《自動控制原理》課程改革探索

張薇 張虹

摘? 要：自動控制原理是理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，能夠幫助分析和改善控制系統(tǒng)性能，或是根據(jù)性能要求設(shè)計系統(tǒng)。課程需要在時域、復(fù)數(shù)域和頻域分析，包含大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)，單純講解理論基礎(chǔ)知識，不利于學(xué)生的理解和吸收。如果和工程實(shí)踐相結(jié)合，不僅能夠引起學(xué)生興趣，而且有助于學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。與此同時，課程組考慮引入慕課，提高學(xué)習(xí)者獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)能力，同時強(qiáng)化學(xué)生對于重難點(diǎn)問題的再理解。

關(guān)鍵詞：自動控制原理? 工程實(shí)踐? 慕課

1? 自動控制理論發(fā)展歷程

自動控制原理是電氣專業(yè)和自動化專業(yè)入門級的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在自動控制類專業(yè)占據(jù)著十分重要的地位，對工程實(shí)踐具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用[1，2]。其發(fā)展至今，經(jīng)歷了3個發(fā)展歷程。第一個發(fā)展歷程是20世紀(jì)30～50年代，是以傳遞函數(shù)為經(jīng)典控制理論，經(jīng)典控制理論研究的是單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計。到20世紀(jì)50年代末，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的發(fā)展，迫切需要有一種理論能夠解決多輸入多輸出、參數(shù)時變系統(tǒng)的分析與設(shè)計。由此，以狀態(tài)空間為主要分析工具的現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。直到20世紀(jì)70年代，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法的發(fā)展，自動控制理論進(jìn)入了第三個發(fā)展階段，到達(dá)智能控制階段。雖然自動控制歷經(jīng)了3個發(fā)展階段，得到了快速發(fā)展。但是處于第一個發(fā)展階段的經(jīng)典控制理論仍然是自動控制理論研究的基礎(chǔ)和核心，也是自動控制原理課程的主體。

2? 課程研究體系

自動控制原理旨在培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)的分析能力，控制系統(tǒng)性能包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能[3]。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠分析給定控制系統(tǒng)的性能，并且分析系統(tǒng)性能與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有怎樣的關(guān)系。另外，當(dāng)系統(tǒng)性能不滿足要求時，如何根據(jù)所學(xué)知識矯正或設(shè)計系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，課程分別從時域、復(fù)數(shù)域和頻域3個角度展開，從不同角度分析系統(tǒng)快、穩(wěn)、準(zhǔn)三大性能[4，5]。目前，大部分高效所采用的教學(xué)模式仍然是以板書為主的基礎(chǔ)理論教學(xué)模式，這種教學(xué)模式把理論研究和工程實(shí)踐分開，致使學(xué)生理解理論知識困難，雖然在課程中加入了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加入電路和模電放電電路知識，前期知識掌握程度一般的學(xué)生不能很好地把理論知識應(yīng)用進(jìn)去，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不能完全發(fā)揮其教學(xué)效果。

3? 強(qiáng)化工程實(shí)踐應(yīng)用

考慮到自動控制原理是一門具有一定深度和難度的課程，為了避免學(xué)生只是機(jī)械地記住了數(shù)學(xué)公式和結(jié)論定理，不會應(yīng)用所學(xué)的控制知識解決實(shí)際問題。考慮在理論教學(xué)平臺設(shè)計兩個基本模塊：基本原理模塊和工程實(shí)踐模塊。基本原理模塊復(fù)雜基本理論概念和結(jié)論推導(dǎo);工程實(shí)踐模塊負(fù)責(zé)針對教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)問題引入工程實(shí)例，加深學(xué)生理解，培養(yǎng)學(xué)生理論知識應(yīng)用的能力。

在授課的過程中，盡量將這兩個基本模塊相結(jié)合。基本原理模塊是工程應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，作為前期授課的重中之重。工程實(shí)踐模塊有助于基本原理模塊的再理解，提高學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)分析和應(yīng)用的能力。擬在控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)章節(jié)加入工程實(shí)際模塊。將電路和二階系統(tǒng)時域的動態(tài)性能分析相結(jié)合，設(shè)計一個由電阻、電容和電感組成的RLC串聯(lián)電路，在串聯(lián)電路兩段施加單位階躍電壓，考慮電容兩段的電壓如何變化？此電路可用二階微分方程描述，是典型的二階系統(tǒng)。通過二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)課程，讓學(xué)生獨(dú)立分析給定RLC串聯(lián)電路等伏電壓，系統(tǒng)電容兩段電壓將如何變化？系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為多少？如果想要提高電容充電速度，應(yīng)調(diào)整哪些原件（電阻、電容和電感）參數(shù)？這些提問是建立在學(xué)生已有自控基本理論知識的基礎(chǔ)上，并且與學(xué)生所學(xué)的電路知識相結(jié)合，能夠引起學(xué)生的興趣。提出問題后由教師輔助引導(dǎo)學(xué)生分析問題，讓學(xué)生自主尋找解決問題的方法。

4? “慕課”與課堂相結(jié)合

大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Course， MOOC）又稱為“慕課”，是由具有分享和協(xié)作精神的教育工作者發(fā)布于互聯(lián)網(wǎng)，具有開放性和透明性。具有系統(tǒng)的課程體系，明確的教學(xué)對象和教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)后半節(jié)課學(xué)生注意力不集中。研究表明人腦的注意力集中時間是有限的，在一個半小時的學(xué)習(xí)中，很難保證學(xué)生始終全神貫注，而重難點(diǎn)往往出現(xiàn)在中后期課堂上。另外，大部分學(xué)生有記筆記的習(xí)慣，有時教師在講授下一環(huán)節(jié)時，學(xué)生還停留在上一環(huán)節(jié)的筆記記錄中，這種現(xiàn)象在課堂中較為普遍。無論是“溜號”還是“筆記跟不上”現(xiàn)象，都影響了課堂的連貫性，容易遺漏重要知識點(diǎn)。通過校內(nèi)版網(wǎng)絡(luò)課程，學(xué)生可以課后回顧遺漏的知識點(diǎn)，一定程度上保證了課堂質(zhì)量。

另外，學(xué)習(xí)目標(biāo)相同的同學(xué)可以通過創(chuàng)建學(xué)習(xí)社區(qū)進(jìn)行交流，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。從教育模式角度，相比于以教師傳授知識點(diǎn)為主的傳統(tǒng)教育模式，“慕課”是一種通過網(wǎng)絡(luò)傳授知識的開放型教育模式。對于一門專業(yè)課，不同專業(yè)對知識點(diǎn)要求的側(cè)重點(diǎn)不同，教學(xué)大綱也不同，導(dǎo)致某些專業(yè)側(cè)重點(diǎn)偏弱的知識點(diǎn)學(xué)時安排有限。如果學(xué)生對于這一部分知識點(diǎn)比較感興趣，可選擇其他專業(yè)的在線開放課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。從被動聽課到主動學(xué)習(xí)的教育模式的轉(zhuǎn)變，正是在線網(wǎng)絡(luò)課程帶來的人才培養(yǎng)方式的深刻變比。

在線開放課程一個重要的特征是學(xué)習(xí)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化。其學(xué)習(xí)資源通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成和傳播，利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)工具實(shí)施教與學(xué)的活動。因此，在線開放課程的建設(shè)對教師在信息化技術(shù)方面的要求要高于課堂教學(xué)。在對該校學(xué)生提供的在線開放課程中，不僅包含國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)材料，還要并入本校骨干教師的網(wǎng)絡(luò)課程。教師可以借助國家級、省級精品課或者通過“慕課”技能培訓(xùn)，提升在線課程拍攝與制作等方面的信息化能力。一方面，學(xué)校可以開展“慕課”技能培訓(xùn)，有針對性地提高教師信息化教學(xué)技能。另一方面，學(xué)校可以以微課競賽為前提，通過競賽評獎評優(yōu)的方式，鼓勵教師積極參與。微課可以看作在線開放課程的一個視頻單元，一個完整系統(tǒng)的在線課程由一系列微課組成。通過微課競賽的方式，不但有助于教師信息化技術(shù)的提升，還可以直接推動校內(nèi)在線課程質(zhì)量。

5? 結(jié)語

自動控制原理是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。和單純推導(dǎo)公式得到結(jié)論相比，與工程實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能夠讓學(xué)生對自動控制有更直觀、更真實(shí)的感受。與此同時，引入慕課，將優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源與課堂相結(jié)合，學(xué)習(xí)者可以利用碎片化的時間自主地選擇教育資源，提高學(xué)習(xí)的自由性和主動性。在課程改革探索中，通過引入慕課以及將理論分析與電路或電力系統(tǒng)專業(yè)背景相結(jié)合，有助于學(xué)生探究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生解決工程實(shí)踐問題的能力。

參考文獻(xiàn)

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