立足于计算思维的 《 自动控制原理 》 教学改革实践

张洪 蒲秋梅

【摘   要】从计算思维教育理念的出发，分析《自动控制原理》课程教学中复杂、难点问题，针对问题提出解决难点的教改思路;在教学改革实施过程中采用自主、探究、协作的教学理念引导学生对难点问题进行约简、转化加以解决，实践证明：改进的教学方法激发了学生的学习积极性，提高了学生的分析与解决问题的能力，教学改革取得了较好的效果。

【关键词】计算思维;自动控制原理;仿真教学

中图分类号：G642.0   文献标识码：A   文章编号：1671-0568（2015）20-0120-02

计算思维这一概念是由美国卡内基·梅隆大学计算机科学系周以真教授，在2006年3月的《Communications of the ACM》杂志上提出的。周教授认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。而自动控制原理课程，则是从控制系统的数学模型出发，从时域分析、根轨迹分析、频率特性分析、离散系统分析、非线性系统分析等方面，阐述了经典控制理论和现代控制理论的基本概念，强调了系统的分析方法及其应用。两者均在系统的角度上强调了如何通过约简、转化、仿真等方法，把一个复杂困难的问题阐释成一个人们知道怎样解决的问题。不难看出，计算思维与自动控制原理课程均从系统角度来认知问题，利用计算思维如何促进自动控制理论课程的教学，成为《自动控制原理》课程教学改革的突破点。本文仅以我校本科优秀课程教学实践来加以验证。

一、借鉴计算思维的探究驱动，提高学生的学习积极性

《自动控制原理》课程主要是介绍如何应用相关数学理论来分析和设计自动控制系统，课程内容大量涉及数学的运算与推导，学生在学习过程中难免会觉得枯燥、乏味，导致学习主动性有所懈怠，采用传统的按部就班教学模式，教学效果并不理想。计算思维的观点则是在信息社会中培养出创造性人才，让学生运用高效的思维去思考，不断激发学生的探究兴趣。因此，在自动控制原理课程的讲授过程中，让学生从实际的问题入手，像进行科学探究一样，在探究过程中发现问题、解决问题，是探究教学的重点，在这个过程中让学生掌握课程中概念、规律，方法，培养学生的探究能力和科学精神，是探究教学的目的。在教学过程中，要求学生在教师指导下，通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式对当前教学内容中的主要知識点进行自主学习、深入探究并进行小组合作交流，从而较好地达到课程标准中关于认知目标一种教学模式。认知目标涉及与自动控制原理相关的知识、概念、定理的理解与掌握;探究教学模式既重视发挥教师在教学过程中的主导作用，又充分体现学生在学习过程中的主体地位。

有鉴于此，本课程的教学实践改革为第一堂课安排在创新实践实验室进行教学，以参加真实比赛的“飞思卡尔”无人车为对象，介绍直流电动机速度控制系统，说明无人智能车的道路识别、转弯、加速、停车等自动控制系统的结构，提出自动控制中的系统概念，引导学生从设计的角度如何分析直流电机速度控制系统。同时，在教学过程中提出《自动控制原理》课程要重点解决的问题，让学生对系统分析的前提条件打开思路，确定是否事先了解被控对象，怎样将现实的物理系统转化为学生所能够认知的数学模型，在数学模型当中那些参数是性能指标衡量的基础。通过这样的引导，增强学生自发的对自动控制原理课程的探索研究，使学生明白系统分析的重要性，进一步引发学生对本课程的学习目兴趣，这样通过探索工程实例清楚了解了本课程逻辑关系，为学生以后在学习和工作时分析与解决控制问题上提供了思路，从而无形之中提高了分析思维能力。

二、以协作为导向，围绕问题组织教学内容

计算思维采用了抽象和分解的方法来处理复杂的任务或者设计复杂的系统。如此，只有通过协作才能够将分解的问题重新组合起来，构成一个整体，协作成为计算思维的另一重要组成。协作活动对于培养学生的存同求异、分工合作有着积极作用。协作学习以学生为中心，强调学习个体之间的合作探究与资源共享。教师在整个协作学习过程中的角色就是学生学习的促进者和教学过程的主导者，教师控制教学进程及学生学习任务。

在《自动控制原理》课程中的频率分析这一章中，对于学习“奈奎斯特稳定判据”的应用，根据教学内容，我们将30人的班级划分成十个小组，每个小组3人，其中一人负责根轨迹图、一人负责单位阶跃时域响应图、一人负责奈奎斯特奎斯特图，组长负责本组同学对得到的结果组织本组同学进行奈奎斯特稳定判据分析和比较，这样的划分方案能确保每个学生都有自己的学习任务，避免传统合作学习中因小组成员划分不合理导致部分学生不作为。同时学生通过对时域、根轨迹和频域中的判定一一对应，可以深入了解所学判定的物理意义，另一方面，可以让学生不再是仅仅面对大量枯燥的数学公式，激发了学生的学习兴趣，更加明确奈奎斯特稳定判据目的。

三、发挥学生的自主性，拓展形象化教学内容

许多自动控制原理课程教学中采用MATLAB语言对控制系统进行分析与设计，其原因是MATLAB带有丰富的函数库，并且配备了DEMO实例，容易让学生既掌握了系统的控制过程及其改进系统性能的方法。但是MATLAB语言本身是基于矩阵运算的一种应用工具，并非针对自动控制原理专门开发的，如对于奈奎斯特图的绘制，如果采用MATLAB自带的函数进行绘图，那么得到的结果并非如同我们在教学中的示例图，因为在教学中会把无穷远的曲线能近似的绘制在有限的平面当中，而在MATLAB的命令绘图中会绘制精确的结果，如果要做出定就必须对绘图进行坐标取值范围加以限定，但这样对整体的结果又难以显示。为此，我们引导学生从问题求解的角度看，从新考虑计算模型和约束，引入计算思维的观点，抽象、约简奈奎斯特图，得到新的奈奎斯特图，此时仿真教学的应用极有效地帮助了学生理解控制系统的基本概念，消化教学内容，也引导学生思考如何运用计算思维的方式来分析现实问题，大大地激发学生的学习积极性。

四、合理设计问题引入，提高学生自主学习能力

合理问题引入尤为重要， 控制系统设计是将实际的物理系统进行抽象和具化，以实现对品质质量、稳定时间、能量损耗等一系列问题的控制系统。因此，自动控制原理需要解决的核心问题有：模型的选取、参数的物理意义、调节器的选择等等。在系统控制的每一个环节，都可以通过适当的问题引出各种可能的解决方案以及最终得到最优（或次优的）解决方案。因此，控制系统设计各知识点本身都是问题所致的，也是应该通过问题引入解决方案进而引导学生对知识点的自主学习。

针对上述控制系统设计核心问题最主要的思路就是“规律”，不同系统环节之间有了统一的规律之后就可以方便地认知环节的特点。这种规律在控制过程里就是各种各样的判定。所以，在经典控制理论中，给出的是不同的判定原则。为了减少系统设计的复杂性，系统设计者并不是设计每一个环节都能完全满足稳定性判据，而是采用把干扰信号、输入信号线性叠加、把问题划分为多个问题的组合，并相应设计单独的控制回路，使得每个回路的设计、分析和测试都比较容易。线性叠加的原则体现了约简、转化等计算思维的思想。

为了提高学生自主学习能力，要求学生自主结合所学判据设计系统，这就促使学生考虑该如何去选取对应环节，如何去推導的数学模型，如何去设计控制器，从而达到系统的超调量、调节时间、响应速度等目标的要求，以及如何改进加入校正环节。通过合理设计实验内容为学生以后从事工程实践提供了思路，知道该如何应对系统性能达不到要求等问题。

最终对学生而言需要把对自动控制原理与计算思维有机的结合起来，培养他们计算思维能力。懂得如何创新，让学生在今后的专业学习或者工作中，遇到专业问题能够较为熟练且习惯于思考如何利用计算思维来实现自动控制的过程，一个训练有素的自动化专业的工作者，不但需要知道自动控制的原理，更应该思考如何通过抽象表达来解决问题。

从学生对教学的反馈与学生学业成绩来看取得了一定的成效，但还有待于进一步深入开展下去，还有待于与其他课程结合起来，以期取得更好的教学效果。

参考文献：

[1]J.M.Wing.Computational Thinking Communication of the ACM[J].2006，49，（3）.

[2]周以真.计算思维[J].中困计算机学会通讯，2007，（11）.

[3]李振龙，乔俊飞，孙亮，等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J].教学研究，2009，32，（2）.

[4]Pat Phillips Computational thinking：A problem-solving tool for every class room. http：//csta.acm.org/Resources/sub/ResourceFiles/Comp

Thinking.pdf

[5]李庆龄.应用型本科工业机器人课程教学改革的探索与实践[J].中国教育技术装备，2013，（7）.

（编辑：郝婵）