“自动控制理论”双语及网络化教学的改革

戴亚平,姚 远,张 鑫,戴忠健

(北京理工大学自动化学院控制理论与控制工程研究所,北京100081)

0 引言

1998年开始,我校实施“自动控制理论”课程双语教学,教材用《Modern Control Engineering》[1],后来采用《Modern Control Systems》[2]。我们经历了10年的双语教学历程后,针对教学情况与本科学生的学习现状发现了以下问题。

(1)自动控制理论属于理论与实际结合比较密切的课程,学生接受起来较困难。

(2)学生由于缺少实验条件而不能用实际装置来验证理论学习内容,导致学习兴趣不高。

(3)学生对经典控制算法的学习,在缺乏实际应用的背景下难以深度理解。

针对以上问题,我们在教学与实验上进行了以下几方面的改革。

(1)制作了详细的英文教学课件,便于学生学习与课堂笔记。

(2)增加了基于互联网的教学示范实验。通过登陆校园网,在课堂上可给学生实时演示控制算法的具体应用。

(3)加入了四个现场实验:①二阶系统的PID整定;②状态反馈器设计;③频率响应法的分析与仿真;④鲁棒控制系统与设计。

1 双语教学中的关键问题

1.1 教学中存在的主要问题

(1)教材问题

目前我校采用了文献[2]第十版作为教材,能够更多地给学生启示。但让他们独立阅读一本有相当难度的英文教科书,会有相当的难度。

在2007年,“自动控制理论”授课结束后,我们就双语教学进行了一项简单的调查,结果如下:“满意”占34.1%;“一般”占49.4%;“不满意”占16.5%。

学生提出的主要问题是:①英文教材内容与课件不一致,要求自编一本英文教材;②英文教材内容不太适合中国学生;③讲课内容能听懂,但不会做题,希望多讲习题。

由以上调查结果可见,学生对双语教学的效果满意程度不高,说明我们的双语教学效果不理想,还有许多值得改进的地方。

(2)实验设备问题

扩招后本科学生人数增加了好几倍,而实验室的数量却没有增加,实验室设备没有及时更新。我们对实验室调查表明,对现行实验“满意”占27.5%;“一般”占56.5%;而不满意占16%。

学生提出的主要问题是:①设备陈旧需要更新;②希望增加多人协作实验;③实验可参与性较差;④对控制原理难以理解。

可见学生对实验教学状况满意程度更低,反映出与双语教学相配套的实验教学的状况令人担忧。

1.2 为满足教学要求进行的改进措施

(1)教学课件与教学模式

根据教学大纲的要求,我们制作了相关的英文教学课件,使教材中讲述不够详细的地方在教学课件中得到充分的补充,并针对相关的关键理论与解题方法补充例证说明。

(2)网络化教学与实验

我校于2005年获得教育部资助,开始建设“基于互联网的远程控制测量与决策研究生创新实验室”,使远程实验室可实现一个多向互动的知识传授与学习新模式[3]。

2 自动控制理论教学网站设计

教学网站的基本组成有如下四个模块。

1)在线教学模块

在线教学模块包含有课堂的在线授课(视频录像)、教学大纲、教学进度安排、作业、典型问题讲解和拓展练习等内容。这还可以给本校其他学生提供一个辅助教学工具。

2)辅助学习模块

教学网站网页界面为Matlab编程环境。以图1所示的Bode图学习为例:网站提供了丰富的典型例题,先让学生手工绘制Bode图,然后教师指导学生使用Matlab语言在网站上在线绘制Bode图。两张Bode图比较后再通过改变转折频率,分析对控制系统产生的影响。

图1 Bode图绘制网页图

3)控制策略功能模块

此模块是以Matlab为工具进行虚拟仿真实验,用于训练学生的控制器设计能力。平台提供了一个可变参数的被控对象模型,以及一个可变参数的PID控制器和一个可变参数的状态反馈控制器。学生可以通过调整PID参数和状态反馈增益等方法来获得最佳的控制效果。

4)管理与维护模块

网站的管理采用多级权限管理的模式。普通用户只能浏览网站,参与论坛的学术讨论,观看网络实验。学生除了普通用户功能以外还可以在网站上进行课件下载,提交作业,使用Matlab仿真平台进行网络实验并提交实验报告等功能。助教可完成发布和更新公告信息、留言信息、管理员信息、作业信息、教学进度、教学计划信息以及答疑信息等任务,并拥有对普通用户和学生用户的管理权限。教师还可以对学生提交的作业及实验报告打分。

3 远程自动控制实验系统

如果在“自动控制理论”的教学中,能够一边上课一边进行实验演示,来说明自动控制理论的具体应用,对学生接受相应的知识点无疑是一个很好的促进。我们在网络化的远程自动控制实验系统上进行倒立摆实验为例,来说明该系统的功能。

学生登录远程实验室之后,首先打开倒立摆远程创新实验的网页,根据“自动控制理论”课程中学到的控制方法使用Matlab设计控制器,然后将控制器和建好的数学模型连接起来进行仿真实验。当仿真实验取得满意的结果后,才允许学生进行实物的控制实验。学生重新登录网页,在网页中下载用于控制该实验设备的Simulink模型文件,如图2所示。然后将自己新设计的控制器替换这个Simulink模型文件中原有的控制器,再将修改后的Simulink模型文件上传网站。

图2 针对倒立摆的Simulink参考模型

服务器将自动调用用户上传的Simulink模型文件来控制实验设备。在实验过程中,用户可以在网页视频窗口中实时观看实验设备运行状况。实验结束后显示实验过程中产生的实验数据和实验曲线,如图3所示。

4 民意调查的结果与分析

在进行多项改革后,我们于2008年再次对双语教学进行调查,其结果如下:“满意”占59.7%;“一般”占40.3%;“不满意”为0%。

图3 倒立摆实验结果传送到用户的介面

学生提出的主要问题有:①课件应该准备中英文两份;②应多布置一些例题;③希望讲解得更细致一些。

对现场实验的调查结果如下:“满意”占84%;“一般”占16%;“不满意”为0%。

学生提出的主要问题有:①希望提供更多设备;②应增加实验内容。

对远程实验的调查结果如下:“满意”占72%;“一般”占16%;“不满意人数”为0%。

学生提出的主要问题有:①网站应公布习题答案,便于学习;②希望增加图形的显示功能。

由调查可以看出,对于双语教学的满意程度已经由2007年的34.1%,上升到了59.7%。对于双语教学不满意的人数,已经从16.5%下降到0%。

5 结语

为了促进“自动控制理论”的双语和网络化教学,我们采取了多种教学改革措施,并建立了一个教学网站。教师可以应用此网站在多媒体教室联网辅助授课,学生在课后也可以随时查看网站的教学资源,进行相关的控制实验。此网站为师生提供一个沟通互动的环境,不仅延续了课堂教学,弥补了传统教学的不足,学生之间可以资源共享,达到了提高学习效率和改善教学效果的目标。

[1] Katsihiko Ogata,“M odern Control Engineering”[M].北京:清华大学出版社,2006,第4版

[2] R.C.Dorf,R.H.Bishop“Modern Control systems”[M].北京:高等教育出版社,2006,第十版

[3] 戴亚平,田德振,董芳艳.混合结构的互联网资源共享和远程控制实验室[J].北京:仪器仪表学报[J].2008(2):250-255