袁桂麗 劉向杰 王寶源

摘要：隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制越來(lái)越重要，自動(dòng)控制理論知識(shí)成為今后工程實(shí)踐中的基礎(chǔ)知識(shí)。本文在分析自動(dòng)控制原理的課程設(shè)置、課程體系和教學(xué)中存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)控制原理的授課進(jìn)行了新的探索，更新了教學(xué)內(nèi)容，豐富了教學(xué)手段，變革了考核方式，并新增網(wǎng)絡(luò)教學(xué)這一重要的教學(xué)資源。本文所做工作是在結(jié)合多年實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上加以改革，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制理論；課程體系；教學(xué)改革；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）24-0154-03

一、引言

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制一般規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，是自動(dòng)控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。由于自動(dòng)控制理論內(nèi)容涉及面廣，包括電路、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、積分變換、線性代數(shù)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等交叉學(xué)科的很多知識(shí)，理論性和抽象性強(qiáng)，具有內(nèi)容豐富、信息量大和發(fā)展更新速度快等特點(diǎn)[1，2]，因此難教難學(xué)，在學(xué)生中流傳著自動(dòng)化專業(yè)的“天書(shū)”這一雅號(hào)。所以，為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這門(mén)課程，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，本文將從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進(jìn)行改革探索。

二、自動(dòng)控制理論的課程設(shè)置

1.課程地位與目的。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化越發(fā)深入各行各業(yè)以及人們的生活，自動(dòng)化知識(shí)也越來(lái)越成為人們需要了解的必不可少的內(nèi)容。因此自動(dòng)控制理論成為工科院校自動(dòng)化、電力、電自、機(jī)械、熱能、核電、風(fēng)電、建環(huán)等諸多本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是自動(dòng)化類專業(yè)的碩士研究生入學(xué)考試的必考課程[2]。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使每個(gè)學(xué)生能多角度、分層次地充分了解和認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制理論以及相關(guān)課程發(fā)展的狀況及專業(yè)知識(shí)特點(diǎn)，并把握局部或整體的理論，使學(xué)生所學(xué)知識(shí)同實(shí)際工業(yè)過(guò)程的應(yīng)用相聯(lián)系，為學(xué)生實(shí)踐打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，也為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)“過(guò)程控制”、“運(yùn)動(dòng)控制”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”等后續(xù)專業(yè)課程打下良好的基礎(chǔ)。

2.課程教學(xué)的原則。在教學(xué)過(guò)程中，以學(xué)生為本是教學(xué)的基本原則，要時(shí)刻圍繞以學(xué)生為中心展開(kāi)教學(xué)[3]。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，教師是知識(shí)的傳播者，教師在傳授知識(shí)的過(guò)程中，必須對(duì)所傳授的知識(shí)掌握透徹，理清課程脈絡(luò)，使所講內(nèi)容前后連貫，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)生是知識(shí)的接受者，學(xué)生的知識(shí)水平和理解能力有限，準(zhǔn)確地把握好學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)、理解誤區(qū)，相應(yīng)的調(diào)整授課內(nèi)容，講解時(shí)做到深入淺出，才能更好地引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。其教與學(xué)的關(guān)系可用圖1來(lái)表示[2]，形成復(fù)合控制，以求得更好的教學(xué)效果。

三、自動(dòng)控制理論的課程體系

自動(dòng)控制理論的課程體系包括結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)容體系兩方面，結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主線，是該門(mén)課程的整體脈絡(luò)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠縱觀全局；內(nèi)容體系強(qiáng)調(diào)不同專業(yè)對(duì)該課程應(yīng)掌握的內(nèi)容以及學(xué)習(xí)要求，使學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)能夠突出重點(diǎn)[4]。

1.結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系的把握要從“三縱三橫”出發(fā)[5]。“三縱”是指系統(tǒng)在三域（時(shí)域、頻域、復(fù)域）中的數(shù)學(xué)模型；“三橫”指系統(tǒng)特性（穩(wěn)定性、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性）的分析。如圖2所示。（1）“三縱”理清三域中的數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系，如圖3所示。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)建立時(shí)域模型、復(fù)域模型和頻域模型，模型的建立是等效的，三種模型之間可以按照?qǐng)D3所示相互轉(zhuǎn)換。學(xué)會(huì)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的前提，因此學(xué)生能夠理清三者之間的關(guān)系對(duì)于后續(xù)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。把握好這條主線，使學(xué)生能夠縱觀全局，樹(shù)立一個(gè)“縱向”思路。（2）三橫。結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，熟練掌握系統(tǒng)分析的三要素：穩(wěn)定性、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)性能指標(biāo)是衡量系統(tǒng)好壞的重要依據(jù)。只有能夠準(zhǔn)確分析系統(tǒng)的性能，才能知道如何更好的改進(jìn)系統(tǒng)，這樣才能使學(xué)生形成良好的“橫向”思維。

2.內(nèi)容體系。自動(dòng)控制理論包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩部分。（1）經(jīng)典控制理論：主要內(nèi)容有自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的模型建立，線性系統(tǒng)的時(shí)域分析、根軌跡分析和頻率特性分析，離散系統(tǒng)的模型建立及性能分析，非線性系統(tǒng)的性能分析以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，等等[6]。按照先概念、再模型、然后分析方法和指標(biāo)、最后校正的步驟逐步進(jìn)行。（2）現(xiàn)代控制理論：主要內(nèi)容有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即狀態(tài)空間表達(dá)式的建立，控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析、能控性與能觀性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析以及系統(tǒng)的反饋校正、極點(diǎn)配置、狀態(tài)觀測(cè)器的建立等[7]。按照先概念、再模型、然后分析方法和指標(biāo)、最后校正的步驟進(jìn)行。

四、自動(dòng)控制理論課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.從教師來(lái)說(shuō)，教師之間“各自為政”，不利于提高教師的教學(xué)水平和工作效率。其一，在課堂教學(xué)上每位不同的授課教師都是按照自己的理解設(shè)計(jì)了不同的課件，因教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不同，即使選用相同的教材，每個(gè)人根據(jù)所教專業(yè)不同靈活選用例子的水平以及利用多媒體和板書(shū)的結(jié)合程度都是不同的，互相交流、集體備課討論環(huán)節(jié)較少，導(dǎo)致不同教師即使講授同一門(mén)課程教學(xué)效果也可能相差很大。其二，目前自動(dòng)控制理論課程因涉及的專業(yè)面廣而課目眾多，教師任務(wù)繁重，并且每個(gè)教師按自己的教學(xué)任務(wù)設(shè)答疑時(shí)間、地點(diǎn)，因此導(dǎo)致教師之間的教學(xué)交流較少。

2.從學(xué)生來(lái)說(shuō)，不能給學(xué)生創(chuàng)造更好的自動(dòng)控制理論的課外學(xué)習(xí)環(huán)境。由于學(xué)生功課學(xué)習(xí)任務(wù)重，不可能有大量的時(shí)間搜索整理大量的自動(dòng)控制理論的課外拓展學(xué)習(xí)資料，也不可能實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間地點(diǎn)限制的與同學(xué)、教師交流和討論，因此減少了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑，限制了學(xué)生對(duì)本門(mén)課學(xué)習(xí)的興趣度和學(xué)習(xí)熱情。其次，學(xué)生學(xué)習(xí)的態(tài)度也有很大變化，當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)更加注重以后是否能應(yīng)用到工作實(shí)際當(dāng)中，如果與以后工作無(wú)關(guān)，學(xué)生對(duì)該門(mén)課程就會(huì)變得消極懈怠[1]，而且學(xué)生不重視理論的學(xué)習(xí)，覺(jué)得枯燥乏味，降低了學(xué)習(xí)興趣，因此提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是自動(dòng)控制理論課程的重要環(huán)節(jié)[8]。

五、自動(dòng)控制原理課程的改革與實(shí)踐

針對(duì)上述教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，我們從以下方面進(jìn)行改革與實(shí)踐。

1.更新教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論學(xué)習(xí)的好奇心和自主學(xué)習(xí)動(dòng)力。（1）重視理論教學(xué)同時(shí)注重理論聯(lián)系實(shí)際，在課堂講授內(nèi)容中注意基本概念與基本方法的介紹，同時(shí)積極引入案例式教學(xué)方法，通過(guò)列舉日常生產(chǎn)中的通俗易懂的實(shí)例，如馬桶水箱水位控制系統(tǒng)、冰箱、空調(diào)溫度控制系統(tǒng)等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（2）通過(guò)理論聯(lián)系電力大學(xué)專業(yè)背景、電力專業(yè)特色，例如自動(dòng)化、熱能等專業(yè)可以列舉如汽包水位控制系統(tǒng)、主蒸汽溫度控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)等例子，對(duì)于機(jī)械專業(yè)可以選取阻尼器、彈簧等構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)，対于電氣專業(yè)可以選取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、RLC電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，通過(guò)大量控制系統(tǒng)的實(shí)例進(jìn)行分析，提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力，同時(shí)提高學(xué)生對(duì)后續(xù)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，做好后續(xù)課程學(xué)習(xí)的鋪墊和引導(dǎo)。（3）理論指導(dǎo)科研，科研促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以促進(jìn)教師進(jìn)行教學(xué)交流，及時(shí)更新目前的教學(xué)內(nèi)容；在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及自動(dòng)控制理論課內(nèi)拓展上，教師可以結(jié)合自己的前沿科學(xué)研究及自動(dòng)控制理論的前沿發(fā)展、應(yīng)用進(jìn)行拓展和引導(dǎo)，比如通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)神十飛天、“玉兔號(hào)”月球車(chē)成功登陸等都離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)熱情。

2.改進(jìn)課堂教學(xué)方法。變“灌輸式”課堂教學(xué)模式為“引導(dǎo)式”、“互動(dòng)式”模式。在課堂教學(xué)中，運(yùn)用講授法、多媒體演示法、提問(wèn)互動(dòng)法、討論探討法等多種教學(xué)方法；注意采用啟發(fā)式教學(xué)方法，尋找學(xué)生學(xué)習(xí)的興奮點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，鼓勵(lì)學(xué)生積極質(zhì)疑，由被動(dòng)受教轉(zhuǎn)為積極參與，形成較為獨(dú)特的教學(xué)風(fēng)格。

3.豐富課堂教學(xué)手段，提高教學(xué)效果。對(duì)于目前設(shè)計(jì)研制的多媒體教學(xué)課件和電子教案進(jìn)行不斷的充實(shí)和完善，各位教師互相交流，達(dá)成共識(shí)，形成統(tǒng)一研制的對(duì)應(yīng)不同學(xué)時(shí)、不同專業(yè)的多個(gè)多媒體課件。課件要能夠充分利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備和教學(xué)手段，采用板書(shū)和多媒體相結(jié)合，使課堂教學(xué)圖文并茂、生動(dòng)活潑，增加課堂講授的信息量，提高課堂教學(xué)效率，更加有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力的培養(yǎng)。利用MATLAB軟件輔助課堂教學(xué)，幫助學(xué)生理解抽象的控制理論，利用典型事例和啟發(fā)式的課堂教學(xué)，結(jié)合科研實(shí)踐和專業(yè)發(fā)展講授課本內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課外有效利用基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的教學(xué)，將所有資源放置在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，真正實(shí)現(xiàn)交互式雙向教學(xué)。

4.改革考核方法。在考核方式上，采用平時(shí)考核和期末考試考核相結(jié)合的方式。平時(shí)成績(jī)包括到課、作業(yè)占總成績(jī)的30%，期末考試成績(jī)占70%，注重了過(guò)程考核和考試結(jié)果考核相結(jié)合，但效果仍不夠理想。有的學(xué)生存在“上課為點(diǎn)卯，作業(yè)通過(guò)抄，考試靠突擊，考后全忘光”的學(xué)習(xí)方式，不符合知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，更談不上日后知識(shí)的靈活運(yùn)用與創(chuàng)新了。通過(guò)改革考核方式，增加多次階段性單元測(cè)驗(yàn)、抽查作業(yè)、課堂提問(wèn)、網(wǎng)絡(luò)答疑、期中考試等多種過(guò)程學(xué)習(xí)考核渠道，考試命題由以前的一種題型變?yōu)椴捎枚喾N題型，增加覆蓋面，以客觀衡量教學(xué)效果。試卷評(píng)閱后，科學(xué)地對(duì)考卷情況進(jìn)行分析研究，分析學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解和掌握程度，為調(diào)整下一學(xué)年度的課堂教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度提供必要的參考信息。在不斷的改革探索中旨在建立科學(xué)、多樣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，深化考試內(nèi)容和形式改革，注重學(xué)習(xí)過(guò)程考查，將過(guò)程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的評(píng)價(jià)。

5.改革實(shí)踐教學(xué)和課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。建立了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室、控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)踐性教學(xué)基地和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地等，通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的能力以及創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模、設(shè)計(jì)大賽等鍛煉自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力。由于教學(xué)改革和創(chuàng)新任務(wù)繁重，需要在所有自動(dòng)控制理論教師積極參與協(xié)作下完成。

6.利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行自動(dòng)控制理論網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，以輔助課堂教學(xué)，更好地完成自動(dòng)控制理論的教學(xué)工作的改革，提高教學(xué)效果。

六、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐表明，教師的授課效果明顯改善，學(xué)評(píng)成績(jī)大幅度提升，學(xué)生的自動(dòng)控制理論學(xué)習(xí)成績(jī)大幅度提升，學(xué)生自動(dòng)控制理論課的考研成績(jī)有明顯的提升?？傊詣?dòng)控制理論是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的學(xué)科，教師只有在教學(xué)過(guò)程中不斷的反思并探索新的教學(xué)方法，并在實(shí)踐中加以應(yīng)用，才能切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝靜超，畢月虹，刁彥華.關(guān)于自動(dòng)控制原理的思考[C].土木建筑教育改革理論與實(shí)踐，2010，（12）.

[2]任琦梅.“自動(dòng)控制原理“教學(xué)方法分析[J].中國(guó)電力教育，2013，（2）.

[3]程麗平.“5W模式”在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2012，（15）.

[4]徐穎秦，潘豐.自動(dòng)控制原理立體化教學(xué)新體系的探索與實(shí)踐[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，（2）.

[5]申昕.基于三橫三縱結(jié)構(gòu)體系的自動(dòng)控制原理教學(xué)探討[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013，（1）.

[6]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].第4版.北京：科學(xué)出版社，2007：1-435.

[7]劉豹.現(xiàn)代控制理論[M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：1-227.

[8]劉羨飛，李俊紅.結(jié)合大學(xué)生特點(diǎn)談“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)改進(jìn)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2008，（Z1）.