淺析自動控制原理課程教學改革

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摘要:對目前《自動控制原理》課程教學內容、教學方法等現狀和存在的問題進行分析。以改善課程教學效果和提高學生對教學內容的接受度為目的，在深度調研德累斯頓工業大學同類課程教學模式的基礎上，吸收借鑒他人所長，進而提出了對該課程的教學改革的具體建議。提出的改進措施可優化前后理論知識的邏輯連貫性，并具有理論教學內容與實際應用案例有機結合的特點，有利于學生更好地構建課程的知識體系。

關鍵詞:《自動控制原理》;教學改革;實踐教學

自動化是支撐國民經濟發展的重要學科，自動化技術已應用了現代科技各個領域。目前，產業結構調整是我國經濟發展的戰略重點，發展以智能化、數字化為特征的先進制造業更是保證我國經濟持續健康發展的重中之重［1－4］。東莞市是我國制造業重地，被譽為“世界工廠”，在大力建設粵港澳大灣區的背景下，東莞制造業的發展也將迎來新的機遇和挑戰。在制造業轉型升級過程中，越來越多的用人單位已深刻意識到高素質人才是企業轉型發展的重要保障，這對東莞理工學院人才培養方式提出了更高要求［5－6］。如何更好地為地方經濟和企業發展培養適合人才，一直是東莞理工學院教學科研方面的首要課題。筆者參加了由中國教育部和德國BSK國際教育機構合作舉辦的“中國高等學校骨干教師赴德國高校訪學項目”，在德國德累斯頓工業大學進行為期三個月的訪學交流。訪學期間，筆者在德累斯頓工業大學電氣與信息工程學院進行有關專業培養方案、課程體系、教學內容、教學方法等方面的學習和交流。其中，對《自動控制原理》課程的教學內容和教學模式進行了深入的學習?；趯υ撻T課程內容調研的啟發，為東莞理工學院和國內其他高?！蹲詣涌刂圃怼氛n程未來的教學改革方向提供參考和借鑒。

1自動控制原理課程教學改革背景

《自動控制原理》是自動化、電氣工程及其自動化等專業的一門重要專業基礎必修課程。該課程是后續專業課程《現代控制理論》、《計算機控制系統》、《過程控制》和《運動控制》等課程的基礎，對于幫助學生在專業學習過程中建立完備的知識體系具有至關重要的作用［7－10］，因此該課程教學內容的合理設置和教學方法的改進對于提升教學質量、提高學生對該課程內容的掌握程度具有重要的實際意義。從該課程的實際教學效果來看，現有教學內容和方法主要存在以下問題:1)課程具有很強的理論性和工程應用背景，但實際教學過程中將理論部分和應用部分的合理銜接一直是該課程的教學難點?，F在該課程采用的教學方法依然是基于傳統的理論課堂教學+課后實驗的模式。理論教學重視嚴格的數學推導，較為抽象;課后實驗安排以Matlab仿真實驗為主，學生較難從仿真結果中感受到在實際應用中的效果以及理論知識在實際應用中應滿足的約束條件。學生學完該課程后不能很好地建立理論內容與實際工程應用之間的聯系。2)現有教學內容主要依賴于教材，且教材選擇比較單一，任課教師會指定一本教材作為課堂教學依據。雖然《自動控制原理》課程教材的出版物較多，但教材內容基本相似，同質化嚴重。從教材內容的安排來看，章節之間的安排比較重視理論部分的邏輯連貫性和知識深度，一旦學生前期基礎沒有打好，學習該門課程時會感覺非常困難。3)學生在學習過程中缺乏獨立思考和鉆研精神。由于課程的理論教學內容較抽象，教師在課堂上講授完知識點后，學生在課后還需要花大量時間認真復習才能較好地掌握知識架構，但多數學生課后投入的時間較少，因此知識點的掌握程度難以保障。其原因可以歸結為:a)現有課程考核主要以期末考試的方式為主，缺少過程考核，因此學生日常學習較為松懈;b)理論教學內容相對枯燥，課堂上較難激發學生的學習興趣。綜上所述，現有《自動控制原理》課程的教學內容和方法不能很好地引導學生探究該門課程在實際應用領域的興趣，難以達到人才培養的預期目標，因此有必要對課程的教育實踐進行教學改革。

2德國大學自動控制原理課程的借鑒

德國是世界工業強國，德國工業企業自動化程度較高，在自動控制理論和工業應用結合方面具備良好的引領和示范作用。根據德國高校專業設置情況，德國高校沒有單獨設置自動化這門專業課程，自動化是作為電氣工程專業下一個研究方向而設立。從專業設置模式可以看出，自動化需要依托具體的工業背景，因此，自動控制原理這樣的課程教學也應該和實際應用背景緊密結合。有關德國高?！蹲詣涌刂圃怼氛n程教學的模式與方法，筆者以在德累斯頓工業大學電氣工程專業對《自動控制原理》課程的調研內容進行分析。2.1德累斯頓工業大學?！蹲詣涌刂圃怼方虒W內容國內《自動控制原理》教材的教學主要內容包含:自動控制系統的基本組成和結構、系統的數學模型(時域、頻域、復頻域)及建模、控制系統時域和頻域的性能分析(穩定性、準確性、快速性)、控制系統的綜合(復頻域)等［11－13］。教師在教學過程中可根據選定的教材、學時數及大綱要求等對講授內容進行適度調整，但必須依托于教材內容。德累斯頓工業大學《自動控制原理》課程的教學內容則由任課教師決定，校方并不指定具體的教材，學生的教學資料主要是教師的講義或PPT，教師會列出一些參考書目(實際上，德國的大學幾乎所有課程的教學內容均由任課教師決定的)。德累斯頓工業大學的任課教師基本都是教授，在德國只有在本學科具有特別高水平的人才能被評為教授，因此教授對其講授的內容具有很好的全局性把握和深度理解?；诖耍n堂上教授基本不指定具體教材，都是以自己的講義為準。德累斯頓工業大學《自動控制原理》課程具體的教學內容安排和知識體系結構如圖1所示。結合該圖所示的德累斯頓工業大學《自動控制原理》課程知識體系，并對照東莞理工學院該課程目前教學內容，可以總結出德累斯頓工業大學該課程的特點如下:1)德累斯頓工業大學《自動控制原理》教學內容比較深入，和東莞理工學院本科教學內容相比，增加了一些在國內研究生階段才講授的內容(如狀態空間建模、Lyapunov穩定性分析)。一方面的原因是該課程的定位是為了給后續專業課打下更扎實的基礎，因此對該門課程理論深度的要求也更高;另一方面原因是德國高校工科專業普遍采用5年制的理工科碩士(Diplom)學制，學生在高年級時需要做一些研究工作，所以相應地增加了教學內容的深度和廣度。2)教學主線清晰，邏輯連貫性好。雖然最核心的教學內容與國內該課程的教學內容基本一致，但是老師在授課時會以自己對系統的理解，采用學生更為接受的循序漸進的方式進行講授。即:以穩定性為中心→穩定性判據→控制系統校正(調節)→具體調節方法(時域、頻域、復頻域)→控制系統性能分析(穩態誤差、瞬態響應)為教學順序，做到環環相扣，使學生對理論知識的前后銜接關系更為清晰。3)引入典型工程應用案例幫助學生理解理論內容與系統實際應用之間的對應關系。教師采用直流電機調速控制為案例，該案例貫穿課程所有理論知識，讓學生學習相對枯燥的理論知識時能理解此類內容在實際系統中該是如何應用的。這種以一個典型應用案例將前后知識點有機串聯的方法能有效地幫助學生克服學新忘舊的問題，有利于學生對知識點的掌握。2.2德累斯頓工業大學《自動控制原理》課程課堂教學模式與方法。德累斯頓工業大學的教師在講授該門課程所采用的教學方法與東莞理工學院該課程的教學模式基本相同，是以PPT輔以板書的形式進行教學。值得指出的是，PPT基本是任課教師提前編制好的講義提要，里面涉及的具體數學推導等相關內容的深度解釋主要在課堂上進行板書演示。該教學方式的優點主要有:1)板書形式的數學推導有利于幫助學生順應老師的思路和節奏，如果推導部分不分步驟地全部放在PPT中，學生則難以做到思維跟隨。2)由于沒有指定教材，并且PPT上只保留知識點的提綱。板書主要是PPT上沒有的內容，因此學生在聽課時，會根據老師的板書做課堂筆記，進而加深對知識點的掌握。由于學生在課堂上基本全程都在抄寫筆記，因此教師與學生之間的課堂互動較少，但實際上并不是老師的一言堂。德國大學學生的學習主動意識較好，在課堂遇到任何不懂的問題可隨時舉手提問，老師也會及時予以解答。該門課程學習之后的考核方式與國內考核模式相似，均以期末考試的方式進行。但是德累斯頓工業大學的該門課程還會穿插一些過程測試環節，其測試成績會占到期末總成績的一部分比例。課后答疑方面，德累斯頓工業大學采取助教制。該課程有專門的習題課，習題課是由助教給學生進行指導，學生會把平時遇到不懂的問題和課后作業中出現的問題匯總并請助教解答。2.3學生在課程教學過程中的表現。德國的綜合性大學(包括德累斯頓工業大學等理工院校)秉持寬進嚴出的培養制度，學生的學習壓力總體較大，因此學生學習的主動性非常強。具體表現在:1)上課時注意力比較集中，幾乎沒有課上玩手機或做其他事的情況，課堂中都會認真抄寫老師的板書，遇到不懂的問題隨時提問。2)學生學習的獨立性、自主性都較好，課后學習投入時間較多，主要用于消化筆記、完成作業和小組討論等。學生完成作業不是為了應付老師，所以不存在抄作業的情況。2.4對東莞理工學院自動控制原理課程教學改革的啟示。結合德累斯頓工業大學《自動控制原理》課程教學模式的長處，對東莞理工學院該門課程教學改革提出以下建議:1)脫離固定教材對課堂教學的束縛。任課教師可以選擇指定教材作為教學內容的支撐材料，但在課堂講授時，在保證基本知識點完全覆蓋的情況下，可以采用更靈活的知識點講授或組織方式，以使前后內容的銜接關系更有邏輯性，從而讓學生能更好地理解消化。2)鼓勵教師采用自編講義輔以參考教材的形式向學生提供該課程的參考資料。自編講義建議任課教師結合課程理論內容和地方產業特色設計具體的工程應用案例。比如，制造業是東莞市的支柱和特色產業，制造業中的各個環節都有自動控制的應用案例，例如:機械手臂的控制、無人小車的控制、工廠循環水溫度控制等。如果教師能把類似這樣的實際案例和課程理論內容進行深度結合則可以提高學生的學習興趣并增強學生對抽象知識的接受度。3)該課程理論部分有嚴密的數學推導，因此這部分內容建議教師采用傳統的板書形式配合PPT進行講授。單純依靠PPT講解的方式不利于課堂節奏的控制，推導過程若不能循序漸進地呈現給學生，不利于學生對知識的理解和掌握。采用板書的形式與節奏可以根據學生的課堂反饋進行調整，讓學生的思路可以與教師的思路保持同步，以形成比較好的課堂教學互動，以增強知識點的傳遞效果。4)為增強學生的自主學習能力，建議教師增加課程過程考核環節，比如平時的小測試，這樣可以督促學生課后主動復習。此外，教師還可以布置一些開放型的工程案例供學生課后完成，以配合課后作業，讓學生有更多運用理論知識的實踐機會。5)建議引入助教制度。很多學生平時遇到不懂的問題不愿意主動請教老師，若讓在校研究生作為課程助教則可以很大程度上減少本科生因存在對老師的敬畏和排斥心理而不愿意主動問問題的情況。因為研究生與本科生均為在校學生且年齡相仿，基本沒有代溝隔閡，可以更有效溝通，所以遇到不懂的問題時，學生找自己的學長請教是一種更為可取的方式，同時此方式對研究生也是一種鍛煉和提高，既有助于研究生加深和鞏固本專業的基礎知識，也可以提高他們對所學知識的輸出能力。

3結語

《自動控制原理》是自動化專業中最為基礎和重要的課程之一，是溝通整個專業內容體系中基礎知識和專業知識的橋梁。該門課程教學效果的優劣直接影響到學生對后續專業課程的學習效果以及個人知識體系的構建。吸收和借鑒國外高校課程教學模式的優點，并結合東莞理工學院自身的特色進行教學內容的優化和教學方法的改進，有利于改善該課程的教學效果，同時也可為國內其他高校進行該門課程的教學改革提供參考。所提出的改進建議主要包括以下兩點:1)教學內容的邏輯性。以提高學生知識接受度和掌握度為目標進行教學內容改革，優化課程理論內容和前后之間的銜接，適應學生學習知識的遞進特點，有利于學生對理論知識的掌握。2)理論內容與實際案例有機結合。通過設計與課程理論教學內容和地方產業特色緊密聯系的具有實際工程應用背景的教學案例，增強學生的學習興趣和課程參與熱情，提高學生的學習效果。

作者:趙洋 單位:東莞理工學院