案例教學法在自動控制原理課程中的應用探討

李歡

《自動控制原理》是電氣機械類與信息類等專業的一門基礎課，其內容枯燥且復雜，同時涉及若干個科目的知識內容，于是，學生在學習這門課程的過程中，不易理解相關知識，且興趣也不高。為了更好地處理此類問題，調動學生的積極性，提高教學效率與質量，就需在課程中滲透案例教學法。本文首先介紹了課程概念與特點，通過案例與實際聯系不密切、多媒體應用缺乏、考核機制與教學方法不統一等方面分析了課程教學存在的問題，最后從案例教學實際化、劃分教學階段、優化實驗教學內容、教學實施成效等方面探究了運用策略。

一、課程簡介

（一）課程分析

《自動控制原理》是電氣機械類與信息類等專業的一門基礎課。通過課程的學習能夠強化學生對知識點的有效理解，培養學生對控制系統設計與分斷能力，提升學生的知識運用能力，同時有助于創建實際結合理論的觀點、培養學生的分析能力、鍛煉學生的思維辯證能力。這門課程是我院自動化專業的核心基礎課程，是體現這一專業內涵的先導課程，有利于促進后續相關專業課學習的開展。同時這門課程也是模糊控制、神經網絡控制以及最優控制等課程的先修基礎課程，其學習效果極大地影響了控制理論后續課程的有效學習。課程的大多數思想和方法被廣泛運用到工程實踐中，對工程實踐擁有關鍵的指導作用。學生是否可以掌握理論知識，提升獲取與運用知識的能力是評價這門課程教學品質的核心指標。

（二）基本特點

作為密切結合工程實際、具有一定理論深度的專業課程，《自動控制原理》課程擁有以下特征：第一，課程內容比較抽象、章節銜接緊密與理論性強。這門課程在數學表達的前提下，需利用有關圖形表示、數學表達來對其開展分析，并且每種圖表分析、數學表達方法都擁有對應的理論基礎，于是這門課程擁有大量的抽象概念、一定的理論深度，第二，這門課程前后章節的理論基礎知識銜接比較緊密，前面章節的學習效率極大地影響了后續章節的學習，于是學生在學習時容易出現脫節，第三，自動控制系統作為這門課程的核心研究對象，其密切結合工程實際，使得這門課程的學習內容抽象于工程實際，使得這門課程的學習、講授方法不同于其他理論基礎課程。

二、課程教學存在的問題

（一）案例與實際聯系不密切

《自動控制原理》教學中的核心案例取自于有關教材，這類案例更新慢與數量少，其對理論知識體系的建立發揮了重要的作用，與實際結合不密切，不易與學生之間形成良好的互動。還有部分案例取自于任課老師專門搜集的案例，密切結合教學過程，然而由于每位任課老師的實踐經驗、工程經歷以及掌握的素材有所區別，教學成效不同。于是，需創建標準、規范的案例化模式，編寫可分享的、易讀的、統一的案例資源庫，以更好地滿足自動化人才的相關培養要求。

（二）多媒體應用缺乏

《自動控制原理》課程需要進一步講授很多概念、原理，創建相關數學模型，開展計算、推演，需要準確的判斷力、高度的注意力。于是，單一化的多媒體課程文件，無法充分滿足這門課程的教學需求。老師一定要強化引導意識，與學生開展深入地交流，指導學生有效開展操作。

（三）考核機制與教學方法不統一

如今，將案例教學融入以前的教學方法中，也還是以學生聽、教師講為主，學生的接受程度不高，學習主動性不足，無法將案例教學法的核心優勢凸顯出來。如何借助案例教學法加強學生對理論基礎知識的有效理解，充分鞏固重難點，以理論知識進一步輔助學生掌握工程問題是案例教學研究的基本目標之一。除此之外，由于培養目標、教學方法有所區別，創建合適的考核方式也很有必要。

三、運用策略

（一）案例教學實際化

《自動控制原理》課程是模糊控制、神經網絡控制以及最優控制等課程的先修基礎課程，其學習效果極大地影響了控制理論后續課程的有效學習。課程的大多數思想和方法被廣泛運用到工程實踐中，對工程實踐擁有關鍵的指導作用。為了更好地強化學生對這門課程的理解，提升學生的積極性，強化課程教學效率，老師就需在《自動控制原理》課程中廣泛運用案例教學法。這門課程擁有較高的理論化程度，學困生由于自身的理解能力十分有限，于是無法達到最大化的教學成效。按照實際課程，有效滲透案例教學法，實現教學方式與方法的全面創新，對以前的課程傳授思維進行轉變。針對案例教學法來說，其經過將經典案例充分展示出來，向學生傳授專業知識。將學生分成若干個小組，共同分析問題的應對策略。使用案例教學法，能夠生動展現抽象化的理論概念，進而深入理解以及鞏固課程內容。

（二）劃分教學階段

1.第一階段

作為課程第一課，緒論有利于指導學生的學習，而在《自動控制原理》這門課程中，借助緒論充分激發學生的學習興趣很關鍵。于是，在緒論課堂中，老師可以借助多媒體將自動控制系統的相關運用渠道展示出來，利用實際案例向學生講解這門課程的學習意義，同時明確指出如今發展存在的問題，將學生的探索興趣全面激發出來。除此之外，緒論課上還需詳細介紹后續課程中經常使用的模型，如機床主軸、機械系統、RLC電路網絡、汽車力學模型等實例，為分析以及推導后續課程打下堅實的基礎。

2.第二階段

這一環節是對系統數學模型進行控制的教學工作。教學內容解說結束，學生在小組內部開展討論，例如：讓學生創建起相應的汽車力學模型。如何分析汽車行駛在路面上，輪胎受到影響而形成激勵源，如何區分輸入參數和輸出參數，將汽車作為彈簧阻尼系統，而彈簧就是輪胎的垂直受力，通過分析創建數學模型。除了力學模型外，我們熟悉的還有電路模型的建立，例如：RLC無源網絡，如何快速地分清電路中各元件的關系，是直接關系還是間接關系，是否需要引入中間變量？如何能將基爾霍夫定律用在各變量的關系中，通過這些分析，逐一寫出變量表達式，最終得到數學模型。類似這樣的例子還很多，實際生活中的液壓系統、機械彈簧阻尼系統等，如果能將現實模型進一步轉化成數學模型，將有助于函數模型系統的有效創建。

3.第三階段

這一環節是實際結合理論，重點學習誤差、穩定性分析等知識，有利于加強學生分析控制系統的綜合能力。比如，在對PID控制器進行設計的過程中，PID控制器的原理及其操作比較簡單、方便，有助于學生以后的就業。在教學實踐中，老師輸入相關數據模型，科學驗證微因子、比例因子以及積分因子對系統平穩性的相關影響。經過舉出PID控制器的相關案例，推動學生思維意識的形成，經過分析控制模型，更好地增長學生的能力和知識。

4.第四階段

這一環節是開展實驗。通過以上階段的教學，學生對自動控制系統的主要概念與理念有一個大體掌握。在這一環節實施案例教學，重點是對學生的學習狀態進行有效驗證，進行演練操作，深入完善系統理論。此時，老師能夠采取兩個案例不斷優化課程知識結構。案例一，船舶的舵機控制系統。這一系統重點采取機液伺服控制系統，順利構成位置閉環控制系統。其中，機液伺服控制系統進一步采取機械反饋，結構簡單。這一系統通常未安裝校正裝置，系統的開環與阻尼增益很小。在分析這一案例的過程中，需先詳細介紹系統組成，按照相關方框圖，將傳遞函數全面詮釋出來。案例二，冷軋鋼帶卷曲恒張力控制裝置。在全面學習冷軋鋼板的過程中，需對收放卷恒張力進行控制。通常來說，控制裝置有若干種選擇，需優先選擇適宜的控制裝置。學生根據實際功率選擇相關張力控制裝置，進行實操學習。在舉例的過程中，老師應事先對液壓伺服閥的相關傳遞函數進行說明，并且開展簡單的解釋。學生借助小組合作的優勢，成功繪制出相關方框圖，寫出系統以及各環節的傳遞函數。老師對學生的計算結果進行檢查，在第一時間指出問題，推動學生采取相關判斷依據，更好地探究系統動態的綜合品質。

（三）完善實驗教學內容

在案例教學法的運用基礎上，將學校情況有機結合進來，將課程實驗向課程設計轉化。在設計課程中，為每一位同學分配相關控制任務與參數，讓學生發揮自身的無限想象力，對一套控制系統進行設計以及安裝。課程設計順利完成之后，老師在課上詳細講解一些學生的成果案例，利用頭腦風暴法探尋系統的優化策略。在教學過程中，以學生的相關設計成果為案例，不但強化了學生的了解程度，還促使他們更好地理解優化控制系統。

（四）教學實施預期成效

案例教學法的推廣有利于極大地提高學生的知識掌握以及運用程度、學習興趣。除此之外，在課程設計過程中，能夠增加學生的動手操作能力，使得控制電路擁有一定的設計創新性，同時在總結優化步驟中，學生可以主動思考，及時發現以及更改設計系統中產生的問題。而講授式教學模式下的學生一般通過更改書本案例來設計控制系統，創新性嚴重不足，同時也不能準確識別出系統中的問題。于是，在《自動控制原理》這門課程中有機滲透案例教學法是值得廣泛推廣以及使用的。

四、結語

本文首先介紹了課程概念以及特點，然后從案例與實際聯系不密切、多媒體應用缺乏、考核機制與教學方法不統一等方面分析了課程教學存在的問題，最后從案例教學實際化、劃分教學階段、優化實驗教學內容、教學實施成效等方面探究了運用策略，希望可以讓越來越多的人深刻了解到，將案例教學法融入《自動控制原理》這門課程中，不但可以讓學生愈發生動與直觀地了解到自動化控制原理的概念知識點、核心作用，充分激發學生的學習興趣，而且可以擴展學生的應用能力，為未來在工作實踐中處理現實問題進一步提供了有力的依據、豐富的經驗。因此，在未來的教學工作中，我們更需要全面分析以及應用案例教學，使案例法在教學實踐中獲得有效的運用。

（作者單位：西安科技大學高新學院；基金項目：西安科技大學高新學院校級教改“自動控制原理課程模塊化建設”[項目編號：X20230110]。）