案例教学法在自动控制原理教学中的应用

周振华　陈耿彪　曹太山

[摘 要] 針对自动控制原理课程的特点和现有教学方式的不足，提出了有别于传统的案例教学法。将一个工程实际应用案例根据课程的授课章节和重要知识点对案例进行合理的分解，在每个章节讲授完毕后，学生需要根据本章所学的理论知识来完成相应的案例设计任务。通过循序渐进的方式，在课程学习结束后，学生将完成一个系统的工业实际应用案例的设计与分析，这对学生掌握章节理论知识之间的联系与应用是非常有效的。通过该案例教学法在教学实践中的应用，发现该案例教学法对充分调动学生的积极性、提高学生兴趣有着较好的效果，并能克服传统的理论教学与实践教学脱节的缺点，使得学生能够充分将理论知识应用到工程实践，提高学生对该课程知识的掌握程度，全面提高学生的理论知识应用能力、实践能力与分析解决问题的能力。

[关键词] 自动控制原理；案例教学法；实践教学；理论教学；同步

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2017） 04-0092-02

一 课程介绍

自动控制原理是电气信息类、机械类等专业一门重要的专业基础课[1]。通过该课程的学习能使学生掌握自动控制原理的基础理论，培养学生对控制系统分析与设计能力，提高学生理论水平和知识运用能力，同时对培养学生的辨证思维能力，建立理论联系实际的科学观点和提高综合分析问题的能力具有重要的作用[2]；自动控制原理课程是最优控制、神经网络控制、模糊控制等课程的先修基础课程，因此其学习质量对后续课程的学习有着重要的作用；同时自动控制原理课程讲授的知识在工程实践中有着广泛的用途，对工程实践有着重要的指导作用。学生是否能够有效地掌握该课程的理论知识，提高获取知识和综合运用知识的能力并解决实际工程问题的能力是该课程教学质量的重要评价指标，因此提高本课程的教学与学习质量是至关重要的。

二 课程特点及存在的问题

自动控制原理作为具有一定理论深度以及与工程实际紧密结合的专业基础课程，该课程有如下特点：首先，课程内容抽象、理论性强、章节衔接紧密。自动控制原理课程的基本研究方法是基于对分析对象进行数学抽象，在获得的数学模型的基础上，采用不同的数学工具和数学方法对数学模型进行分析与综合，并在此基础上完成控制系统的稳定性分析、性能分析、系统校正等。自动控制原理课程在抽象的数学表达的基础上，需要借助相应的数学表达和图形表示来对其进行分析，并且每种数学表达和图表分析方法都有着相应的数学理论基础，因此该课程有一定的理论深度且抽象的概念多[3]。其次，自动控制原理前后章节的理论知识连贯而衔接紧密，前面章节的学习质量对后续章节的学习有着十分重要的影响，因此学生在学习过程中，容易出现学习脱节。再次，该课程对其他先修课程如：高等数学、复变函数、电路原理、模拟电路等以及MATLAB等数学工具软件的掌握程度要求较高。如果先修课程的基础知识不熟悉或掌握不牢固会造成学生学习上的畏难情绪，严重挫伤学生的学习积极性从而影响教学效果。最后，自动控制原理课程的研究对象为应用于工程实际的自动控制系统，与工程实际结合紧密，使得自动控制原理课程的学习内容来源于工程实际但又抽象于工程实际，这使得该课程的讲授与学习方法与一般的理论基础课程有着较大的区别。

从以上分析可知，该课程的特点决定了课程内容学科综合性强。在传统的自动控制理论的教学与讲授过程中，授课教师重于原理、以及相关数学理论的阐述，其教学现状有如下特点：现有的理论教学一般沿用传统的课堂面授教学方法，授课教师与学生通过课堂讲授互动进行课程内容学习，但是由于课程数学理论抽象，数学推导繁杂，因此授课教师感到“难教”，学生感到“难学”。而学生不了解理论知识的工程应用意义，更不理解理论与工程实际之间的结合关系，因此使得教学过程脱离工程实际应用，学生接受程度低。其次，学生对MATLAB数学软件的掌握欠缺，需要耗费大量的精力用于数学运算与图形绘制，学习效率低下。于此同时，现有教学方式的实践课一般是在理论课讲授结束后，通过相应的上机操作来进行，实践教学滞后于理论教学。现有教学大纲中实践教学所占的教学时间比重偏小，对实践教学缺乏足够的重视，无法提高学生进行实验的积极性，导致实践教学对理论教学的支持深度和广度都不够。

针对以上课程的特点和教学现状，通过案例教学来提升教学效果是一种有效的方法与途径。文献[4]介绍了单独案例法在自控原理课程中的应用，通过某一案例对某一知识点的讲解来对某个离散知识点的掌握，而文献[5]通过对各个章节离散案例的安排，对章节理论知识进行巩固，这样虽然可以提高学生的学习兴趣，但是因为案例的离散而不成体系，学生无法完整的掌握理论知识之间的衔接，对系统设计与分析的理解不完整，缺乏系统的分析与设计思路。

三 工程案例法教学法

本文提出一种新的案例教学法，通过运用与授课专业相关工程实际应用案例，根据课程讲授章节和内容，对该案例根据章节知识点进行分解，在每一章节中对该案例所面临的不同理论问题和实际问题进行分析与验证，实现章节之间理论知识的与工程案例实际应用的统一性，并充分利用MATLAB软件进行验证，将理论教学与实践教学能够有机的结合起来，同时使得学生理解理论知识体系的连贯性，对理论知识的工程应用形成深入的掌握，有效地激发学生的学习兴趣、提升学习质量，并熟练掌握理论知识的实际应用。

下面举例说明该案例教学法的应用，以国外经典教材《现代控制系统》[6]教材为蓝本，该教材中的案例以计算机领域最常用的磁盘驱动系统为研究对象。硬盘存储器在现实生活中应用非常广泛，磁盘驱动系统为硬盘存储器的核心部件，以磁盘驱动系统为案例，将理论和工程实际相结合，容易激起学生的学习兴趣，提高课堂教学效率。将该案例根据教学章节的理论知识内容展分解成不同层次的设计案例分布于各章节，在各章节讲授完以后，运用各个章节的理论知识，完成对应的案例设计与分析，通过这种循序渐进的方式，使得在该课程结束后，设计完成的工程实际应用案例能够满足工程实际应用所要求的性能指标。

從提出的案例教学法示例可知，首先根据工程实际应用，先建立系统数学模型，然后在此基础上对系统的时域分析、稳定性分析、频域分析、误差分析展开讨论和实例分析与设计，最后对系统整体性能进行校正分析，整个过程是循序渐进的，并在这个过程中理论知识和实际应用是紧密联系和连贯的。授课教师将一个完整的工程实际应用案例根据课程的授课章节和重要知识点对案例进行合理的分解，在每个章节讲授完毕后，学生需要根据本章所学的理论知识来完成相应的案例设计任务，使得学生在学习过程中能将所学的理论知识与工程实际应用案例相结合，能有效地加深对理论知识的理解，同时有效地提高学生对知识的运用能力。

四 结束语

本文通过对自动控制原理课程特点和教学现状的分析，提出了有别于传统的案例教学法，通过将一个工程实际应用问题，合理地与课程各章节的理论知识相结合，要求学生通过对工程案例的阶段性设计目标的进行实现与验证，层层递进，通过理论知识在工程案例中的应用，促进学生对理论知识的理解和应用，使得理论教学和实验教学相互结合、相互促进，克服自动控制理论传统教学案例法存在的缺点。显然，通过合理的案例设计可以激发学生的学习兴趣，培养学生工程应用意识并增强学生的实践能力和创新能力。同时该案例教学法也对学生的先修课程以及MATLAB掌握和熟练程度、学生的课余自学能力也提出了较高的要求。当然，该案例只是提供了该案例教学法的一种思路，授课教师可以根据授课学生的专业方向以及自己的科研方向、学生的兴趣采用更为合适、具体的案例和分解方式。

参考文献

[1]王敏，刘志华.自动控制原理课程理实一体化教学模式研究[J].大学教育，2014（9）： 157-159.

[2]任祖华，周军，钱惠敏，等. 基于倒立摆系统案例的自动控制原理教学研究[J].教育教学论坛，2015（43）：170-171.

[3]米智楠，潘柳萍，陈龙安. 案例教学法在“自动控制原理”课程教学中的应用[J]. 中国电力教育，2010（33）： 87-88.

[4]宫二玲，孙志强，沈辉. “自动控制原理”课程中的多元化案例教学[J].电气电子教学学报， 2015（2）：58-60.

[5]刘慧英.“自动控制原理”课程的改革与实践[J]. 西北工业大学学报（社会科学版）， 2000（1）：80-81，89.

[6]谢红卫，邹蓬兴，等.现代控制系统（第8版）[M]. 高等教育出版社，2001（6）.