基于多元化模式的自動控制原理課程改革

張冬妍?周宏威?戴天虹?賈鶴鳴?鄭綱

摘要：分析了自動控制原理課程的特點和存在的問題，提出多元化教學模式在自動控制原理課程教學改革中的應用，并具體闡述了教學理念、教學內容、教學方法和教學手段上的多元化改革。實踐教學表明，基于多元化教學模式的自動控制原理課程教學，有效提高了教學效果，增強了學生學習的興趣和主體參與意識，改革成效明顯。

關鍵詞：多元化；自動控制原理；教學模式改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0144-02

在科學技術飛速發展的今天，自動控制技術已成為現代社會生活中不可缺少的重要組成部分。[1]自動控制原理作為大學本科自動化及其相關專業的一門非常重要的專業基礎課，在控制相關專業的課程體系中占有很重要的地位，是學生學習數字控制、計算機控制系統、過程控制等后續的應用型專業課程必需的知識基礎儲備。該課程的理論性和工程實踐性均較強，具有內容豐富、理論深度大、涉及知識面廣、信息量大、更新發展快的特點。其分析方法較多，對數學知識要求高，學生在學習過程中常感覺內容抽象，難于理解，進而不能很好地掌握，沿用傳統的教學方法和模式成效不大，因而針對自動控制原理的課程教學改革任重道遠。

隨著現代化教育的不斷革新，多元化教學模式成為了傳統課程教學改革創新的有效手段，如何將枯燥的東西生動化，抽象的原理形象化，復雜的結構具體化，深奧的理論簡單化，都體現在教學模式的科學性、實效性與合理性上[2]。為此，作者在課程改革過程中，采用多元化教學模式，以學生為主體，以教師為主導，進行教學理念、教學內容、教學方法、教學手段等方面的改革嘗試，以全面提高自動控制原理課程教學效果。

一、教學理念的多元化改革

“所謂師者，傳道，授業，解惑也?！苯處煹慕虒W理念直接影響知識的傳授效率和學生的學習熱情。

1.非智力元素的激發

長期以來，值得每一位教師注意的一個問題是，興趣、注意力、心理因素等非智力因素對學生的學習起著非常重要的作用。多元化教學要實現的是將視、聽、說有效融為一體，使課堂‘動起來，充分利用學生在學習中的非智力因素，把學生注意力、興趣引導到學習對象上，進而使學生對學習對象獲得深刻、完整的理解，由此調動學生的積極性和主動性。尤其是對自動控制原理這樣相對學習難度較大的理論課程，教師在教學中更應充分調動學生潛在的非智力因素，以有效提高教學效果。

2.重視第一堂課

俗話說“好的開端是成功的一半”。第一堂課上得好與壞，會在很大程度上影響到學生對本門課程的喜愛程度、聽課興趣和效率。因此，在自動控制原理的第一堂課上，除了常規的課程學習內容、學期目標、教學計劃、課堂要求、課程考核方式的介紹之外，作者在多年教學過程中會注重課程的重要性說明和學生學習本門課程的恐懼心理的消除，以使學生建立正確的學習態度，有效激發學生潛在的學習熱情。

控制的例子隨處可見，所以就從學生熟知的一些具體的實際例子入手，闡明自動控制在社會發展中的重要性，以及在本專業所有課程中的承上啟下地位，突出學習自動控制原理對將來走上工作崗位后的實用價值，激起學生對課程內容的好奇心，讓學生產生一種學好本課程的沖動。

另外，由于自動控制原理課程的邏輯性和理論性都很強，要求的數學和物理基礎較多，所以很多學生在上課前或多或少地有所了解，而產生一定的學習壓力和障礙，認為自己‘基礎差或者不夠聰明而不可能學好這樣的理論課程。[3]針對這些現象，作者在第一堂課上總會花一定的時間去消除學生的這些顧慮，培養他們對課程的正確認識和自信心。比如，向學生指出，盡管自動控制原理涉及了眾多的數學公式或者物理推導，但作為控制類專業基礎課我們更側重的是讓學生掌握其中的原理、方法，會利用這些方法手段解決問題，而不是側重讓學生學會如何進行所運用方法的數學或物理推導來由。授課過程中會從一些相對淺顯的、容易理解的事例出發，教給學生具體的知識認知和解決問題的方式方法，從而擴展開來，學會解決一類或相關的幾類問題。讓學生感受只要有堅持、有努力，學習上的困難是可以迎刃而解的。

3.教師的教育激情

德國哲學家Jaspers說：“教育意味著一棵樹搖動另一棵樹，一朵云推動另一朵云，一個靈魂喚醒另一個靈魂?！苯逃恼嬲康牟皇前熏F有的知識強加給學生，而是傳授知識的同時激發學生的創造力。學生的學習需要教師的帶動，激情使教育充滿情趣，在情意融融的教育氛圍中，學生才會受感染并萌發創造的欲望。[4]在教學過程中，教師如果能夠開拓教育教學的多元化，就可以充分激勵學生的求知欲望，培養學生的創造性思維。同時，學生的反饋也會給教師帶來新的角度和觀點的交匯，以促進教師教育教學方法的改進，而從另外一個方向給予教師不斷的教學工作激情的鼓舞。在這樣一個教師與學生的信息互動過程中，作者一直嘗試把課堂教學過程看作創造幸福的過程，每一次課都當成新課講，去尋求新的發現，建立新的認識。更大程度地堅持做到不斷提升自己的教育激情，用自己不斷擴充的知識儲備去影響學生，用自己積極樂觀的情緒去感染學生，以自己飽滿的熱情去帶動學生，從而營造和諧的課堂氛圍，改善教學效果。

二、教學內容多元化改革

縱觀國內、外的經典教材，大多數是以側重基本理論知識詳述為主要目的，繁雜的數學推導使學生的獨立理解效果大大降低。作者在十幾年教學經驗的基礎上，結合配套教材的編寫，對自動控制原理課程教學內容進行了多元化的改革。

首先，從理論教學內容上，注重從基本理論和概念出發，強調物理概念，淡化繁冗的理論推導。在內容闡述上側重整體感和細節顯現的表達，比如關于線性控制系統的時域分析法、根軌跡分析法、頻率特性分析法、離散控制系統分析、非線性系統分析的內容敘述上，均以‘三結合敘述模式，即圍繞自動控制系統性能評價的穩、準、快三方面基本要求這一共同主線形式展開，使邏輯性和清晰度大大提高；關于控制系統的數學模型部分，為了使學生理性和感性思維上都能有清楚的認識，在系統建模的闡述上從機械平移系統、靜力平衡系統、轉動系統、以學生熟悉的直流電動機作為典型實例的機電混合系統幾方面介紹，從不同的角度展現對建模問題的具體實現，使學生從多方面加深對建模問題的理解和掌握；關于頻率特性分析法中圖形形式數學模型的闡述，改變傳統的極坐標圖的介紹，然后對數坐標圖的介紹的模式，而是根據兩種圖形存在的共同點，從對數坐標圖開始，對極坐標圖的介紹側重在分析參數變化時的圖形特征，從而做到精簡明了，重點突出。同時，編寫的教材中融入了MATLAB語言的使用，使學生在一定程度上開始掌握運用仿真軟件進行控制系統分析與設計的方法。

其次，在實驗教學內容中，除了傳統的實驗箱驗證實驗外，加入了基于MATLAB的自動控制系統虛擬實驗設計內容。給出一定的系統性能要求后，讓學生在實驗環節中利用MATLAB進行簡單地系統綜合校正設計，具體感受參數變化帶給系統的影響，熟悉實際元件參數的選擇方法及系統設計的步驟和方法。

三、教學方法多元化改革

自動控制原理課程對學生的定性分析能力、定量評價能力和綜合運用能力都有一定的要求。傳統的教學方法通常是采用‘灌輸式，以教師的講授為主，學生上課邊聽邊抄筆記，學習很被動，經常會顧此失彼而使學生在學習中感到困難重重，影響學習效果。因此，在課程授課中作者采用類比、啟發和探究式的多元化教學方法，由淺入深地講解有關概念、原理和方法，引導學生主動思維，明顯改善了教學效果。

1.類比式教學方法

類比法是指通過一系列淺顯生動的實際例子，引導學生掌握難以理解的抽象問題。比如，講解液位控制系統的實例時，提出身邊常見的抽水馬桶、自來水系統的工作原理，讓學生分析其異同點，從而加深對此種恒值調節系統的工作原理的認識，并由此引出關于靜態有差系統和靜態誤差系統的概念；講解火炮隨動系統的實例分析時，提出學生金工實習都見過的數控機床，讓學生分析其異同點，從而得出關于隨動系統和程序控制系統的概念認識。

2.啟發式教學方法

啟發式的教學適用于眾多課程，教學過程中常給學生留懸念，常問為什么，是對學生學習的促進，以有效增強學生的自主參與意識和學習的主動性。尤其對于自動控制原理課程，控制系統的身邊實例很多，所以可以經常提到學生熟悉的事例，再問為什么，讓學生消除對抽象知識認識的恐懼，有想探索奧秘的熱情。比如，講到開環控制與閉環控制，從學生經常接觸的自動售貨機、自動取款機、電烤箱、洗衣機等實例開始，向學生提問題，‘這些系統是怎么工作的呢？工作的方式有什么特點？有什么區別？售貨機出來的商品不對是不是還能自動退回去重新來？烤箱怎么就能讓溫度保持想要的值？如此，讓學生自己去推論認識關于兩種控制方式及其優缺點。在提問的過程中有效地抓住了學生的注意力，‘迫使學生不斷地在思考，跟著老師的教學思路，并不斷受到點撥式的啟發而自行發現了一些新知識點，一定程度上也帶給學生學習的成就感，從而有效提高了課堂的授課效果。

3.探究式教學方法

對自動控制原理中的一些關鍵性的概念和物理問題，有時可以通過讓學生對感興趣的實例進行探究式的討論學習，調動起學生的主觀能動性，加強對抽象理論知識的認識。比如，系統無處不在，控制也無處不在，所以控制系統的認識學習就從我們自身開始。人就是一個復雜的系統，如果把人腦看成機器，那么人用手取物這個控制系統是怎么工作的呢？把熟悉的問題拋出后讓學生展開討論，探討這樣具體的控制是如何經過一個連續的調節過程而完成。并由此讓學生發現反饋控制完成的關鍵要素是信息反饋和偏差，從而引出負反饋控制的工作原理。使學生在活潑的探討中，順理成章地掌握了相關概念和原理。

四、教學手段多元化改革

教育要面向現代化，不僅要求教育內容要符合現代化建設的需要，而且教學手段也要與現代化的科學技術相適應。因此，教學手段在教育教學中有著舉足輕重的地位，直接影響教育教學效果。德國教育家Diesterweg說：“教育的藝術，不在于傳授的本領，而在于激勵、喚醒、鼓舞?！苯處熢诮虒W中應根據學生的心理特征發揮多元化教學手段的優勢，創設情境，從而激發學生濃厚的學習興趣，開拓學生思路，培養學生觀察力和想象力。為此，作者將理論板書講授、計算機輔助教學、虛擬實驗教學與設計相結合，進行自動控制原理課程體系中教學手段的改革探索。

1.板書教學手段

自動控制原理課程的理論推導相對多一些，而有些理論結論或定理的由來是學生正確理解分析方法不可缺少的環節，因此，板書授課是本課程教學過程中的必需手段。作者認為，一定程度上在黑板上的一步步推導、解釋、介紹，將在很大程度上加深學生對所學知識的認識，正確地理解和掌握原理方法的運用模式，避免了單純的幻燈片放映形式的‘一掃而過，不容易‘抓住學生長時間的注意力和興趣。比如，盡管頻率特性分析法包括了很多的圖形，要花很多時間繪制，但對于奈奎斯特穩定判據內容的講解，還是堅持從幅角原理入手循序漸進地推導引出判據內容。讓學生從感性認識上徹底明白此判據的來龍去脈，以更好地了解如何使用判據的內容做系統的穩定性判斷。此時的‘花一些時間，是為了后續讓學生能更好地理解判據的實用方法的根據，而避免單純地從判據內容出發卻不會實際判斷的現象出現。

2.多媒體教學手段

傳統的教學手段是以板書為主的單一模式，缺乏可視化的直觀表現，嚴重影響和制約了課程的教學效果。針對課程中繁雜的理論推導較多、分析方法較多、涉及的實際控制系統案例較多的特點，作者研究了基于PPT演示環境的板書授課輔助教學，既充分利用板書教學的嚴謹性、邏輯性強的優點，又充分利用多媒體教學的生動、逼真、容量大的優點，使教學內容更形象、具體，為課堂教學提供了活力，使學生更容易理解和掌握，提高了課堂效率。比如，講授自動控制理論的由來和發展時，采用多幅生動形象的圖片展示的多媒體形式來介紹，使學生感受身邊存在的眾多控制系統，對控制的發展有了更具體的感性認識，還避免了‘講歷史形式的理論授課。另外，基于頻率特性分析法的自動控制系統校正部分是學生必須掌握的知識點之一，但繁瑣的圖畫使授課效率極大降低。因此采用多媒體方式配合此部分的板書講解，以動畫的形式直觀展現給學生校正的過程實現及校正前后的系統性能改變，大大提高了教與學的效率。

3.虛擬實驗教學手段

實驗是理論教學不可缺少的環節，但傳統的課程實驗一般以基于實驗箱的‘插件連線式認識操作為主，學生缺乏實際與理論的有效聯系與認知理解，往往只是機械地記住了若干公式定理，面對具體問題的時候，不知如何運用相應的知識去解決實際問題?？刂葡到y計算機輔助設計（CSCAD）的出現與發展推動了自動控制原理課程體系改革的進程。作者在課程改革的過程中，基于MATLAB仿真軟件，開發研究自動控制原理虛擬實驗。在給定的系統性能要求的前提下，由學生自主提出控制系統分析與設計的實現方案，提高課程實驗的直觀性與交互性，開發學生自主創新的實踐能力，增強學生對抽象的理論知識要點的理解與應用能力。

五、結束語

綜上，盡管自動控制原理課程理論性、邏輯性很強，比較抽象，學生學習上有一定的困難，但多元化的教學模式豐富了包括教學理念、教學內容、教學方法、教學手段等在內的一系列課程改革體系，使學生置身于多維的豐富知識框架中，感受多角度、多途徑的知識汲取，從而積極融入課程學習，一定程度上培養了學生善于思考、樂于探索的主觀能動性，提高了課程教學效果。

參考文獻：

[1]張冬妍，周修理，趙月容，等.自動控制原理[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]郭勝偉.多元化教學：本科生培養質量提升的必由之路[J].南京中醫藥大學學報（社會科學版），2013，14（1）：60-64.

[3]楊國詩，賈群.“自動控制原理”學習的心理障礙分析及教學改革策略[J].中國電力教育，2012，（14）：67-68.

[4]李存生.論教師的教育激情[J].寶雞文理學院學報（社會科學版），2013，33（4）：99-101.

（責任編輯：劉麗娜）