自动控制原理课程教学改革浅议
摘要：自动控制原理课程是自动控制类专业的基础课,具有较强的理论性和抽象性，掌握起来有很大的难度，所以，要加强对该课程的教学改革。文章提出了教学模式、教学内容、教学方法等方面的许多改革措施，这些改革方案可以有效改善课堂教学，提高学生的学习兴趣和主体参与意识。
关键词：控制基本原理；课堂；教学
自动控制理论的蓬勃发展开始于二十世纪三十年代，但真正进入大学课堂却是在二十世纪五六十年代，它的诞生为高等学校带来了全新的生命力。自动控制原理课程的专业知识覆盖面广，教学内容多，应用性非常强，对于学习者形成系统和工程的思想有着非常重要的作用。目前，自动控制原理课程已成为自动控制类专业最主要的专业基础课之一，其内容涉及:手动体系的基础组织与构造、手动体系的特性指数以及手动体系的种类和特性、手动体系的分析方式(时域法、根轨迹法、频域法等)以及工程设计方法等。该课程的设立目的主要是为了训练学生的专业素质以及设计、分析系统问题的能力，在自动控制类专[2]业的课程体系中，占据非常关键的地位。自动控制原理课程对数学和自然科学的应用能力要求很高，通过该课程的学习，能够为日后处理实际工程问题打下重要的理论基础。在新型工科背景下，如果学校仍然采取以教师为主体的传统教学方法，那么将很难培养学生处理复杂工程问题的能力。专科类院校学生的动手能力相对较强，但基础知识薄弱。根据这类院校学生的实际状况，为培养学生学习的主动性，增强学生处理复杂实际问题的能力，在教学模式与教学手段等方面都必须作出改变。
1.课堂教学中存在的问题
⑴学生的综合知识能力相对薄弱。该教程主要涉及到了高中数学、复变函数、大学物理、集成电路等的基本知识，并涉及大量公式推导，学生在学习过程中往往感到内容简单乏味,无法很好地将知识融会贯通。⑵学生学习目标不明确。学习者往往很难认识到自动控制学科在工程实际中的潜在意义，只重视教材中简单公式化的习题，从而造成学生在实际学习过程中无法正确理解所学理论知识的实际应用。⑶配套教材的缺乏。目前，该课程的教材大都基础理论性较强，复变函数等基础数学领域的专业知识以及集成电路等基础知识较多，能够完全符合新工科特点的内容相对较少，教材中涉及处理复杂工程问题的介绍尤为稀少，基本上都是根据传统理论知识点设置。尽管任课教师采用了一些新颖方式开展课程，比如，在课程讲解过程中，把典型的炉温、液位高度及其调速系统等知识点穿插其中，帮助学生深入了解课程内容，从而训练学生独立分析问题并解决矛盾的能[3]力，但是，由于教材中并无这些知识点，教师只能讲解一些与之相关的较为简单的知识点，因此，很难训练学生独立处理复杂工程问题的能力。⑷教学方法简单、成效不理想。教师在教学中广泛运用了多媒体技术，形象展现了教学中的公式推理等内容，但教学中其他教学内容还是需要更为多样化的教学手段进行生动呈现，这样才能达到相应的教学效果，激发学生的学习兴趣。另外，由于考试方法陈旧传统，很难反映对学生创造力的训练效果，和新工科理念也不太吻合。⑸实践环节的创新程度不足。课程实验环节中没有实际研究对象，只在试验箱和模拟软件上进行现场模拟试验和演示性试验。而且，由于试验设施不够，很难适应新的工科专业课程规划要求。
2.教学改革
自动控制的原理课程的学习是自动化学习者从高中阶段到大学阶段认识事物的最关键的一次分水岭，学习者第一次被引导从“系统”而非“部件”的角度去认识事物，所以，课程与教学方法的选用就变得尤为重要。按照新课程目标，应逐步构建以学生为中心，老师进行引导的新型教学方式。任课教师通过设置当下热点控制问题，并指导学生自己发现问题，以充分调动学生积极参与研究的热情。老师在课堂中除了要有清晰的工作思路，仔细总结教学内容，用心搜集资源、案例、图片动画，把优质的多媒体导入课堂之外，还要重视教学内容和课堂技能改革。自动控制原理课程具有理论性、实用性、系统性强，涉猎面宽,概念抽象等特征，学生在初学起来一般觉得很麻烦，是教师应注意引导，激发学生的学习兴趣。工科学生喜欢逻辑性和连贯性较强的练习，在实际课堂教学中，不少学生往往会因为有一个知识点掌握不好而长时段停滞，甚至赶不上教学进程。这时，老师就一定要重视并能及时发现这个现象，通过有效沟通，指导学生跟上步伐。工科的大部分学科都需要通过预习与复习巩固，但现在的学生常常由于各种因素而做不到这点，这就对任课教师提出了更高的要求。老师们必须在教学中经常把前后知识点串联起来,要善于在学生的困难中找到问题实质，善于帮助学生从问题和困难中走过来，从而赢得学生的信赖，营造良好、高效的学习气氛。随着控制理论的发展和计算机的广泛应用，新型的控制方式和测控手段也越来越多，针对职业教育的特点，教师应打破按照知识体系教授课程的传统方式，突出职业能力培养，以学生将要从事的岗位所需的职业能力为目标，以岗位需求为导向，以岗位技能对应的职业资格标准为依据，充分进行校企合作，进行基于工作过程的课程开发与设计，既要保证职业岗位所需技能、相关知识、职业素质的需要，又要注重与后期专业课程内容的衔接；教师应以真实工作任务或产品为载体组织教学内容，在真实工作情景中采取项目导向、任务驱动、工学交替等教学模式。在教学过程中，教师应把古典控制理论和现代控制理论紧密结合在一起讲解，并着重介绍现代控制理论的基础和应用，提高讲授内容的系统性。只有在课堂教学过程中不断探索不同的教学模式，善于总结经验，并在教学实践中进行检验与提高，才能真正改善教学质量，培养出优秀的人才。另外，教师在课堂教学过程中应加强控制理念，减少过程推导，对控制系统的基本概念、原理、分析方法等进行重点讲解，注重培养学生将课程与学科实际相结合的能力。
2.1教学模式改革
运用超星学习通等网络平台，进行线上线下混合式教学。超星学习通平台相比其他互联网教学平台有许多优势：⑴搜索功能。海量的课程资源可以通过网页搜索一键搜索获得，其中包含了各种电子书、杂志、文章、报纸、专题、音频等，学习者可以按照自身对课堂内容的需要搜索自己所需要的资源；⑵数据同步。学习通与电脑远端网络教育平台学习数据同步，包含建课数据、课程数据分析、教学交互统计等；⑶社区功能。学习者采用账号方式实名注册，可以加入同校之间、跨校之间的网络社区,参与各种课程兴趣小组等。任课教师还可以自制浓缩教学精华的微课件，上传到学习通教学空间，便于学习者在课后观看，巩固课堂知识点。另外，教师还可以在超星学通平台制作引导研讨的微课程，通过编写研讨提纲与要求，让学生课后利用微课将研讨场景搭建出来，自主练习，提供研讨素材。实践教学中，任课教师总是耗费大量时间给学生讲述试验目的、试验机理、试验过程等，实际给学生的实操时间非常少。但是，通过利用学习通网络平台，教师可以直接把试验内容制成微课件或直接共享网络空间中的视频资料，让学生[4]在课下完成情境式预习。
2.2教学内容改革
自动控制原理课程是以介绍基本专业理论为目的，并进行了复杂的数理概念推导，学生很难抓住重点，不易理解。针对这些问题，可对教学内容进行适当改革。自控基本原理课程的核心主线是数据分析与系统化工程设计，根据这一核心教学主线，将课程细分为六大块:自控的基本概述、数学模型、控制系统解析、控制系统的工程设计、采样系统分析以及非线性系统分析。对于数据分析部分的讲解,教师可以引入多种数据分析手段；在讲解工程系统方案设计的环节中，通过以上分析方法，让学习者在整个学习过程中围绕“系统分析和设计”这一主线展开，举一反三，从而让学生对控制理论有更深刻的认识。在讲解每一章节时，以系统稳定性为主线，通过分析系统的稳定性，将主要知识点紧密连接在一起,并指导学生学会综合运用所学知识。在学生理解体系物理定义的基础上,通过导入优秀的教学手段，将Matlab软件的使用带入真人课堂，让学生深入理解Matlab在各个系统中的应用。具体做法如下。首先，从基本理论和范畴来看，淡化数学推导。例如，针对分析方式和校准方式，对以控制系统稳、速、准等为核心的性能指标加以剖析讲解,省略数学推导，只需让学生掌握该课程的逻辑性。其次，在讲解系统数学模型时，涉及到系统结构图的各种复杂变换，在讲解过程中简化为只讲解结构图的串联、并联和反馈,并且利用Matlab软件求解传递函数。由于Matlab仿真软件是一个功能很强大的软件,因此，在教学过程中会利用更多的课时讲解Matlab软件的使用。该软件在自动控制原理这门课中有着举足轻重的作用，此外，学生用好这个软件对于以后的科研工作也会有很大的帮助。这一教学过程中可以减少学生对数学结构变化的机械性学习，从而减少了学生复习任[5]务，以使其有更多的精力分析系统性能问题。最后,在频域分析方法中，涉及到对系统的幅相频率特性曲线图和对数特征关系曲线图的描绘与解析，在讲解过程中以两种图形的对比以及参数的变化为自变量,按照系统的性能指标对图形进行对比分析。
2.3教学方法改革
自动控制原理对学生的定性分析能力、定性评价能力、综合运用能力、数形结合能力等有特定的要求，并需具备坚实的数理教育基础知识，学生在学习过程中往往会产生困惑或产生恐惧心理，从而影响教学效果。所以，需要改变传统教学方法与授课方式，从而提高质量，这是课堂变革的关键问题。在以信息技术、知识大爆炸为特点的今天，传统的课堂教学手段已无法满足信息时代的要求，运用现代的教学技能和管理手段，改善课堂教学条件，已成为目前的一种趋势。2.3.1多媒体技术的运用。在自动控制原理课程的多媒体教学实践中，为了让多媒体教学这一先进的教育技术手段更好地服务于课堂，在课堂中可将一些重点或难点问题制作成视频展示给学生，开展课堂探讨，以增强学生学习的积极性，同时，经过探究，也能够让学生对相关问题有进一步的认识。另外，可以开发自动控制原理多媒体教学课程、Matlab模拟软件包等教材，科学合理地利用多媒体技术的生动、真实、容量大的优势。事实证明，多媒体技术的运用获得了不错的教学效果，也得到了广大学生的青睐，对教学质量的提升起了一定的积极影响。2.3.2现场讲解。面对一个新的名词或者问题，以往的教学手段通常有两种:一是以书中给出的系统示意图为例；二是以身边的常用器件为例,以上两种方法效果并不理想，学生很难形成清晰的概念。针对以上问题，现在我们采取每节课直接进实验室的方法，面对实际系统进行讲解。例如，我们利用实验室THSA-1型过程控制综合实验台进行实操和讲解:(1)教师讲解实验台装置部件组成；(2)组织学生讨论传感器、电动调节阀、加热管、PID调节器等工作原理；(3)教师根据系统任务要求整体讲解系统构成和原理。以上步骤能让学生真实观察到系统，形象了解系统部件组成，使得抽象的理论变得形象化。同时，可活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣。此外，教师在讲解过程中，通过告知学生一些实物和基本概念，从[6]而引出学科体系中的相关课程，让学生了解相关课程之间的关系和重要性，提高学生专业课学习的热情。并且，通过对实验设备的讲解，学生能够对设备更熟悉，也可以利用自己的课余时间进实验室学习和巩固这些知识，通过实测数据，加深对理论知识的理解。2.3.3理论课程实验化。在理论教学中，如果将纯理论教学内容实验化，即用Matlab仿真软件边讲授理论知识边做实验，这样会达到更好的学习效果，可增强学生的主观能动性，也能让学生从枯燥的课堂教学回到实验室中。例如，在讲授一阶系统的性能分析时，讨论参数变化对系统性能的影响，可让学生在实验室中利用Matlab仿真软件自己调参，通过不同的参数调整，对比仿真图效[7]果，自行分析系统参数对其性能指标的影响。学生通过自己动手仿真做实验，能够更好地把控参数的调整区间，同时对该任务点的学习有更深刻的印象。
2.4考核方式改革
在教学考评方面，采用平时成绩、实验实训模拟练习和期末学科课程设计等有机结合的考评方法，着重考查学生的实操技术能力、工程实验能力、技术创新能力等,使学生建立属于自己的工程意识，同时把新时期对工科专业学生的基本能力要求充分体现出来，并合理评估学生处理复杂工程技术问题的能力。
3.结语
本文根据自动控制原理课程教学过程中遇到的问题展开分析，总结了当前新工科环境下的一系列创新教学模式。通过采用以上教育手段、教学内容、教学方法、考评方案等创新手段，任课教师可以更好地完成教学任务，充分调动学生的学习兴趣和爱好，为今后专业课程的教学和学生综合素养的培养奠定更加坚实的基石。同时，根据自动控制原理课程教学中出现的一些问题，采取变革课堂教学、变革作业形态、变革实验形态等措施。在校内资金允许的情况下，可设置自动控制原理理论教学平台、实践教学平台和社会实践平台，各平台相互联系，充分调动学生的学习兴趣，并训练学生的实际应用能力。
田辈辈 张喜云 焦作大学机电工程学院
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