新能源自動控制理論課程新教學模式探討*

摘" 要" 針對新能源自動控制理論課程現(xiàn)狀及存在的問題，結合專業(yè)特點，以強化基礎理論、提高教學效率、注重能力培養(yǎng)為目的，從教學內(nèi)容、教學方法、考核方式等方面進行深入研究，探索課程的新教學模式并應用于教學實踐中。

關鍵詞" 自動控制理論；新能源科學與工程；微視頻

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0094-04

0" 引言

在科學和工程發(fā)展中，自動控制技術發(fā)揮著極其重要的作用。自動控制理論是自動控制技術的基礎理論，是新能源科學與工程專業(yè)的一門必修課程。通過本課程的學習，使學生掌握用系統(tǒng)的觀點分析問題和解決問題的方法，了解用物理方法對工業(yè)對象進行數(shù)學抽象的一般規(guī)律，理解描述對象特性的基本概念，掌握不同類型對象特性的分析方法，具備初步的系統(tǒng)分析和設計能力，從而使學生思考問題和解決問題的能力得到系統(tǒng)培養(yǎng)，為學生從事相關專業(yè)的工程技術工作及研究工作奠定基礎。

針對自動控制理論課程，自動化專業(yè)的教師已經(jīng)開展大量教學研究及實踐工作[1-2]。然而，對于開設該課程的新能源科學與工程專業(yè)的學生來說，由于缺乏自動化相關的專業(yè)知識背景，加上課時安排有限，并不適合采用和自動化專業(yè)相同的教學模式。因此，在新能源科學與工程專業(yè)的教學過程中，教師需要結合專業(yè)特點和要求，因材施教，探索新型教學模式。

1" 課程現(xiàn)狀分析[3]

1）自動控制理論課程理論性較強，涉及的知識

面較廣，在學習該課程之前，學生需要具備數(shù)學、電路、信號和系統(tǒng)等知識基礎。然而，對于新能源科學與工程專業(yè)的學生來說，除了先修過高等數(shù)學、線性代數(shù)外，在積分變換、復變函數(shù)、電路、信號和系統(tǒng)等知識方面，往往很缺乏甚至沒有學習過，這些因素在客觀上造成學生基礎知識薄弱，較難理解和掌握該課程內(nèi)容。因此，在學習過程中，學生提不起興趣，積極性較差。

2）自動控制理論知識點眾多，難度較大，學生需要有充足的學時系統(tǒng)地學習相關的知識。然而，對于新能源科學與工程專業(yè)，該課程僅有32個學時，又沒有輔助的實驗學時，這就意味著教師需要在有限的學時內(nèi)完成自動控制理論的授課任務。要想收到理想的教學效果，就必須根據(jù)本專業(yè)的特點，對教學內(nèi)容進行優(yōu)化。如何做到突出重點，該精簡哪些內(nèi)容又不影響自動控制理論知識體系的完整性和系統(tǒng)性，是教師面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。此外，如何改進教學方法，借助網(wǎng)絡等先進的技術手段提高教學效率，也是筆者不斷思考和實踐的一個問題。

3）傳統(tǒng)的自動控制理論課程主要面向自動化及其相關專業(yè)，課程中的實例分析也主要出自這些領域。然而，在新能源科學與工程專業(yè)講授該課程時，如果仍然采用這些實例進行分析，會造成教學內(nèi)容與專業(yè)背景脫節(jié)，學生難以理解。因此，如何有機結合專業(yè)背景實例加深學生的認知，是教師面臨的另一個問題。

2" 教學內(nèi)容的補充和優(yōu)化

2.1" 基礎知識的補充

如上所述，新能源科學與工程專業(yè)的學生缺乏自動控制理論課程所需的數(shù)學、電路、信號及系統(tǒng)等基礎知識，因此，為了保證該課程的順利和有效開展，授課教師必須在教學過程中補充相關的基礎知識。采用何種方式補充，才能做到既不占用太多授課學時，又能有效解決學生基礎知識薄弱所帶來的問題呢？經(jīng)過研究，針對不同的基礎知識，采用兩種補充方式：一是在授課前學生自學；二是在講解控制理論知識點時，將相關基礎知識有機地融合進去。

如在教學傳遞函數(shù)這一知識點時，要用到拉普拉斯變換，對于這部分內(nèi)容，采用學生自學的方式。教師提前給學生相關資料，安排學生在規(guī)定時間內(nèi)學習，之后通過思考題考查學生掌握情況。實踐證明：學生完全有能力通過自學的方式補充這部分基礎知識，而且，由于掌握了拉氏變換，學生在學習傳遞函數(shù)時，學習效率和質量都有明顯提高。

對于頻域分析法這部分內(nèi)容，學生缺乏復變函數(shù)知識，由于這一基礎知識自學難度較大，因此采用一邊講解控制理論知識一邊將復變函數(shù)基礎知識有機融合進去的方法。通過這種方式，學生充分體會到復變函數(shù)知識的引入對于解決頻域分析問題的必要性和作用，在聽課過程中積極思考，能夠更加專注地學習補充的知識，因而也能更有效地吸收和掌握相關的控制理論知識。

經(jīng)過這種實踐探討，筆者反思：在教學過程中，一旦發(fā)現(xiàn)教學效果不佳，授課教師要主動和學生進行交流，并且積極地思考其中的原因，只有找到問題的癥結所在，并采用有效的改進方式，才能提高學生的興趣，改善教學效果。

2.2" 教學內(nèi)容的優(yōu)化

針對自動控制理論課程內(nèi)容多、學時少的矛盾，結合新能源科學與工程專業(yè)的特點，進行教學內(nèi)容優(yōu)化，重點安排自動控制理論的概念、原理、方法以及實用性強的內(nèi)容。調(diào)整后的教學內(nèi)容主要包括：“第一章：緒論”，介紹自動控制的發(fā)展史和自動控制的基本概念；“第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學模型”，主要介紹時域的數(shù)學模型——微分方程以及復數(shù)域的數(shù)學模型——傳遞函數(shù)，并結合這兩種模型介紹建立數(shù)學模型的方法；“第三章：時域分析法”，主要介紹利用時域分析法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能；“第四章：根軌跡分析法”，主要介紹根軌跡的基本概念、繪制根軌跡的基本方法以及利用根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能；“第五章：頻域分析法”，主要介紹頻率特性的基本概念，用于分析系統(tǒng)相對穩(wěn)定性和開環(huán)頻域指標的伯德圖，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特圖；“第六章：系統(tǒng)的校正方法”，主要介紹常用校正裝置及其特性，并以串聯(lián)校正為主，介紹控制系統(tǒng)的校正設計方法。

確定了教學內(nèi)容后，在具體的教學過程中遵循的原則為：1）強調(diào)對基本概念、原理及分析方法的理解，相關的推導和計算則作為輔助；2）強調(diào)理論聯(lián)系實際的重要性。針對專業(yè)特點，安排與本專業(yè)相符合的控制系統(tǒng)實例分析，使學生能更好地理解各知識點及其實際應用。

3" 教學方法的改進

3.1" 采用MATLAB/Simulink仿真實驗演示

針對新能源科學與工程專業(yè)自動控制理論課程沒有實驗學時的問題，引入MATLAB/Simulink仿真實驗演示。這種教學方式，對學生深入理解自動控制理論的基本概念和原理，掌握分析問題的基本方法起到很好的促進作用。新能源科學與工程專業(yè)的學生在電路、信號和系統(tǒng)等方面的知識比較缺乏，采用傳統(tǒng)的基于電阻、電容、電感及運算放大器等電路元件的自動控制仿真實驗平臺并不適用。因此，在教學過程中，以風力發(fā)電等新能源領域的典型自動控制系統(tǒng)為例，基于MATLAB/Simulink仿真軟件分別對系統(tǒng)建立模型，進行穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性的分析，以及校正裝置的設計演示。在此過程中，與學生進行充分互動，學生的積極性很高，課堂氣氛十分活躍，不僅能夠比較輕松地掌握相關的控制理論知識，而且對于學習仿真技術很感興趣。

鼓勵學生以小組為單位合作，對課堂演示的仿真實驗例子進行復現(xiàn)，許多學生在課后自學MATLAB/Simu-link仿真軟件，并應用在后續(xù)的畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)，收到很好的效果。

3.2" 采用微視頻輔助教學

微視頻，顧名思義，就是一種微型視頻，把用電腦或手機錄制好的幾分鐘的視頻發(fā)布到網(wǎng)上，就可以使學生隨時隨地學習。在自動控制理論的授課過程中，針對不同的環(huán)節(jié)，采用微視頻來輔助教學。為了使課堂教學更加高效，利用微視頻幫助學生進行自學或預習，如拉普拉斯變換、根軌跡繪制的基本法則、典型環(huán)節(jié)的頻率特性等內(nèi)容；對于課堂上的重點、難點，利用微視頻進行總結，讓學生課后重溫重難點內(nèi)容；為了方便學生復習，利用微視頻講解習題，學生可以反復觀看。實踐證明，將微視頻與課堂教學相結合的教學方式，不僅節(jié)省了課上時間，而且極大地方便了學生，有力地促進了課堂教學的進行。

3.3" 采用啟發(fā)式教學

為了進一步解決自動控制理論課程難度大，學生被動接受的問題，針對不同的教學內(nèi)容，通過設置一些帶有啟發(fā)性的問題，引導學生主動思考，積極參與；或者采用思維導圖方式，啟發(fā)學生理解和掌握所學內(nèi)容。如在分析伯德圖時提出“為什么不采用線性分度，而要采用對數(shù)分度”的問題[4-5]，學生經(jīng)過積極地思考，通過對線性分度和對數(shù)分度的分析比較，最終給出正確的答案，也對伯德圖的繪制有了更深的認識和理解。

筆者發(fā)現(xiàn)，對于一些重要的、學生易于出現(xiàn)問題的知識點，在講授之前提出帶有啟發(fā)性的問題，不僅可以引起學生的重視，而且能夠帶領學生深入思考，收到較好的教學效果。如在介紹時域分析法時，為了更加清晰地展示該方法分析問題的思路，采用思維導圖，如圖1所示。通過這張圖，學生可以一目了然地認識時域分析法主要通過時間響應函數(shù)c（t）分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。具體的分析思路有兩種：一種是通過微分方程這一數(shù)學模型求解得到c（t），另一種是通過傳遞函數(shù)這一數(shù)學模型求得c（t）。而這兩種分析方法是相通的，傳遞函數(shù)的極點也就是微分方程的特征根，直接決定了時間響應函數(shù)c（t）的特性。

雖然只是一張簡單的圖，對于學生學習時域分析法卻起到很好的指導作用。在此基礎上，學生按照思維導圖的指引，結合所學的控制理論知識，進一步分析具體的控制系統(tǒng)的性能。由于思路清晰，學生不僅自主學習的積極性很高，而且對問題的分析也很到位。課堂反饋的效果充分說明了思維導圖所起的作用。

3.4" 采用課上教師講授與課下學生自主學習相結合的方式

針對不同的課程內(nèi)容，采用教師課堂講授與學生課下自主學習相結合的方式。課堂教學主要講授自動控制理論中的重點、難點，采用PPT與板書相結合的教學方式，而一些比較直觀、簡單的內(nèi)容留給學生課下自主學習，教師提供微視頻、有聲PPT等資源幫助學生學習，通過在線測試、思考題等方式考查學生對知識的掌握程度。自主學習內(nèi)容主要有：“第一章：緒論”中的自動控制系統(tǒng)的性能要求；“第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學模型”中的結構圖的等效變換；“第三章：時域分析法”中的一階系統(tǒng)分析；“第四章：根軌跡分析法”中的繪制根軌跡圖的基本法則；“第五章：頻域分析法”中的典型環(huán)節(jié)的頻率特性；“第六章：系統(tǒng)校正方法”中的校正方式。這種課上課下相結合的教學方式，不僅解決了學時不足的問題，而且鍛煉了學生自主學習的能力，提高了知識傳授和知識內(nèi)化的質量與效率。

4" 考核方式改革

恰當?shù)目己朔绞绞谴龠M學生鞏固所學知識、考查知識掌握程度的必要環(huán)節(jié)，也是檢驗教師教學效果、提高教學質量的重要途徑。自動控制理論課程知識點眾多，單純采用期末考試的方式，往往會出現(xiàn)“平時不學，期末突擊”的情況，不能全面體現(xiàn)學生整個學習過程的效果。為此，本課程采用靈活多樣的考核形式，既緊扣教學大綱，注重考核學生對基本理論的掌握程度，又注意考查學生利用所學知識分析、解決問題的能力和創(chuàng)新能力。

制定平時考核和期末考核相結合的方式。平時考核包括課堂表現(xiàn)、單元作業(yè)、平時測試、大作業(yè)等部分。通過這些考核形式，完善課程的過程性考核環(huán)節(jié)，使平時成績具有更高的含金量。如在“第六章：系統(tǒng)校正方法”教學完成后，布置校正裝置設計方面的大作業(yè)，讓學生在兩周內(nèi)完成。學生既可以借助MATLAB/Simulink軟件，也可以采用手工計算分析的方法，最后通過大作業(yè)匯報設計過程和結果，分析遇到的問題，提出相應的解決措施。教師根據(jù)學生大作業(yè)中的設計情況、分析解決問題的情況給出成績。靈活多樣的考核形式推動了課程形成性評價和終結性評價方式的有機結合，充分調(diào)動了學生的主動性和創(chuàng)造性。

5" 結束語

通過補充和優(yōu)化教學內(nèi)容，改進教學方法，改革考核方式，新能源科學與工程專業(yè)的自動控制理論課程改革在實踐中取得一定的成效，體現(xiàn)如下：

1）新的教學內(nèi)容補充了學生的知識短板，突出了重點，更符合該課程在本專業(yè)應用過程中的特點和要求；

2）多種教學方法的有機結合提高了教學效率，促進了學生對知識的理解和掌握；

3）靈活多樣的考核方式有利于全方位考查教師的教學效果和學生的學習效果。

筆者在實踐中發(fā)現(xiàn)一些問題：

1）部分學生仍然習慣于教師的課堂教授，課下自主學習效果不理想，還需要多方努力，提高自主學習能力和積極性；

2）每一屆學生對于各知識點的掌握程度是變化的，需要教師用開放、發(fā)展的態(tài)度對待，動態(tài)調(diào)整實施方案。

綜上所述，自動控制理論課程在今后的教學過程中需要不斷總結實踐經(jīng)驗，持續(xù)進行改革。

參考文獻

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[2]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，29（6）：91-93.

[3] 王翔宇.跨專業(yè)“自動控制原理”課程教學模式新探[J].電氣電子教學學報，2018，40（2）：11-13，49.

[4] 胡壽松.自動控制原理[M].6版.北京：科學出版社，2013：182-183.

[5] 孟慶明.自動控制原理[M].3版.北京：高等教育出版社，2019.

*項目來源：內(nèi)蒙古工業(yè)大學教改項目“新能源控制理論課程新教學模式探討”（項目編號：2021217）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學2020年度“校級優(yōu)秀教學團隊”建設項目。

作者：施永紅，內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，副教授，研究方向為燃燒和污染控制技術、新能源利用技術；賈彥，內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，教授，研究方向為新能源利用技術；云峰，內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，講師，研究方向為能源利用及污染控制技術（010051）。