

從系統的分析和設計角度出發，一個系統的穩定性是最重要的，其次根據不同系統要求，是快速性和準確性。那么能不能按照這樣的思路進行復習？而這樣復習以后，現有章節的知識點會發生怎樣的改變？這種改變隱含著知識點怎樣的聯系？以這個思路為方向進行復習，不僅能夠發散學生的思維，鞏固現有的知識，還能夠綜合提高學生系統分析與設計的能力。幾個關鍵知識點聯系舉例如下：

從字面來看，時域分析和頻域分析應該是一對，為什么根軌跡法好似很突兀的出現在中間進行講解，這里可以從穩定性分析、動態系統分析的角度進行解釋。

在最重要的穩定性分析方面，時域分析采用了勞斯判據、根軌跡使用了左半平面、奈氏圖采用了奈氏判據、波特圖采用了相位裕量和幅值裕量。

在系統性能分析方面，同一個二階系統的時域階躍響應曲線和根軌跡的圖像存在聯系，而在奈氏圖和波特圖中，思考這種聯系是怎樣表現的。

波特圖和奈氏圖是課程的重要知識點，可以從這兩種圖進行系統分析時存在的優勢入手，介紹他們之間是如何聯系的。雖然是兩種方法，只是各自看問題的出發角度不同，而實際達到的結果是一樣的。

四、輔以在線開放資源的教學方法與手段改革

21世紀是網絡信息化時代，學生的生活水平和學校的教學工具越發豐富。目前許多課程的教學手段在原始教案和多媒體的基礎上，增添了微信點名和課堂測驗、教學網站以及教學視頻共享等。學生除了基本具備智能手機和筆記本電腦等移動上網能力。因此，在期末總復習與知識點串聯時，輔以在線開放資源的教學方法與手段，彌補了現有同一化教育的弊端，實現差異化教學。

在線資源平臺是復習方式的綜合呈現，搭建簡潔易用的在線資源平臺，方便學生操作與知識歸納。同時，在線資源平臺也是實現學習差異化的重要載體，因此如何能夠讓學生直觀的掌握知識脈絡，并能夠有的放矢的攻破各自的薄弱環節，就要在最初階段考慮好資源平臺的開放性和交互性。并且為了在線資源還能夠根據學生反饋進行方便地補充和更新，需要設計合理的平臺結構，明確各功能模塊劃分，在線資源平臺的總體結構如圖1所示。

在線資源平臺的結構設計需要充分考慮學生使用的易用性，方便同學進行知識點的學習與鞏固，因此采用知識樹的方式進行呈現，學生進入頁面首先映入眼簾的便是統籌全書的知識樹。但知識樹只顯示主要知識脈絡，并不包含細節知識點，通過對感興趣的知識點進行點擊，便可以對該知識點展開，這種設計簡潔直觀，符合差異化教學的設計。

通過點擊鼠標右鍵便彈出選擇菜單，可以選擇知識點介紹或者選擇習題精講，這種操作方式能夠很好的對功能模塊進行封裝，使系統保證模塊化設計，便于后續的更新與維護，并且方便教師根據學生反饋進行在線開放資源的補充和更新。

五、結論

綜上所述，傳統的《控制工程基礎》總復習形式已經不能滿足現階段教學實際需求，對其進行教學改革是學科和專業發展的必然要求。針對學生知識點把握不準確，系統分析與設計能力不足的問題，充分利用在線學習優勢，全面調整期末總復習的教學方向、教學內容、方法與手段等方面，打破原始分章節的孤立知識點弊端。通過各章的主要知識點串聯，提高學生對于系統分析的理解，以及從不同角度解決問題的能力。而開放的在線資源平臺，使學生能夠自主地利用課余時間，實現差異化教學，綜合提高學生的學習效率與學習水平。