提高“自动控制原理”课程教学质量的探讨

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　　 [摘要]文章根据“自动控制原理”课程的特点,提出通过宏观教学法建立课程知识骨架,将多种教学手段相结合,采用比较式、案例式、讨论式教学深化概念,最终达到提高教学质量的目的。
　　 [关键词]自动控制原理 课堂教学
　　 [作者简介]余洁(1972- ),女,四川渠县人,上海电力学院电力自动化学院,讲师,研究方向为自动控制教学和人工智能;杨平(1951- ),男,山西太原人,上海电力学院电力自动化学院,教授,研究方向为自动控制教学和人工智能。(上海 200090)王新刚(1972- ),男,山东黄县人,防灾科技学院防灾仪器系,副教授,研究方向为电力系统。(河北 三河 065201)
　　 [中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]1004-3985(2010)29-0128-02
　　
　　 “自动控制原理”是自动化专业的专业基础课,其研究的对象是自动控制系统,研究的中心问题是控制系统在控制过程中的动态规律,主要包括控制系统的数学模型、基于数学模型的控制系统的工程分析方法和综合设计方法等三方面的内容,是一门理论性很强的课程,具有繁琐的数学推导、复杂的绘图理论和数学计算。与此同时,“自动控制原理”也是系统学科、信息学科、机械学科等相关学科的应用基础,在控制科学与工程科学中占有极其重要的地位。加之,课程教学是理论教学的主体,直接关系到教学质量的高低。所以,该课程的授课方式、讲授效果的好坏直接影响着学生后续课程的学习,影响着学生对整个专业知识的掌握。有鉴于此,文章力图通过以宏观教学法建立“自动控制原理”课程的知识骨架,将教学手段与教学内容有机结合,采用比较式、讨论式、对比式等多种教学方式深化概念学习,探讨出提高“自动控制原理”课程教学质量的主要方法。
　　 一、宏观教学法建立课程知识骨架
　　 “自动控制原理”课程的理论性很强,在控制系统建模、分析、设计方面,包含着繁琐的数学推导、复杂的绘图理论和为数众多的数学计算。传统的“自动控制原理”的课程教学常带有很多急功近利的成分,以应试教育为主要的教学目标,为追求高分数而强调对学习内容的死板记忆,过分关注某些具体问题的求解技巧和某类题型的应试技巧,使学生得到的知识往往呈现出片面、孤立的特点,对所学内容缺乏系统的认识和有机的联系,这种做法既不利于学生构建完善的知识体系,也不利于培养学生良好的学习能力。
　　 在实际教学中采用宏观教学法,正是针对上述问题,站在系统的高度,在整体理解和全局认知的基础上,以不断地比较和联系的方式步步深入学习,引导学生在学习的过程中始终把握良好的方向感。在具体实施宏观教学法的过程中,我们需要着重从以下几个方面入手:
　　 1.宏观教学建立“自动控制原理”的体系结构。“自动控制原理”看似复杂,但在整个理论的学习中无非着重一个对象、三方面内容、三个主要性能,即主要的研究对象是负反馈控制系统,学习的内容包括系统的数学建模、系统的性能分析、系统的设计三个方面,其中系统分析是系统设计的基础。分析和设计都是围绕系统的稳定性能、动态性能和稳态性能加以展开的,分析的主要方法是时域法、根轨迹法和频域法,这三种分析法是从不同的角度关照同一个系统。在控制理论教学的第一章引入“自动控制”的概念之后,教师就应该以此为切入点,使得学生对课程的基本结构有清楚的认识,在这样宏观、明晰的基础框架下展开教学,抓住课程主线,将具体的概念、原理归纳到到统一的理论结构中去,前钩后连、融会贯通,使得学生有一个清晰的学习目的和学习思路,避免流于只学到零碎的计算,缺乏系统性、全局性的把握,产生“只见树木,不见森林”的学习怪圈。
　　 2.将理论结合实际。无论讲授什么课程,本课程在学科中的地位和作用,背景和前沿,解决什么问题,都应该是教学的组成部分。“自动控制原理”在理论形成和发展的过程中,充满了前人的创新方法和智慧,这些思想和方法构成了我们今天的系统理论。在教学过程中,要有意识地加入背景知识来深化学生对于理论的理解。比如,拉氏变换的提出解决了微分方程难于求解的数学问题,由此引入“传递函数”这个控制理论中的最为重要的数学模型。又比如,控制系统稳定性取决于系统的极点,高阶系统的极点难于求解,劳斯在其博士论文里提出的“劳斯判据”成功地解决了这一问题。再比如,变化中的系数对于系统稳定性的影响有多大,对于系统动态性能影响有多大等问题运用一般的方法难以分析,而根轨迹则有效地解决了这个问题。控制理论的分析法都是在从古至今技术难题的攻克下一步步地形成的,教师应当有意识地引导学生认识到课程内容中不完整、不严密的地方,进而引入新知识、新方法,使学生能够从中体会控制理论的发展历程,体会前人的创新思想,这对于开拓学生的思路、理解课程的体系结构都有着深远的意义。控制理论作为一门专业基础课程,它的应用非常广泛,大到当今整个社会的调控、人类大脑的行为控制,小到日常生活中每家必备的洗衣机、电饭煲、空调等都是自动控制系统。教师也应有意识地收集各个方面的实例,有筛选、有计划地加入到课程教学中来,启发学生拓展思路,激发学生学习思考的热情,鼓励学生将所学知识联系、应用到实际生活,扩展认知空间,提升认知能力。
　　 二、教学手段与教学内容有效结合,提高课堂教学效果
　　 近年来,在“自动控制原理”的授课过程中多媒体课件的应用逐步地取代了传统的教学方式。在多年的教学探索中,笔者认识到,不要盲目地追求先进手段,让多媒体等现代科学技术主导了原本丰富、多样的人与人之间进行的课程教学,而应该针对课程中实际的教学内容需要,有选择地实现传统教学方式与多媒体教学、MATLAB实验教学等现代教学方式、手段的高效结合,真正达到提高教学质量的目的。以下,就是笔者根据多年的教学经验,归纳出的各个教学手段所经常性地承担的主要内容:
　　 1.多媒体教学负责课程的“动态”和总体。在“自动控制原理”实际教学之初,通过生活、工程中实际应用实例的介绍引出控制系统的基本结构、概念,是整个教学过程的起点,也是关键点。在教学方式上,可以利用生动的图片、flash动画和视频资料的形式增强学生的感性认识,比如通过flash动画演示水位控制系统反馈调节的动态过程,通过倒立摆控制的录像让学生对控制产生直观形象的认识,不仅增强了教学效果,还激发了学生浓厚的学习兴趣。
　　 控制理论的学习中,包含了很多抽象的数学推导和分析,优秀的多媒体课件对于调节学生的紧张情绪,强化学习中的重点内容,相比于传统的板书教学无疑具有十分突出的优点。看似抽象的数学公式,以生动的动画形式出现或者放大,需要强调的重点问题也可以借助于多媒体技术加以反复出现、重点比较,比如在讲解根轨迹的绘制时,可以根据动画完成根轨迹的逐步绘制,在判断系统稳定性与系统根轨迹关系的时候,可以将极点全部在左平面和根轨迹的图形并图显示,判断符合条件的取值范围。
　　 传统的全程板书式教学,过多的推导必定带来之前的部分内容被擦去,出现在学生面前的板书永远只是“不完整的部分”。而在宏观教学为主导思想的课程教学中,多媒体就可以非常有效地解决这个问题,使课堂讲授始终不脱离主线。比如,在每节课或每章的开始和最后,以组织结构图的形式提醒学生当前内容与课程总体的关系,使得学生明确具体知识点在整个知识网络中的定位,哪怕遇到再小的细节困难也不会失去信心。
　　 2.板书教学负责课程的“慢讲”和具体分析。多媒体授课在很多方面具有突出的优点,但是盲目地依赖和追求先进技术,企图毕其功于一役,解决课堂授课的所有问题,无疑是不实际的。控制理论的课程内容多,复杂的数学推导和绘图往往使得学习能力相对较差的学生感到吃力,多媒体每一页的内容容量有限,一套理论的学习必定需要多页的讲解。比如,高阶系统的根轨迹绘制,近十条根轨迹规则,十几页讲完,学生感觉内容多,不会用。这个时候就应该将板书教学和多媒体教学结合起来。用多媒体显示大方向上的操作规则,用黑板演示具体题目的绘制过程,将具体题目和硬性规则有效结合起来,“慢”讲、“精”讲交叉互补,使得学生在理论方法和具体分析双轨并行中更好地掌握课程难点和重点,获得最好的学习效果。
　　 3.Matlab教学负责课程中图形的绘制演示。在控制理论课程的主要内容上,根轨迹法和频域法都是基于图形进行系统分析,在理论初步建立之后,课堂的部分教学内容,可以引入Matlab软件,利用软件的强大功能,去完成图形的演示和分析。例如,在时域分析的时候,相同主导极点所带来的单位阶跃响应有什么不同点,有什么相似性,就可以通过SIMULINK建模,在示波器的输出口观察结果,再引入分析结论。又如,在根轨迹与系统欠阻尼状态的参数取值范围的判定时,可以通过Matlab下的rltool工具来直接绘制根轨迹,并行观察参数改变时阶跃响应的变化情况,体会两者之间的关系,并得到最终结果。再如,在讲解稳态误差时,对于0型系统和1型系统跟踪阶跃信号,可以用SIMULINK建模,辅助观察和讲解,并分析结果。在控制理论的教学过程中,合理地利用软件能够给学生留下直观印象,使其牢记关键的结论,取得事半功倍的教学效果。
　　 三、比较式、案例式、讨论式教学深化概念
　　 在控制理论的实际教学中,还应该根据课程的实际内容,有选择地采用多种教学方法,培养学生的思维能力和创新能力,具体的教学方法如下:
　　 1.比较式教学。在处理两个或多个相似性概念或问题时,应采用比较教学法。通过对比,找出它们之间的共性和区别,突出研究对象的各自特点与相互的关联,强化学生的理解和记忆。比如,在讲解主导极点时,将二阶系统与高阶系统在同一平台下作对比;在讲解频域设计时,针对同一系统采用超前或者滞后校正作比较;讲频域分析时,将极坐标图和对数坐标图进行对比。
　　 2.案例式教学。控制理论里面很多抽象概念,因此,就某一知识点进行讲解时,主讲教师应结合具体案例来加深学生的理解。如,在讲解开环控制和闭环控制时,给出转速控制系统的实例,通过对实例的分析得出结论,即开环控制是给出输入量单向控制转速,输出不理想时无法纠偏,而闭环控制系统则加入反馈,通过比较偏差、调节控制实现纠偏,由于需要检测装置,会导致成本的增加。这样的案例教学可以让学生很容易地理解概念及两者之间的区别。
　　 3.讨论式教学。一种教学方法是否合理,关键是在实施这一教学方法的过程中能否体现“教师为主导,学生为主体”的教学思想。利用讨论式教学法组织教学,教师对学生的思维加以引导和启发,使学生的学习始终处于“问题―思考―探索―解答”的积极参与状态,使学生保持浓厚的兴趣和注意力的高度集中,锻炼学生独立思考和逻辑推理的能力,并最终体会到概念的内涵和规律的实质。比如,在讲解系统伯德图与系统性能的关系时,首先提出问题,如系统的稳态误差主要取决于伯德图哪些位置?系统的动态特性与伯德图有什么关系?让学生展开讨论,分析讨论结果的可能性,最后给出答案。
　　 以上所述,都是笔者结合多年的教学实践,在“自动控制原理”的课堂教学中总结出的一些经验教训,期待着越来越多的教师能够在教学中更好地把握全局观,结合具体教学内容采用更为合理、多样的教学手段,不断探索、改进,更好地提高“自动控制原理”课程的教学质量。
　　
　　[参考文献]
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　　[2]李振龙,乔俊飞,孙亮.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J].教学研究,2009(2).
　　[3]刘晓燕.自动控制原理课程教改探索[J].重庆职业技术学院学报,2006(5).
　　 [4]陈励华.宏观教学法及其在自动控制原理课程中的应用[J].高教论坛,2008(1).

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