基于多元化模式的自动控制原理课程改革

张冬妍?周宏威?戴天虹?贾鹤鸣?郑纲

摘要：分析了自动控制原理课程的特点和存在的问题，提出多元化教学模式在自动控制原理课程教学改革中的应用，并具体阐述了教学理念、教学内容、教学方法和教学手段上的多元化改革。实践教学表明，基于多元化教学模式的自动控制原理课程教学，有效提高了教学效果，增强了学生学习的兴趣和主体参与意识，改革成效明显。

关键词：多元化；自动控制原理；教学模式改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0144-02

在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。[1]自动控制原理作为大学本科自动化及其相关专业的一门非常重要的专业基础课，在控制相关专业的课程体系中占有很重要的地位，是学生学习数字控制、计算机控制系统、过程控制等后续的应用型专业课程必需的知识基础储备。该课程的理论性和工程实践性均较强，具有内容丰富、理论深度大、涉及知识面广、信息量大、更新发展快的特点。其分析方法较多，对数学知识要求高，学生在学习过程中常感觉内容抽象，难于理解，进而不能很好地掌握，沿用传统的教学方法和模式成效不大，因而针对自动控制原理的课程教学改革任重道远。

随着现代化教育的不断革新，多元化教学模式成为了传统课程教學改革创新的有效手段，如何将枯燥的东西生动化，抽象的原理形象化，复杂的结构具体化，深奥的理论简单化，都体现在教学模式的科学性、实效性与合理性上[2]。为此，作者在课程改革过程中，采用多元化教学模式，以学生为主体，以教师为主导，进行教学理念、教学内容、教学方法、教学手段等方面的改革尝试，以全面提高自动控制原理课程教学效果。

一、教学理念的多元化改革

“所谓师者，传道，授业，解惑也。”教师的教学理念直接影响知识的传授效率和学生的学习热情。

1.非智力元素的激发

长期以来，值得每一位教师注意的一个问题是，兴趣、注意力、心理因素等非智力因素对学生的学习起着非常重要的作用。多元化教学要实现的是将视、听、说有效融为一体，使课堂‘动起来，充分利用学生在学习中的非智力因素，把学生注意力、兴趣引导到学习对象上，进而使学生对学习对象获得深刻、完整的理解，由此调动学生的积极性和主动性。尤其是对自动控制原理这样相对学习难度较大的理论课程，教师在教学中更应充分调动学生潜在的非智力因素，以有效提高教学效果。

2.重视第一堂课

俗话说“好的开端是成功的一半”。第一堂课上得好与坏，会在很大程度上影响到学生对本门课程的喜爱程度、听课兴趣和效率。因此，在自动控制原理的第一堂课上，除了常规的课程学习内容、学期目标、教学计划、课堂要求、课程考核方式的介绍之外，作者在多年教学过程中会注重课程的重要性说明和学生学习本门课程的恐惧心理的消除，以使学生建立正确的学习态度，有效激发学生潜在的学习热情。

控制的例子随处可见，所以就从学生熟知的一些具体的实际例子入手，阐明自动控制在社会发展中的重要性，以及在本专业所有课程中的承上启下地位，突出学习自动控制原理对将来走上工作岗位后的实用价值，激起学生对课程内容的好奇心，让学生产生一种学好本课程的冲动。

另外，由于自动控制原理课程的逻辑性和理论性都很强，要求的数学和物理基础较多，所以很多学生在上课前或多或少地有所了解，而产生一定的学习压力和障碍，认为自己‘基础差或者不够聪明而不可能学好这样的理论课程。[3]针对这些现象，作者在第一堂课上总会花一定的时间去消除学生的这些顾虑，培养他们对课程的正确认识和自信心。比如，向学生指出，尽管自动控制原理涉及了众多的数学公式或者物理推导，但作为控制类专业基础课我们更侧重的是让学生掌握其中的原理、方法，会利用这些方法手段解决问题，而不是侧重让学生学会如何进行所运用方法的数学或物理推导来由。授课过程中会从一些相对浅显的、容易理解的事例出发，教给学生具体的知识认知和解决问题的方式方法，从而扩展开来，学会解决一类或相关的几类问题。让学生感受只要有坚持、有努力，学习上的困难是可以迎刃而解的。

3.教师的教育激情

德国哲学家Jaspers说：“教育意味着一棵树摇动另一棵树，一朵云推动另一朵云，一个灵魂唤醒另一个灵魂。”教育的真正目的不是把现有的知识强加给学生，而是传授知识的同时激发学生的创造力。学生的学习需要教师的带动，激情使教育充满情趣，在情意融融的教育氛围中，学生才会受感染并萌发创造的欲望。[4]在教学过程中，教师如果能够开拓教育教学的多元化，就可以充分激励学生的求知欲望，培养学生的创造性思维。同时，学生的反馈也会给教师带来新的角度和观点的交汇，以促进教师教育教学方法的改进，而从另外一个方向给予教师不断的教学工作激情的鼓舞。在这样一个教师与学生的信息互动过程中，作者一直尝试把课堂教学过程看作创造幸福的过程，每一次课都当成新课讲，去寻求新的发现，建立新的认识。更大程度地坚持做到不断提升自己的教育激情，用自己不断扩充的知识储备去影响学生，用自己积极乐观的情绪去感染学生，以自己饱满的热情去带动学生，从而营造和谐的课堂氛围，改善教学效果。

二、教学内容多元化改革

纵观国内、外的经典教材，大多数是以侧重基本理论知识详述为主要目的，繁杂的数学推导使学生的独立理解效果大大降低。作者在十几年教学经验的基础上，结合配套教材的编写，对自动控制原理课程教学内容进行了多元化的改革。

首先，从理论教学内容上，注重从基本理论和概念出发，强调物理概念，淡化繁冗的理论推导。在内容阐述上侧重整体感和细节显现的表达，比如关于线性控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频率特性分析法、离散控制系统分析、非线性系统分析的内容叙述上，均以‘三结合叙述模式，即围绕自动控制系统性能评价的稳、准、快三方面基本要求这一共同主线形式展开，使逻辑性和清晰度大大提高；关于控制系统的数学模型部分，为了使学生理性和感性思维上都能有清楚的认识，在系统建模的阐述上从机械平移系统、静力平衡系统、转动系统、以学生熟悉的直流电动机作为典型实例的机电混合系统几方面介绍，从不同的角度展现对建模问题的具体实现，使学生从多方面加深对建模问题的理解和掌握；关于频率特性分析法中图形形式数学模型的阐述，改变传统的极坐标图的介绍，然后对数坐标图的介绍的模式，而是根据两种图形存在的共同点，从对数坐标图开始，对极坐标图的介绍侧重在分析参数变化时的图形特征，从而做到精简明了，重点突出。同时，编写的教材中融入了MATLAB语言的使用，使学生在一定程度上开始掌握运用仿真软件进行控制系统分析与设计的方法。

其次，在实验教学内容中，除了传统的实验箱验证实验外，加入了基于MATLAB的自动控制系统虚拟实验设计内容。给出一定的系统性能要求后，让学生在实验环节中利用MATLAB进行简单地系统综合校正设计，具体感受参数变化带给系统的影响，熟悉实际元件参数的选择方法及系统设计的步骤和方法。

三、教学方法多元化改革

自动控制原理课程对学生的定性分析能力、定量评价能力和综合运用能力都有一定的要求。传统的教学方法通常是采用‘灌输式，以教师的讲授为主，学生上课边听边抄笔记，学习很被动，经常会顾此失彼而使学生在学习中感到困难重重，影响学习效果。因此，在课程授课中作者采用类比、启发和探究式的多元化教学方法，由浅入深地讲解有关概念、原理和方法，引导学生主动思维，明显改善了教学效果。

1.类比式教学方法

类比法是指通过一系列浅显生动的实际例子，引导学生掌握难以理解的抽象问题。比如，讲解液位控制系统的实例时，提出身边常见的抽水马桶、自来水系统的工作原理，让学生分析其异同点，从而加深对此种恒值调节系统的工作原理的认识，并由此引出关于静态有差系统和静态误差系统的概念；讲解火炮随动系统的实例分析时，提出学生金工实习都见过的数控机床，让学生分析其异同点，从而得出关于随动系统和程序控制系统的概念认识。

2.启发式教学方法

启发式的教学适用于众多课程，教学过程中常给学生留悬念，常问为什么，是对学生学习的促进，以有效增强学生的自主参与意识和学习的主动性。尤其对于自动控制原理课程，控制系统的身边实例很多，所以可以经常提到学生熟悉的事例，再问为什么，让学生消除对抽象知识认识的恐惧，有想探索奥秘的热情。比如，讲到开环控制与闭环控制，从学生经常接触的自动售货机、自动取款机、电烤箱、洗衣机等实例开始，向学生提问题，‘这些系统是怎么工作的呢？工作的方式有什么特点？有什么区别？售货机出来的商品不对是不是还能自动退回去重新来？烤箱怎么就能让温度保持想要的值？如此，让学生自己去推论认识关于两种控制方式及其优缺点。在提问的过程中有效地抓住了学生的注意力，‘迫使学生不断地在思考，跟着老师的教学思路，并不断受到点拨式的启发而自行发现了一些新知识点，一定程度上也带给学生学习的成就感，从而有效提高了课堂的授课效果。

3.探究式教学方法

对自动控制原理中的一些关键性的概念和物理问题，有时可以通过让学生对感兴趣的实例进行探究式的讨论学习，调动起学生的主观能动性，加强对抽象理论知识的认识。比如，系统无处不在，控制也无处不在，所以控制系统的认识学习就从我们自身开始。人就是一个复杂的系统，如果把人脑看成机器，那么人用手取物这个控制系统是怎么工作的呢？把熟悉的问题抛出后让学生展开讨论，探讨这样具体的控制是如何经过一个连续的调节过程而完成。并由此让学生发现反馈控制完成的关键要素是信息反馈和偏差，从而引出负反馈控制的工作原理。使学生在活泼的探讨中，顺理成章地掌握了相关概念和原理。

四、教学手段多元化改革

教育要面向现代化，不仅要求教育内容要符合现代化建设的需要，而且教学手段也要与现代化的科学技术相适应。因此，教学手段在教育教学中有着举足轻重的地位，直接影响教育教学效果。德国教育家Diesterweg说：“教育的艺术，不在于传授的本领，而在于激励、唤醒、鼓舞。”教师在教学中应根据学生的心理特征发挥多元化教学手段的优势，创设情境，从而激发学生浓厚的学习兴趣，开拓学生思路，培养学生观察力和想象力。为此，作者将理论板书讲授、计算机辅助教学、虚拟实验教学与设计相结合，进行自动控制原理课程体系中教学手段的改革探索。

1.板书教学手段

自动控制原理课程的理论推导相对多一些，而有些理论结论或定理的由来是学生正确理解分析方法不可缺少的环节，因此，板书授课是本课程教学过程中的必需手段。作者认为，一定程度上在黑板上的一步步推导、解释、介绍，将在很大程度上加深学生对所学知识的认识，正确地理解和掌握原理方法的运用模式，避免了单纯的幻灯片放映形式的‘一扫而过，不容易‘抓住学生长时间的注意力和兴趣。比如，尽管频率特性分析法包括了很多的图形，要花很多时间绘制，但对于奈奎斯特稳定判据内容的讲解，还是坚持从幅角原理入手循序渐进地推导引出判据内容。让学生从感性认识上彻底明白此判据的来龙去脉，以更好地了解如何使用判据的内容做系统的稳定性判断。此时的‘花一些时间，是为了后续让学生能更好地理解判据的实用方法的根据，而避免单纯地从判据内容出发却不会实际判断的现象出现。

2.多媒體教学手段

传统的教学手段是以板书为主的单一模式，缺乏可视化的直观表现，严重影响和制约了课程的教学效果。针对课程中繁杂的理论推导较多、分析方法较多、涉及的实际控制系统案例较多的特点，作者研究了基于PPT演示环境的板书授课辅助教学，既充分利用板书教学的严谨性、逻辑性强的优点，又充分利用多媒体教学的生动、逼真、容量大的优点，使教学内容更形象、具体，为课堂教学提供了活力，使学生更容易理解和掌握，提高了课堂效率。比如，讲授自动控制理论的由来和发展时，采用多幅生动形象的图片展示的多媒体形式来介绍，使学生感受身边存在的众多控制系统，对控制的发展有了更具体的感性认识，还避免了‘讲历史形式的理论授课。另外，基于频率特性分析法的自动控制系统校正部分是学生必须掌握的知识点之一，但繁琐的图画使授课效率极大降低。因此采用多媒体方式配合此部分的板书讲解，以动画的形式直观展现给学生校正的过程实现及校正前后的系统性能改变，大大提高了教与学的效率。

3.虚拟实验教学手段

实验是理论教学不可缺少的环节，但传统的课程实验一般以基于实验箱的‘插件连线式认识操作为主，学生缺乏实际与理论的有效联系与认知理解，往往只是机械地记住了若干公式定理，面对具体问题的时候，不知如何运用相应的知识去解决实际问题。控制系统计算机辅助设计（CSCAD）的出现与发展推动了自动控制原理课程体系改革的进程。作者在课程改革的过程中，基于MATLAB仿真软件，开发研究自动控制原理虚拟实验。在给定的系统性能要求的前提下，由学生自主提出控制系统分析与设计的实现方案，提高课程实验的直观性与交互性，开发学生自主创新的实践能力，增强学生对抽象的理论知识要点的理解与应用能力。

五、结束语

综上，尽管自动控制原理课程理论性、逻辑性很强，比较抽象，学生学习上有一定的困难，但多元化的教学模式丰富了包括教学理念、教学内容、教学方法、教学手段等在内的一系列课程改革体系，使学生置身于多维的丰富知识框架中，感受多角度、多途径的知识汲取，从而积极融入课程学习，一定程度上培养了学生善于思考、乐于探索的主观能动性，提高了课程教学效果。

参考文献：

[1]张冬妍，周修理，赵月容，等.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]郭胜伟.多元化教学：本科生培养质量提升的必由之路[J].南京中医药大学学报（社会科学版），2013，14（1）：60-64.

[3]杨国诗，贾群.“自动控制原理”学习的心理障碍分析及教学改革策略[J].中国电力教育，2012，（14）：67-68.

[4]李存生.论教师的教育激情[J].宝鸡文理学院学报（社会科学版），2013，33（4）：99-101.

（责任编辑：刘丽娜）