大众化高等教育质量观下的控制理论教学改革

2011-02-17刘坤陈桂邢灿华林健南京工程学院自动化学院江苏南京211100

中国科技信息 2011年23期

关键词：自动控制大众化教学方法

刘坤陈桂邢灿华林健南京工程学院自动化学院，江苏南京 211100

刘坤陈桂邢灿华林健南京工程学院自动化学院，江苏南京 211100

高等教育在向大众化方向推进的同时，也不可避免的出现了一系列问题。如何全面提高大众化高等教育的教学质量已成为教育界关注的主要课题。本文针对大众化高等教育面临的主要问题，对经典控制理论课程提出了一系列教学方法和手段的改革。

高等教育；教学质量；控制理论

我国从1999年开始实施高校“扩招”政策，到2010年，我国高校的毛入学率已达到25%。根据最权威的美国社会学者马丁在20世纪70年代提出的“当一国高等教育的毛入学率大于15%小于50%属于大众化阶段”的理论，我国高等教育已经进入了大众化阶段。大众化高等教育的质量提升本应该与规模发展同步进行，但在具体实践中，教育质量仍是任重道远。在教学层面上人才培养模式、课程体系与教学方法手段的进一步更新和改革将在不同程度上增强教学质量的提升。

1.我国大众化高等教育的意义及质量问题

随着高等教育大众化进程的推进，我国的教育体系结构和性质也发生了改变。高等教育规模的扩张，越来越多的人接受高等教育。一方面，高等教育在为国家经济发展提供了更多的人才资源的同时，提高了国民整体素质和就业人员文化水平；另一方面，在促进经济发展和消费的同时缓解了高校资金紧缺状况。但是高等教育在取得巨大成就的同时也出现了一系列质量问题：师资不足、生源下降，人才培养模式及课程体系不完善，教学管理理念及管理制度有待健全等。作为高校教师，全面提高大众化高等教育质量观下的教学改革已势在必行。

本科教育一方面要为毕业生就业做准备，同时也要为那些准备继续深造从事学术研究的学生打下学术基础。为了满足不同层次学生的需要，多年来课程组一直在摸索教学体系的改进。

随着计算机及信息处理技术的迅猛发展，自动控制技术在众多领域中起着越来越重要的作用。自动控制原理是研究自动控制共同规律的技术科学。该课程知识覆盖面广、课程内容多、更新发展快且应用性很强，对学生建立系统和工程的概念具有十分重要的意义。按照高等教育“大众化”的实际情况和质量工程的要求，针对不同层次的学生进行了一系列经典控制理论课程的教学改革。

2.课程教学方法的改革

根据学校定位及人才培养目标的要求，针对应用型本科层次培养对象的实际情况，经过不断改革，本课程采取了案例教学法、归纳法、问题式教学法和比较对照法等教学方法。

2.1 案例教学法

案例教学法是以学生为主体，以培养学生的自主学习能力、实践能力、分析和解决问题能力为基本目的的一种教学方法。不像传统的教学方法，教师扮演着设计者和激励着的角色，鼓励学生积极参与讨论。本课程中，案例教学法主要用于解决理论如何应用于实际工程的问题。在教材中主要各章的后面都配有如何将所学知识应用到自动控制调速系统的实际案例，通过这些案例的讲解，使学生对所学理论知识的运用有一个及时的初步了解。一方面提高了学生学习的针对性和积极性，同时也为后续课程的开设打下了较好基础。例如，在时域分析法章节后，提出了性能举例。针对单闭环有静差调速系统和无静差调速系统分别对其动态性能和稳态性能进行分析。在对系统进行稳定性分析时，采用了劳斯稳定判据的方法；在快速性分析时，采用了性能指标的计算方法；在稳态性分析时计算了不同输入下的稳态误差值。通过分析比较，让学生在了解两种调速系统区别的同时，熟练掌握了系统时域性能分析方法。使学生对枯燥的理论知识有了具体的实践认识。

2.2 归纳法

归纳法是一种由个别到一般的论证方法。它通过个别的事例或分论点，然后归纳出它们共有的特性，从而得出一般性结论。归纳法可以先举实例再归纳结论，也可以先提出结论再举例加以证明。本课程教学的一个特点就是在多处采用了归纳法教学。即从个例到一般。这是人们认知新事物时，使用的一种方法，由于避免了直接建立抽象的新概念，使得人们的认知过程比较容易一些。对于应用型本科层次的学生来说，采用这一方法来教学可以取得较好的效果。例如，在分析穿越频率与动态性能的关系时，就是以中频段斜率为[-20]为例，来找出穿越频率与快速性的一般关系的；同时，又以中频段斜率为[-40]为例，并与斜率为[-20]时进行比较，找到了中频段斜率与稳定性的关系。虽然归纳法得到的结论往往没有经过严格的推理证明，但易于接受，且符合大部分情况，是工程应用型本科教学中一种值得推荐的方法。

2.3 问题式教学法

问题式教学法是一种启发式教学法。它以提出问题、分析问题、解决问题为线索，并把这一线索始终贯穿整个教学过程。采用问题式教学方法分为两种：一种即教师首先提出问题，学生带着问题自学教材，理解问题和讨论问题，最后教师根据讨论情况，有针对性地讲解，准确地引导学生解决问题。这种教学方法操作简便，适合不同层次学生，实践效果良好。在设计“问题”时主要体现两个原则：首先从教学大纲出发，围绕教学重点提问，这样问题解决了，教学重点也就掌握了。另外，创设的问题具有现实意义，注重理论与实践结合，

制造教学兴奋点。提问有新意和针对性，这样可以很快使学生处于兴趣盎然、思维活跃的状态中。如果要利用问题式教学法进行难点教学，可通过答疑找到难点问题，并经分析找到问题的症结所在。在随后的教学中，可以用问题形式来做引导性教学。例如，在讲解“稳定”的定义时，以倒立摆为例，先提出“系统正常工作的表现应该是怎样的？”通过讨论，引导学生做出如下回答：“不持续振荡”、“输出量不会不受控制的变大或趋于零”、“系统的外部作用取消后，其输出响应将回到平衡状态”等等，这时，再进一步引出稳定的定义，就会使学生容易理解。另外一种即学生首先针对所学知识提出疑问，老师进行针对性讲解。为了使不同层次学生能提出问题，一般都要增加一些教材上没有的有关资料，丰富课堂信息；同时，使学生进一步从中体会所学知识，提高他们认识问题、分析问题的能力和水平。该种方法对老师和学生都提出很高要求。首先要求老师能够有充足的知识储备，能够应对学生可能提出的所有问题。由于学生自身知识和能力的欠缺以及实际问题的复杂性，有时可能会提出一些与事实不符的问题。

2.4 比较对照法

比较对照法分为求同对照、求异对照和相似对照三种。求同对照是将相同的知识或性质相似的材料放在一块加以比较，使学生利用新旧知识之间的联系，加深理解，增强记忆。例如，在讲根轨迹的绘制时，将系统的不同工作状态下K（开环增益）的取值范围时与S（阻尼比）的取值范围进行比较，学生在学习根轨迹方法的同时回顾了时域分析法，并能将二者有机结合起来理解。求异对照是寻求两种方法的差异。世上没有两粒完全相同的沙子，也没两片完全相同的树叶，这一见解早已得到人们的认同。而教师的责任就是引导学生将不同分析方法的差异揭示出来。在教学实践中，求异比较是大量的、经常的、广泛的，其实用频率远远超过求同比较。例如，在介绍奈氏图时，就将其与根轨迹图进行比较，说明它们是处于不同的平面，横轴变量和纵轴变量都不相同。这样，学生就会对两种图形分析方法有清晰的概念，教学效果很好。相似比较介于求同比较和求异比较之间。要引导学生在似与不似之间找出事物的细微差距，的确有相当难度。但是，从教学实践来看，成功的相似比较，能最大限度地开发学生的潜能，同时也考验教师的教学水平。例如在介绍奈氏稳定判据时，可以将其与对数频率稳定判据进行比较，它们虽然处于不同平面，但都可以分析闭环系统的稳定性。奈氏判据的实用表述可用于对数频率特性图上。奈氏图上（-1，j0）点的左侧，对应于对数幅频特性图中的区段。奈氏图中的负实轴对应着相频特性途中的-180度线。曲线沿相角增加方向从上往下穿越负实轴（正穿越），对应着相频特性曲线沿相角增加方向从下往上穿过-180度线（正穿越），反之依然。通过这种相似比较，学生对两种稳定判据都有一个清晰的认识和掌握。

3.课程教学手段改革

充分利用我校在校企合作中共同建立起来的实验中心资源，对先进的控制系统进行现场教学，可达到理论与实际紧密结合，改进教学效果，提高教学质量的目的。

3.1 独创实践性教学新模式

本课程教学团队自行开发了“自动控制原理实验系统”，结合校企共建实验中心的资源，设计了由《基于MATLAB的系统仿真实验》、《自动控制原理模拟实验》、《自动控制系统性能综合分析实验》及《自动控制系统应用现场教学》组成的“四模块”一体化实践教学新模式。学生可以通过MATLAB仿真实验熟悉教学内容，并掌握用MATLAB分析系统的方法；通过自动控制原理模拟实验，了解实际控制器与模拟受控对象组成的控制系统，进而学习掌握构建、分析和校正系统的一般方法，这就往实际方面靠近了一步；再有，通过基于计算机控制的自动控制平台可以更接近实际地了解真实的调速系统和伺服系统的工作原理，掌握各种系统结构及参数对系统性能的影响，另外，也可通过倒立摆控制系统来进一步了解系统的控制过程及分析方法；最后，再在校企共建实验中心进行现场教学，通过对工程中实际运用的先进自动控制系统的现场教学，达到融理论与实践于一体的目的。

通过设计、构建具有特色的实践教学体系，完成从书本知识到虚拟实验，再到模拟实验，进而到真实系统实验，最终到工程应用现场体验的过渡，可大大增强学生的动手能力和将理论与实际相结合的能力，同时也培养了创新能力。在本课程组老师的指导下，或通过本课程实践教学的培养，许多学生在大学生科技创新活动中取得了不错的成绩，不少同学还获得了各种奖励。

3.2 编写有特色的主体教材

根据应用型本科人才的培养目标，作为教育科学“十五”国家规划课题研究成果，2004年由黄坚老师主编了《自动控制原理及其应用》教材，2009年该教材出了第二版。该教材反映了本课程教学团队多年的教学经验和教改成果，其主要特点是：以实际工程中要用到的知识为主要内容；突出物理概念的阐述，减少数学推导；引入归纳法教学模式，即从特例讲解出发，推出一般性原理，便于读者接受；通过仿真实例加深理解；强调案例教学，从自动控制原理的角度对工程实例进行分析设计，阐述理论如何应用于实际工程。该教材由高等教育出版社出版，一出版就受到了广大读者的欢迎，至今已印出5.5万册，加上前期的同名教材，印数已达20.7万册。该教材的出版和使用，适应了应用型本科层次自动化专业人才培养的需求，为本课程教学内容、教学方法和教学手段的改革及新教学体系的构建做了很好的铺垫，也为在我国探索应用型本科人才的培养之道做出了贡献。

为了改革教学手段，提高教学质量，本课程教学团队成员通过几年的努力，开发并完善了与课程配套的多媒体课件，使得抽象的内容变得具体，枯燥的理论教学变得形象、生动。除得到广大师生的认可之外，还得到了高等教育出版社及相关专家的高度评价。除此之外，还构建了试卷库、课程习题及参考答案等相关教学资源。在上述工作的基础上，还建成了本课程的相关网站，开辟了网络课程，大家可通过网站获取本课程的各种教学资源。

立体化教材的建立为学生上课学习、复习以及自学提供了优良的环境，增加了学生的学习积极性，提高了教学质量。

3.3 实验教学的改革

自动控制理论的实验教学既要培养学生的分析问题和解决问题的能力，还要重视培养学生的思维能力和创新能力。因此对传统的实验教学方法进行了改革，在实验教学方式上改变单一的验证性实验的按部就班方式，改变一包到底的做法，要求学生根据实验内容完成预习报告，在实验的安排次序上由简单到复杂，由验证性实验到设计性实验，最后进行综合性实验。由浅入深，循序渐进。例如，在典型环节及系统性能的模拟以及计算机仿真时域法、根轨迹和频率法等验证性实验的基础上，提出了一级倒立摆根轨迹及频率响应控制的设计性实验，最后设计了自动控制系统性能校正的综合性实验。验证性实验要求学生对常用主要自动控制原理的试验方法有所了解，并掌握各试验原理、步骤和常用试验仪器设备、仪表的操作方法及一些基本环节和系统性能分析的运算。设计性实验充分发挥学生个性，要求学生选择实验方法和步骤，选用仪器设备，提出实验预案，经老师同意后独立操作完成设计性实验，写出实验报告。综合性实验在已具备实验技能的前提下，根据实验室现有设备情况，完成自动控制系统校正装置的电路设计和参数选择。学生根据实验指导书的提示确定实验方案，设计实验电路并选择参数，另外，在人力物力允许的条件下，实施完全开放式实验教学方式，加强学生的基础训练、解决实际问题的能力和创造能力。

4.考试形式的改革

科学地运用考试的检查评价、教育激励、反馈调控、培养督导等功能对提高教育质量，推进素质教育会产生不可替代的作用。为引导学生全面发展，科学评价学生的学习效果，在考试内容上应包括课程的基础理论、基本知识、基本技能以及在融会贯通基础上分析问题、解决问题的能力及综合素质。在考试形式上应包括平时作业完成情况、课堂讨论的表现、闭卷考试、开卷考试、课程论文及其它检测手段等。在考核形式上作了较大幅度的改革，

即把以前的单一闭卷考试或开卷考试形式改革为多方兼顾的考核形式。最后总评分是采用比例记分形式即，平时成绩20%〈包括10%作业10%课堂及平时学习表现〉，实验10%，期末考试70%。这种考核形式改变了一考定终身的考核制度，而对平时的学习提出了更高的要求。结果表明，由于加重了平时权值而淡化了期末考试，学生普遍认为掌握了学习的主动权，不及格率也明显下降。