基于自動控制原理的教學創新改革探索

李曉杰，董 暉，王一光

（桂林理工大學 廣西 桂林 541004）

自動控制原理課程是控制類專業的核心專業基礎課程，其知識體系的掌握程度直接影響學生對后續專業課程的學習。通過對控制理論的學習，學生可以提高對自動化專業的認知水平，整體提升專業能力，同時能培養科學嚴謹的學習態度，以及解決實際問題的能力[1]。近年來，許多工程領域對自動化專業的教育質量提出了更高的要求，對具有創新能力的新時代自動控制領域人才要求越來越高。自動控制原理這門課程的教學效果直接影響本行業創新型人才的培養。但是由于自動控制原理的知識量大、知識點難度較高且較為抽象，致使該課程的授課難度很大。教師在規定的授課學時內完成這門課程的教學任務，保證學生系統地掌握這門課程的知識，并能夠將所學知識應用于實際工程中，是目前教學的難題。目前，各高校的教學都因理論與實踐結合不夠緊密、研究與教學銜接不足、教學內容新穎度、深度以及廣度不足等原因出現授課效果不佳的問題。為了解決以上問題，有必要探索新的教育方法和課程改革，使學生更好地應對實際工程應用中面臨的挑戰[2]。

1 課程特點及教學問題

自動控制理論具有直觀的工程背景，綜合性強，是農業、工業、航空、軍事以及社會科學等各個領域控制方面的理論依據，是現代控制工程領域重要的理論基礎。并且實際的工程應用對自動化相關的專業人員要求較高，這使得人們更加強調課程改革和教學方法的重要性，以更好地滿足行業的需求。自動控制原理課程特點可以歸納為以下三個方面：

①自動控制理論涉及數學、電子信息工程等多個學科領域的知識，包括微積分、復變函數理論、電力電子技術等多個課程的知識內容，課程涉及控制系統的建模、分析、設計，要求學生具備比較扎實的數學和物理等方面的知識，并能夠對其加以靈活運用。因此，自動控制原理這門課程對學生的專業素養要求較高，不僅考驗學生的專業知識儲備，同時學生還需要具備較強的分析和解決問題的能力。

②自動控制原理的理論知識相對較為抽象，同時各個知識點之間存在著較為密切的關聯，學生需要花費較多的時間和精力，才能夠深入理解基本概念和原理，掌握控制系統的各種評價指標[3]。

③自動控制理論的問題解決思路是利用可測量的信息將具體的物理系統轉化為定量抽象的數學分析，以滿足實際控制目標為需求，進行系統控制的整體設計。其核心控制思想體現了信息論、系統論、控制論的綜合方法，要求學生了解信息論的基本概念和方法，掌握信號處理和控制系統中的信息傳遞、存儲和處理方法[4]。

根據以上自動控制原理課程的特點分析，自動控制原理涉及多種知識、理論內容豐富、要求學生具備解決實際問題的能力，導致該課程的教學任務重，教學目標實現難度大，實際教學活動中普遍存在一些問題[5]。首先，該課程涉及知識面較廣、知識點理論性強，講授過程中通常存在理論與實際聯系不夠緊密的情況。雖然部分章節的例題與實際系統相關，但系統分析、校正、設計等部分的內容講解與實際聯系較少，缺少實際系統控制案例，使得學生難以將理論知識與實際應用相結合，從而不能充分理解理論知識并融入實際系統應用中。另外，由于課程教學時長限制，課堂上無法將控制理論中的每個知識點都詳細講解，教師在課堂上與學生互動交流的時間有限，無法對每個學生的難點一一解答，知識量大，授課時長不能滿足教學需要，知識點講授不夠詳細，導致學生對知識點的理解不到位，嚴重影響教學效果。

通過以上分析，教師若采用傳統的教學方法來對自動控制原理這一門課程進行教學必然不能有效地提高學生學習的效率。教學方法不適當會為課程的教學帶來各種問題，使教學時間緊張，教學內容冗雜，教學知識點難以理解，達不到理想的教學效果。這些問題可能會導致學生缺乏必要的技能和知識來有效地將控制理論應用于實際。因此，為了應對這些挑戰，本文提出自動控制原理教學創新改革方法，提出理論課程教學、實驗課程教學和總體評價方式三方面的具體改革措施，強調了教學內容安排的合理性和系統性的重要性，旨在促進學生的學習積極性，強化學生解決實際問題的能力，培養適應新時代發展的人才。

2 課程教學改革

2.1 理論課程教學改革

首先，根據自動控制原理課程的整體知識架構，優化教學任務，系統合理地安排理論教學內容。在具體的教學當中，教師需要對自動控制原理的教學內容做出系統安排，以此來突出自動控制原理課程的特點，避免與其他專業課程的授課內容重復。自動控制原理主要是從時域、復域、頻域對系統進行分析和設計，因此，為了提高課程的系統性，應從縱向將自動控制原理的知識點進行關聯。也就是把時域法、復域法和頻域法的系統分析知識內容進行系統講述，使學生能夠理解控制方法的內涵，形成整體系統的知識框架。另外，系統建模是系統分析的前提，系統分析與設計相互影響，因此在具體教學當中，強調系統建模的重要性，突出系統分析與設計過程，讓學生系統理解每部分所學知識在自動控制原理中的作用。并且根據學生個人能力分層次教學，保證基本知識點透徹地講解，將復雜的推導過程放到線上教學或課后答疑的過程中，通過線上教學或答疑等環節針對學生提出的問題進行解答。這樣既能節約課堂時間，可以更詳細地對重點內容進行強化講解，還可以滿足水平較高學生的知識需求。在理論分析上，自動控制原理需要更加注重工程的定義、工程的物理意義和工程的實際應用，因此需要對這一方面的內容做出詳細的闡述。在對學生的培養上，需要積極培養學生的系統思維方式和系統創新能力。教師可以通過實際案例的分析和實驗教學等方式，讓學生更深刻地理解知識點，并與實際系統產生聯系，提高學生解決實際問題的能力。這方面需要教師進行大量的資料查詢，以滿足課堂實例教學的需求。課堂中，教師拋出實際問題，以解決問題為目標，讓學生帶著問題去學習，更主動地思考和探索，可以極大程度地改善學生被動的思維方式，提高其辯證思維和創新能力。

其次，通過對理論教學方法的創新，提升學生的學習興趣，增強教學效果。深刻理解學生為教學主體，教師引導啟發教學模式的含義，積極采用各種教學手段激發學生對課程內容的興趣和學習積極性，引導學生積極思考，鍛煉學生發現問題、解決問題的能力。通過啟發式教學方法，鼓勵學生之間討論問題，查找相關資料，自主尋找解決問題的思路和方法，這樣不僅可以讓學生掌握基本的知識點，并且擴大了學生的知識量，也是對已學知識的鞏固和應用練習。教學方案的制訂，要從學生的角度出發，考慮學生的接受能力和接受程度，找到難點的突破口，才能有效提高學生的自主學習能力、綜合分析能力和解決問題能力。當前網絡信息發達，多媒體教學手段成熟，教師可充分利用網絡了解學生的學習情況和反饋，以便及時調整教學方法和教學內容，滿足學生的學習需求，提高教學效果。同時，教師應鼓勵學生一起完成課后的設計與作業，互相交流彼此的學習經驗與學習問題，培養學生的團隊合作能力和溝通能力，從而讓學生對自動控制理論有更全面的理解。

最后，利用信息化教學方式提高教學效果。教師板書講解的教學方式適用于自動控制原理中多數方程和傳遞函數的推導，但對于系統分析與設計以及根軌跡、頻域伯德圖等內容的教學，傳統教學方式往往讓學生感到內容抽象，無法深刻理解教學內容，不清楚所學理論知識在實際工程中的實踐應用。因此，對教學方式進行信息化改革，將信息化課程教學方式和傳統授課方式相結合，將信息化作為一種工具融合到自動控制原理課程的教學中，能更高效準確地教授知識內容，有效激發學生的學習興趣，為課堂提供活力，提高課堂效率。此外，在教學過程中利用具有先進計算和系統仿真功能的軟件，完成系統模型建立、分析和設計的講解過程，可以更直觀、更形象、更生動、更透徹地讓學生感受到所學知識的運用方法，更好地理解知識內容。通過信息化教學方式不僅便于學生理解和掌握自動控制原理中的重難點，也可以引導學生在平臺上驗證自己的分析結果，完善學生知識體系的構建，激發其學習積極性。通過對教學方式進行信息化改革，使得學生更容易理解自動控制原理的知識內容，提高學生的學習效率和學習興趣，同時實現課堂效率和教學效果的提升。

2.2 實驗課程教學改革

實驗教學是自動控制原理課程中非常重要的一環，它不僅能夠有效驗證理論教學的效果，還可以鍛煉學生的動手能力，增加學生的實際操作經驗，為學生綜合素質的提高奠定堅實基礎，對于培養學生將理論知識應用于解決實際問題的能力至關重要。因此，在教學過程中，還要強調將自動控制原理理論課程學習與實驗環節相結合，通過驗證性實驗的開展讓學生對自動控制原理相關基本理論知識的理解更加深入，達到鍛煉學生的實際動手操作能力的目的，加深學生對基礎知識的理解。同時，實驗教學要充分體現開放性，給學生足夠的獨立思考和創新空間，結合課程重點和難點，在基礎實驗內容之上再額外增加一些綜合實驗內容。基礎實驗內容能夠加強學生對理論知識點的理解，使學生把課堂教學中的內容與實際實驗內容相結合，而綜合實驗內容能夠鍛煉學生系統模型建立、系統結構分析、系統結構和參數設計能力，使學生具有全面解決實際控制問題的能力。另外，除了教師的指導和培養，學校還要提高實驗室經費的投入，提供足夠的實驗設備，滿足每個學生都能進行獨立實驗的需要，并重視實驗設備的維修保養，保證設備正常運行，減少實驗設備故障對學生實驗的影響，讓實驗課程可以更好地完成。同時，學校還應該注重實驗室環境的建設和管理，保證實驗室的安全和衛生，為學生提供一個良好的實驗教學環境。

2.3 總體評價方式改革

自動控制原理課程是一門重要的專業課，而考核方式多以卷面考試為主，這種考核方式難以全面評估學生的工程創新能力，也很難僅僅通過卷面考核成績判斷學生對相關概念的理解和控制應用理論的掌握程度。為此，一種更全面的考核方式是采用多種考核形式相結合的總體評價方式，該評價方式采取閉卷筆試成績、實驗成績、課前預習情況、課堂出勤率、課堂參與度及作業成績等多種考核結合的形式。將實驗考勤、動手能力、創新能力和實驗報告等內容納入總體評價方式中進行綜合評定，從而提高實踐環節在成績中的占比，來激發學生學習探索的主動性，提高學生的綜合學習能力，以及培養學生科技創新的意識。

3 結論

本文針對自動控制原理課程教學問題進行了深入分析，提出了針對理論課程教學、實驗課程教學和總體評價方式三個方面的創新改革措施，以提升學生的學習主動性和積極性、提高學生創新能力和解決實際問題的能力。只有在教學過程中不斷學習教育理論，深入落實創新改革教學模式和教學方法，才能提高自動控制原理課程教學質量。爭取通過自動控制原理課程的教學，為社會培養出更多專業素質優秀、工程實踐能力突出、創新設計能力領先的合格人才。