《自动控制原理》全方位教学改革体系的构建思考

摘要：《自动控制原理》课程具有数学推导多、理论知识面广、结合工程背景强等特点，这使得不少教师在教学过程中感觉难以在有限的课堂时间内清晰阐述整个课程的构架，而学生在学习过程中感觉枯燥无味且内容生涩难懂。在这种背景下，学生只是机械地记住了若干公式定理，很难用相应的控制思想去解决实际工程中的问题，为此研究如何通过《自动控制原理》课程的全方位教学改革来激发学生的学习热情，切实提高学生的知识应用能力和科研素养，就显得尤为重要。

关键词：自动控制原理；应用型教学；教学改革；教学体系

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0081-02

近年来随着我国经济发展步入新常态，高等教育过于重视研究的缺陷日益突出，为此2010年6月教育部在全国高校开展“卓越工程师教育培养计划”，旨在促进高等教育由研究型向应用型转变[1]。在高等教育转型的过程中，我院为提高自动控制专业学生的实践和创新能力，构建了《自动控制原理》课程的全方位教学改革体系，现就其中比较典型的经验进行总结。

一、《自动控制原理》课程的教学现状

第一，课堂信息量与课时之间的矛盾比较突出。《自动控制原理》涉及较多的理论知识、图形（如对数坐标图、工程应用原理图等，在图形的绘制和讲解上需要耗费较多的时间）、公式推导、应用介绍等，虽然本院教学计划为96课时且开设16课时的实验，但相对于如此庞大的课堂信息量，课时还是略显不足，同时学生在有限的课时内很难有效消化众多的知识点，使教学效果大打折扣。

第二，实验课的授课方式有待改进。虽然我院对实验课的内容和环节都进行了精心设计，但仍然按照传统理论授课的方式来开展实验课（即教师对实验步骤进行详细讲解后，学生按照步骤来进行操作），这弱化了学生的动手实践能力，学生的思维在实验中处于僵硬状态，没有让知识成为整个实验的驱动[2，3]。

第三，多媒体课件的应用不够深入。利用多媒体课件能够使学生获得直观的印象，激发学生的理想式思维（如在频率特性的讲解中，可以通过动画来让学生了解系统的频率响应曲线是如何随系统参数的变化而变化），也有助于调节单调的课堂氛围。但目前多媒体课件在我院应用的较少，更多的知识讲解还是依靠板书。

第四，教学方法比较单一。“传授知识点为主，启发式教学为辅”的教学方法过于强调传授知识，难以激发学生自我学习的热情和创造力，同时制约了学生灵活应用知识的能力。

二、《自动控制原理》全方位教学改革体系的构建

1.融合工程实例来优化教学内容。教师在选择教材时，不仅要考虑到学生接受的难易程度及教学的课时量，还要考虑到所授专业未来的就业方向[4]。虽然现在《自动控制原理》的教材较多[如科学出版社的《自动控制原理》（第五版）教材对自动控制的基本理论进行了全面阐述，并将MATLAB软件的仿真包含在内，但其与工程实践的结合还不够紧密]，但考虑到本院学生的实际需求，课程组人员自行编写了《自动控制原理》教材，在教材中除包含系统控制理论和控制方法、系统分析方法、系统设计及线性系统校正方法等重点内容外，还融入了具体实例（如板带轧制过程控制、双容水箱的压力控制）来帮助学生对相应知识点进行消化吸收。

2.采用多元化的教学方法。《自动控制原理》课程教学中可用的方法较多，例如：

第一，专题式教学法。专题式教学法比较适合学时较少的专业，其流程如下：教师将若干个核心内容进行整合，选出具有代表性的研究热点和国内外研究进展讲述研究知识在具体实践中的应用向学生提出需要思考的问题和研究方向。

第二，问题式教学法。问题式教学法有助于激发学生的探索意识，其流程如下：教师提出具体的研究内容，让学生就该内容寻找相应的问题学生根据所学知识来进行自主思考，然后与其他学生进行沟通和交流来制定问题的初步解决方案学生对问题的解决情况进行反思，并对解决方案进行完善，从而力求彻底解决问题。

第三，关联教学法。所谓关联教学法，是指教师将学生已掌握知识和其他利于新知识理解的相关信息联系起来，促进学生在较短的时间内更好地掌握新知识，在复习已有知识的基础上对新知识进行融会贯通。

3.灵活应用多媒体课件来辅助课程教学。如前文所述，《自动控制原理》是一门抽象性和理论性很强的课程，很多枯燥烦琐的理论问题如果依靠板书，很难让学生产生直观印象并激发学生的学习热情，因此适当应用多媒体课件来辅助课程教学就显得尤为重要。本文将以Matlab在《自动控制原理》中的具体应用来进行说明：

第一，构建系统模型。在利用Matlab对控制系统进行辅助分析时，需要首先进行系统建模。利用Matlab的Simulink工具箱可直接构建系统的方框图模型，比传统的仿真软件（如差分方程建模）更加灵活和直观[5]。

第二，进行性能分析。如果利用人工来对系统的稳定性进行判断，那么需要大量的公式计算来对系统的动态响应指标进行分析，不仅过程烦琐且教学效果较差，而如果利用Matlab的Simulink工具箱，则可以极大地简化计算过程。

第三，进行系统设计。系统设计是根据给定的对象模型来确定合适的校正装置，确保系统达到相应的指标性能，而Matlab的Simulink工具箱允许对参数进行随意修改，并且可以对仿真结果进行即时观测，从而使设计者可以通过对仿真结果的分析来对参数进行修改，以获得最佳的指标[6]。

第四，进行实验仿真。通过Matlab的Simulink工具箱，教师从模块库中复制系统所需的模块，然后按照硬件实验系统的方框图进行连接就可以完成虚拟实验仿真教学，不仅提高了仿真结果的可信度，而且有助于激发学生的创造灵感。

4.实施“以学生为主体”的模块化实验教学模式。本院实施了“以学生为主体”的模块化实验教学模式，在力求让学生成为实验主体和兼顾学院现有的实验条件的前提下，将整个实验课划分为如下几个模块：

第一个模块是验证性实验。作为整个实验教学的基层，验证性实验对学生自主创新能力、分析能力等要求较低，需要学生在认真学习实验指导书的情况下，遵循实验指导书规定的实验步骤来完成相应的实验，并通过分析实验结果来对已学理论知识进行验证（如典型非线性环节实验）。

第二个模块是设计性实验。验证性实验虽然可以提高学生理解和分析实验结果的能力，但由于缺乏必要的实验环节设计，导致学生在实验过程中往往按部就班，难以发挥学习能动性，为此在验证性实验的基础上延伸了设计性实验（包括控制系统设计、分析实验），此类实验只给学生提供实验目的、要求和设备，然后让学生根据所需的理论知识来自行设计实验方案，并在Multisim仿真软件或模拟试验箱上进行验证，从而提高学生在实验中的参与度。

第三个模块是创新性实验。在设计性实验的基础上，通过引入工程应用背景，让学生自主设计实验题目及实验方案，并在实验完成中进行实验结果的分析。由于结合相应的工程应用，并且对建模方法、实验题目、实验设备、控制方式等不做任何限制，因此非常有利于学生的创新意识，并能够帮助学生将书本知识自主转化为相应的工程应用。

第四个模块是综合性实验。上述三种实验的被控对象是用仿真软件或模拟电路来实现的，而综合性实验的被控对象是实物对象，是学生在综合利用书本知识的基础上，对自动控制系统进行自主分析和设计的试验（包括数字PID控制实验、状态反馈与状态观测器实验等）。

5.构建科学合理的教学质量评价体系。学生的综合素质绝不能仅仅靠考试成绩来衡量，为此我院构建了完善的教学质量评价体系，分别包含理论课程的评价和实验课程的评价两个部分（其中理论课程占学生总成绩的80%，实验课程占学生总成绩的20%，具体如表1所示）：

三、讨论

经过近年的不断改革，本院已经构建了比较完善的《自动控制原理》教学体系，通过理论和实践的交互来不断提高学生对理论知识的应用能力和创新意识。但毋庸置疑地，任何一门课程的知识点都处于动态发展之中，《自动控制原理》课程也不例外，需要我们不断地对教学理念、教学方法、辅助技术、教学评价等进行改革，以适应技术发展的需求。

参考文献：

[1]谢林柏，徐颖秦.面向卓越计划的“自动控制原理”课程教学探索[J].中国电力教育，2013，（31）：91-92.

[2]崔明涛，过润秋，盛英，叶俊杰，段学超[J].电气电子教学学报，2015，37（3）：24-27.

[3]林敏，郑永军，黄咏梅.二阶系统频率特性的探究性教学[J].电气电子教学学报，2010，32（2）：106-108.

[4]刘琳，刘志新，张秀玲.基于控制系统分析的自动控制理论课程建设及实践[J].教学研究，2012，35（3）：47-50.

[5]刘金颂，张庆阳，苏晓峰，杨蕾.Matlab软件在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（6）：138-141.

[6]结硕，韩光胜.Matlab在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理，2010，29（2）：95-98.