“自動控制原理”課程教學改革探討

郭愛文，周 洪

(武漢大學自動化系，湖北武漢 430072)

“自動控制原理”是高校自動化、機械及相關專業的一門重要專業基礎課程，隨著專業課程建設的深入，該課程的教學學時雖有縮減，但教學內容和教學要求卻在不斷提高。我們發現教學中仍存在著難教和難學的現象［1］。

本文以“自動控制原理”課程的教學模式改革探索為例，分析了該課程傳統教學中存在的問題，并在現有的教學模式基礎上，從激發學生學習積極性、提高教學質量和學生的綜合能力培養的角度出發，提出基于學習金字塔模型的教學模式改革。

1 學習金字塔模型理論

圖1所示的學習金字塔模型理論是美國緬因州國家訓練實驗室NTL研究發現的。該模型理論是從戴爾學習圓錐發展而來的［2］。

圖1 學習金字塔模型

該理論表明，學習者在兩周以后還能記得的學習內容，會因為不同的學習方式而有很大差異。學生僅僅聽教師講述，兩周以后記得的內容只剩5%。因為這是最被動的學習方式，學生的參與度最低。圖1中自頂向下的第一項至第四項的學習方式都是被動式的，所以學習的保存率都無法超過30%;而學習保存率在50%以上的，都是采用團隊學習、主動學習和參與式學習獲得的。

2 基于學習金字塔模型的教學改革

從學習金字塔模型中可以看出，學生的學習以能夠轉教別人的效果為最好。學生若以教師的身份對他人進行教學，不僅要自己對內容相當熟悉，同時也要將內容轉化為讓他人能懂的表達方式，這也提升了學生自主學習等潛在智能的發展。

我們根據這一思路，在“自動控制原理”課程教學時，通過啟發式教授，學生通過參與式學習，可取得很好的教學效果。以系統Nyquist穩定判據講解為例，這屬于穩定性分析的講解，具有一定的難度。教師在之前的時域分析法中介紹過Routh-Hurwitz判據，這一判斷方法簡潔明了，容易掌握;在根軌跡分析法中，學生學會了通過根軌跡圖形來判斷系統穩定性;教師此時可以提出:既然有了Routh-Hurwitz判據和根軌跡分析等方法，為什么還要在頻域分析法中再學習較難掌握的Nyquist穩定判據呢?學生從這些提問中思考和理解控制原理中穩定性判據各自的作用，通過自主學習、小組討論及選派代表上臺講解等方式，并將時域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法融會貫通，就能系統地掌握課程知識。

再如課程中控制系統的校正是較難掌握的環節。該部分內容不但需要較為扎實的基礎理論知識體系，而且不同學生的校正結果可能不完全一致。而實質上在經典控制理論中常用的校正方法主要也是來自于時域校正、根軌跡校正和頻域校正的方式。在教學過程中，教師在講解了基本原理后，可以安排學生以組為單位，運用所掌握的基礎理論去分析，在課后自行編寫相應程序。在正式講授過程中，我們讓學生代表講解程序原理，并以實例進行剖析，不僅提高了學生的實踐動手能力和口頭表達能力，同時增加了學生的主動參與度，更活躍了課堂氛圍。

將學習金字塔模型理論應用于教學實踐的過程中，我們發現學生已從原來的被動接收知識轉為主動學習。學生在查資料、寫教案和上講臺等方式中投入了大量的課外時間，結果使其對知識的理解和掌握程度普遍提高。對于Nyquist穩定判據這一重點和難點的掌握上，平均教學保存率超過了85%。

3 基于學習金字塔的實踐環節改革

為了加強“自動控制原理”課程開始前的認知環節，我們為學生開設了2-3學時的“走進自動控制”的認知課程。該課程一方面可激發學生對“自動控制原理”的感性認識，為后續課程的學習奠定基礎;另一方面能幫助學生梳理之前學過的相關基礎課程，如“電路原理”和“模擬電子技術”等課程，讓他們重溫此前學過的概念、理論和方法。給學生建立系統的觀念，為后續學習作好鋪墊。

在實驗教學環節中，學生可以自主設計實驗項目，擬好的實驗方案經教師檢查后可安排實驗。這樣可以有效利用實驗平臺，并可培養學生的創新意識。實驗過程中，教師充分重視學生的過程學習以及過程考評。在實驗中，安排學生可以扮演不同角色:實驗設計者、實驗操作者和記錄者等。為了鼓勵學生自主設計實驗項目，教師應在實驗成績上應予適當反映。

4 結語

學習金字塔教學模式還可以用于習題課講解及學生作業批改等教學環節當中。

針對本文提出的基于學習金字塔的“自動控制原理”教學模式和教學方法，我們相應地設計了綜合成績評價體系和考核辦法［3］。針對該課程內容多和難度大，我們增加了課程平時作業和階段測試內容，特別是增加了課程學習過程評價。實驗成績除了傳統的實驗報告質量考核外，還增加了學生實驗環節的動手能力和小組組織協調能力考核。

從教學過程中看，學習金字塔教學法可以提高學生的主觀能動性。這種教學模式尚存在的不足之處是過程評價體系不夠精確，人為因素偏差較大等。

［1］ 沈輝，張湘平，張明.采用思維導圖進行自動控制原理的研討式教學［J］.南京:電氣電子教學學報.2012，34(1)

［2］ 趙慧杰，黃志紅.學習金字塔模型在《外科護理學》教學中的應用［J］.山西:護理研究.2006，(5)

［3］ 張曉瀛，馬東堂，王德剛.美國MIT電氣科學與工程專業本科生培養［J］.南京:電氣電子教學學報.2012，34(4)