應用型本科機器人工程專業自動控制原理課程教學改革探索

常瑩瑩，張玉鳳，徐彤，林園園

（江蘇師范大學科文學院，江蘇徐州 221000）

智能機器人不僅擁有很好的環境感知力，而且還有邏輯思維、判斷及決策能力，可按要求獨立完成特定的工作。近些年，隨著人工智能、大數據及物聯網等科技的發展，機器人產業發展十分迅速，前景廣闊，機器人工程專業應運而生。該專業是典型的市場需求驅動、多學科高度交叉的專業，涉及控制、信息、計算機、人工智能、人類學及機械等多個領域[1]。目前，機器人工程專業在我國尚處于起步階段，其相關課程大多是參照傳統相關專業設置，缺乏創新性。因此，為提高教學質量，該專業相關教師在講授專業課時需要更新教學方法。

自動控制原理是講述控制系統分析和設計方法的課程，是機器人工程、自動化及電氣工程等專業的核心課程[2]。但因該課程本身具有強理論、偏抽象的特點[3]，在教學過程中，教師如采用傳統的教學方式，會使學生失去對該課程學習的興趣，影響教學質量和效果，因此，如何更有效地開展課程教學顯得尤為重要。筆者通過查閱大量文獻資料及根據實際教學經驗發現，將思維導圖應用于自動控制課程的教學中，可以極大提高學生的學習興趣，活躍課堂氛圍。

1 自動控制原理課程知識體系

自動控制原理課程知識體系如圖1 所示，通常包括一般概念、數學模型、系統分析和系統設計4 個部分，知識點聯系緊密[4]。一般概念主要需要學生了解自動控制系統的構成、原理等，在此基礎上，學生還要掌握系統數學模型的方法，因為只有在數學模型的基礎上才能更好地對系統的各項性能進行分析。系統分析部分也是該課程的重點，主要包括3種分析方法：時域法、根軌跡法和頻率法，旨在分析系統穩、快、準3 個性能指標。系統設計主要是指給系統加入校正環節，使其性能指標滿足工作要求。總體上，該課程需要學生在較少的課時內系統地掌握系統的建模、性能分析和綜合校正方法[5]。

圖1 自動控制原理課程知識體系

2 思維導圖的作用

思維導圖是一種借助圖像、顏色、關鍵詞、曲線等把黑白枯燥的文字轉化成有趣的圖形的方式，能夠輔助記憶，鍛煉思維能力，啟發創造力，并培養邏輯能力，有效地促進學生主動學習。在繪制思維導圖的時候，需要對一個主題下的各分支對象進行適當精簡，避免過多的陳述；需要對所學課程知識有一定的內化吸收，抓住核心要點，是一個主動學習的過程。因此，思維導圖最主要的作用是對知識進行提煉，輔助主動學習。

自動控制原理課程傳統授課方式多是教師講述大量的理論和公式，課堂上學生和教師間的互動較少[6]，學生在課堂上沒有真正理解所講授內容，對重難點知識的理解仍存在困難[7]，出現學生覺得難學、教師覺得難講的現象。為解決該問題，教師可以將思維導圖應用于自動控制原理課程教學，利用思維導圖的優勢，在課前、課中和課后為教學活動的開展提供輔助。

3 思維導圖在教學中的應用

3.1 思維導圖助力課前教學設計

好的教學設計是教學成功的一半，合理的教學設計能使教育過程更有條理。相比自動化、電氣工程等專業，機器人工程專業課程體系中自動控制原理課程課時占比有所減少，因此，在該課程教學中合理的教學設計十分重要。教師可在教學設計環節中借助思維導圖標出各章節的主題、講授內容及提問內容等，在每個子標題下標出關鍵字，最后參照知識點間的邏輯結構，將子標題串聯為知識系統，提高備課效果[8]。

圖2 是以自動控制原理課程中控制系統的數學模型為例，設計的課堂教學思維導圖。一張圖即可把整章內容串聯起來[10]：課堂的引入及思考；控制系統的四種數學模型描述——微分方程、傳遞函數、系統框圖、信號流圖，也按照講解順序分別用序號標出；針對本章的重要知識點，如電氣網絡傳遞函數、系統框圖等效變換及mason 公式的應用，星號標出；另外也重點列出了本章的兩個思政點。其就像一張“思維地圖”一張，可以對教師的備課起到“思維導航”的效果。

圖2 控制系統的數學模型課堂教學設計思維導圖

3.2 思維導圖助力課中教學

在實際教學過程中，為提高講解過程的層次感及條理性，教師可將教學設計環節所用思維導圖進一步豐富成圖3 所示的知識體系思維導圖。為了進一步激發學生的學習興趣，吸引學生注意力，可以在思維導圖中增加一些多媒體元素，如聲音、圖形、圖像等[9]。另外，教師也可以采用循序漸進的方式，在課程前期直接將思維導圖展示給學生，到后期則采用分組討論的形式對本小節課或者本章內容進行思維導圖的繪制。采取分組合作繪制思維導圖的方式能讓學生知道如何學習、思維、總結，主動參與學習活動，更好地吸取所學的知識。同時，借助思維導圖，學生能從不同角度發現問題、提出問題并解決問題，真正達到學中研、研中學的目的，也可以激發學生的競爭與合作意識，有效地促進學生認知、合作以及人際交往等方面能力的提升。

圖3 控制系統的數學模型知識體系思維導圖

圖4 為控制系統的時域響應概略思維導圖。教師將主要框架繪制好之后，剩下的細節部分可以讓學生以分組討論的方式完善，并抽取每組代表講述繪制思路，教師及時點評，引導學生實現優勢互補，激發學生繼續學習繪制思維導圖的興趣。待學生基本掌握了思維導圖的繪制要領之后，可以由每位學生單獨繪制，這樣一方面可以提高學生上課積極性，另一方面可使學生在獨自繪制思維導圖的時候更容易發現知識點，更清楚地掌握本節或者本章的重難點知識。

圖4 控制系統的時域響應概略思維導圖

3.3 思維導圖助力課后復習總結

思維導圖在階段性復習及備考階段也能夠起一定的促進作用[11]。學生可以利用課堂上已經繪制好的思維導圖，尤其是小組討論或者個人繪制出的思維導圖進行復習，思維導圖上對于各章節知識重難點的標注簡單明了，既可以幫助學生加強對課程知識的掌握，也可以極大地減輕學生的考試壓力，并且思維導圖方便學生隨時回顧每個章節的內容，提高復習效率。

4 結束語

綜上所述，自動控制原理課程是機器人工程專業的必修課[12]。通過本文所述方法，將思維導圖應用于自動控制原理教學的全過程，采用邊講邊練和自學相結合的教學方式[13]，不僅使教師能夠以主動、有趣的方式呈現知識，減輕了備課壓力，也可以讓學生積極參與課堂教學過程，留給學生思考的空間，促進學生主動學習，幫助學生形成正確有效的學習方法。思維導圖體系性強，有助于學生將各章的知識點融會貫通，幫助學生更扎實地掌握課程內容，為以后的學習奠定堅實的基礎[14]。