自动控制原理“五位一体”教学体系的研究与实践

姜素霞　郑安平　曹卫锋　丁莉芬

郑州轻工业学院电气信息工程学院　河南郑州　450002

自动控制原理“五位一体”教学体系的研究与实践

姜素霞郑安平曹卫锋丁莉芬

郑州轻工业学院电气信息工程学院河南郑州450002

结合我校自动控制原理课程教学特点，对如何构建课堂教学、课下自学、实践环节、自测自练、学以致用“五位一体”的教学体系进行了研究。基于传统课堂教学，利用现代化信息技术，采用多种教学模式和教学手段，构建了“教—学—练—测—用”五位一体的新型模块化教学体系。实践表明，该教学体系能够充分发挥教师主导作用和学生主体作用，对培养学生的研究创新能力和解决实际问题能力有明显作用。

五位一体；自动控制原理；教学体系；模块化

自动控制原理是控制理论与实际工程应用相结合的一门课程，是高等院校电气信息类专业和机电类专业的主干课程，也是部分电子信息类、计算机类专业开设的选修课程，属于一门重要的专业基础课、必修课。［1］该课程受益面广，现已成为我校4个院系（电气、机电、计算机、食工）8个相关专业，每学期近800名本科学生的主修课程。该课程不仅对工程技术有较强的指导作用，而且对培养学生辩证思维能力、综合分析和解决问题的能力、建立理论联系实际和团队协作的科学观点都具有重要的指导作用。

我校自建校开始即开设该课程，经过三十多年的努力、发展、继承、延续，已形成了完整的课程教学体系。［2，3］近年来，新时代新形式新要求接踵而来，适应更多层次人才的培养需求，培养出创新能力强、动手能力强、实践能力强的高质量工程技术人才，满足现代化的教育教学要求，受到越来越广泛的关注。总结该课程多年以来的教学改革经验和成果，在优化原有的课程教学体系，创新教学方法和教学手段，构建多位一体化的教学过程等方面均取得了显著的成果，形成了自己的教学理念和课程特色。目前已经创立该课程的“五位一体”新型模块化教学体系，结构如图1所示。

图1　自动控制原理“五位一体”模块化教学体系

1　课程优势及存在的问题

1.1课程教学优势

自动控制原理课程已于2009年被批准为校级精品课程，配备了一只完善的知识结构合理、教学经验丰富、综合素质较高的教学队伍，建设了课程的教学网站和网络化辅助教学平台，由课程组教师自编的教材被列为全国普通高校“十一五”规划教材，自制多媒体教学课件用于课堂理论教学，受到学生广泛好评。另外，我校还专门成立有大学生创新实验室，并配有专门的教师进行指导和帮助，在培养学生的实践动手能力及创新意识方面，已经取得显著成效。［4］

1.2目前存在的主要问题

该课程来源于控制实践的理论课程，课程内容比较抽象、数学功底要求较高，原理概念理解难度较大。我校自动控制原理课程的学时安排为：总学时72学时，其中课堂教学66学时，实验教学6学时。理论学时较多，但仅属于课堂教学讲述，与工程实践结合度低，理论与实际应用脱节严重。实验学时偏少，且仅限于基础性、验证性实验，其实验内容亦为十年前设计的，很多已属陈旧。实验仪器设备套数少，老化和损坏严重，且缺乏先进性。旧的课程体系、教学模式、实践环节已经无法适应新的时代要求，更无法满足培养高素质创新人才的迫切需要。

因此，为适应不同层次和复合型人才的培养需要以及现代化教育教学的要求，优化自动控制原理课程教学体系、创新教学方法和教学手段，构建新型实践教学体系，创立“五位一体”新型模块化教学体系具有重要意义。

2　课堂理论教学

教材是体现教学内容和教学方法的知识载体，是深化教学改革、培养创新人才的重要保证。由我校课程组教师自编的自动控制原理教材应用于课堂理论教学多年，被评为国家级“十一五”规划教材，先后经过两次改版，内容安排合理，难易程度适中，学生使用后普遍反映良好。结合我校的教学办学特色和课程特点，教学内容主要围绕四个方面开展：一是必修经典控制理论，选修现代控制理论；二是注重控制理论教学，培养实践创新能力；三是课堂教师讲授为主，课外学生实践并重；四是合作开展课程设计，独立完成毕业设计。课堂教学内容结构安排如图2所示。

图2　主要教学内容结构图

3　教学与自学并重

何克抗教授认为：应该将信息技术有效融合于各学科的教学过程，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性教充分地发挥出来。而目前流行的教学设计理论主要有“以教为主”的教学设计和“以学为主”的教学设计两大类。因此，理想的方法是将二者结合起来，取长补短，形成优势互补“学教并重”的教学设计理论。据此，我校的自动控制原理课程建有教学网站、网络化辅助教学平台、多媒体教学课件，以3种模式实现“学教并重”的教学理念。并且，3种模式下又分别围绕“各章节内容总结”“知识点串联”“重点难点剖析”三大方面展开自主学习内容，成立了学生课外自主学习小组，激发学生的学习兴趣，调动学生的自主学习积极性，既发挥教师主导作用，又充分体现学生的主体作用，真正实现了“教与学并重”的双重教学理论。

4　形式多样的实践环节

4.1基础实验

实验是自动控制原理课程必不可少的实践性环节［5，6］，而我校该课程的实验环节内容形式普遍单一，教学实验只有6个学时，主要是对基本理论的验证和复现，仅限于验证学生在课堂上已经学过的定律和结论，且实验仪器设备套数较少，老化和损坏严重，缺乏先进性。学生缺乏对实验的浓厚兴趣，不能培养学生的设计性、创新性和工程实践能力，无法满足应用型人才的迫切需要。为突出培养学生的基础实验技能，提高创新性实验设计能力，学校购置一批新的实验设备唐都科教仪器的TD-ACC+自动控制原理教学实验系统以及固高科技有限公司的二阶直线型倒立摆系统，将原来单一的基础验证性实验模式改革发展为“基础模拟实验箱系统+借助Matlab的数字仿真实验平台+以倒立摆为对象的应用创新开放型实践环节+课程设计”等多种形式并存的自动控制原理课程的实践环节。

4.2创新实验

在该课程的实验教学计划中设置了综合设计实验和创新性实验内容，作为验证学生实际动手能力的一个新环节，单独考核、分值记入课程期末总成绩。由教师提供实验题目，如模拟PID闭环温度控制系统的设计与实现；直线一级倒立摆的PID控制器设计与仿真；单回路液位自动控制系统设计与仿真等，也可以由学生自主选题，完成设计。该创新型实验环节能够充分发挥学生自主能动性，有利于培养学生的学习主动性和学习兴趣，锻炼动手创新能力。

4.3工程训练

我校成立的大学生创新实验室、大学生工程训练中心以及工业控制网络工程中心等课外实习基地，能够给学生提供充足的开放性实验场所和学习资源，同时配备有专业指导教师，致力于积极开展应用型、开放型、创新型实践环节，着力培养学生的创新精神和创新能力，为学生就业创造了良好的条件并打下了坚持的基础。

5　习题自测自练

为辅助课堂教学及学生自学，在网络教学平台及多媒体教学课件环节中，均单独设有该课程的自学、自测、自练习题库，从各章节常考题型解析、历年期末考试真题详解、习题在线自测等多个方面进行全方位的自动控制原理习题练习。习题数据库框架如图3所示。

图3　习题自测自练数据库框架

6　知识学以致用

理论是开展实践的基础，实践是理论研究的动力。课题组在多年摸索研究基础上，优化课程体系结构，探索新的教学模式，构建新的实践教学体系，建设应用型自动控制原理课程，主要从以下3个方面阶梯递进，逐渐深入展开。

（1）以学生为主，利用课外时间设立开放性研究课题，组织学生自愿报名，教师辅助指导。最终写出研究报告或者发表学术论文，并根据个人表现将成绩计入期末考试的平时成绩。

（2）以教师为主，挑选有兴趣的学生参加到教师的科研项目中，通过解决实际问题，帮助学生理解课堂理论知识，促进课堂教学，激发学生的学习兴趣，调动学习积极性，提高学生的综合素质和创新能力。

（3）成立由学生和教师共同组成的电子设计竞赛团队，由品学兼优、动手能力强的学生和专业指导教师组成，主要面向全国性大学生的课外科技竞赛活动，近几年已取得了可喜成绩。曾获得2013年全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛国家二等奖1项，河南赛区一等奖1项，二等奖1项；获得2013年全国大学生电子设计大赛省级一等奖1项，二等奖2项。

7　结束语

根据自动控制原理课程特点、结合实际因素，建立了五位一体模块化教学新体系，该体系的设立不仅能使教师的整个教学过程变得内容饱满、形式多样、手段灵活、操作方便，同时也能够激发学生的学习兴趣，调动学生的自主学习积极性，满足“既要发挥教师主导作用，又要充分体现学生主体作用”的新型教学结构要求，真正实现了“教”与“学”并重的双重教学理论。

参考资料

［1］ 冯巧玲.自动控制原理［M］.第2版.北京:北京航空航天出版社，2007.

［2］ 姜素霞，丁莉芬.创新型教学方法和网络辅助教学平台的研究与实践［J］.当代教育理论与实践，2012，4（3）:95-96.

［3］ 丁莉芬，郑安平.“自动控制原理”课程教学改革与实践［J］.中国电力教育，2012（13）:68-69.

［4］ 郑安平，曹卫锋.电类专业人才创新精神与实践能力培养的研究与实践［J］.职业教育研究，2011，10:136-137

［5］ 周武能，石红瑞.自动控制原理教学改革与实践［J］.教学研究，2010，33（1）:63-66.

［6］ 徐颖秦，潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践［J］.电力系统及其自动化学报，2012，24（2）:152-155.

Research and Practice for Five-in-one Teaching System of Automatic Control Principle

Jiang Suxia， Zheng Anping， Cao Weifeng， Ding Lifen
Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002， China

Associated with the teaching characteristics of automatic control principle， this paper studied on how to build the "Five-in-One" teaching system of classroom teaching， self study， practice links， self testing and self practice， learning for practice. Based on traditional classroom teaching， using modern information technology， adopting multiple teaching ways and teaching means， a novel modular teaching system is constructed， which consists of teaching， studying， practicing， testing， using. Practice indicates that this teaching system can effectively develop teacher' leading role and students' main role， as well as make apparent function in students' researching innovation ability and solving practical problems capability.

five-in-one； automatic control principle； teaching system； modularization

2014-11-16

姜素霞，硕士，副教授。

郑州轻工业学院第十批重点教改项目。