自动控制理论课程教学改革探索

付主木 高爱云

河南科技大学 河南洛阳 471003

自动控制理论课程教学改革探索

付主木 高爱云

河南科技大学 河南洛阳 471003

为了培养学生的创新能力和理论联系实际的能力，我们主要从课程体系、课程内容、教学方法和教学手段等几个方面对自动控制理论课程进行了教学改革，以期提高教学效果。

自动控制理论；教学改革；教学内容

自动控制理论课程是自动化及相关专业的一门主干专业基础课，其教学质量的好坏直接影响到许多后续专业课的教学效果，且许多高等学校和科研院所都将其列为研究生入学考试的专业课。其特点是知识覆盖面广、内容多、更新发展快、理论性和应用性都很强，是一门具有一定深度和复杂性的课程。近年来，随着科学技术的迅猛发展，社会信息化进程的加速，自动控制领域出现了许多新的理论和方法，这对高校人才培养提出了更高的要求。鉴于此，我们在优化教学内容、改革教学方法，加强实践环节、注重个性发展和提高学生创新能力等方面进行了一些探索。这些对培养学生的辩证思维能力和创新能力，树立理论联系实际的科学观点，以及提高综合分析问题的能力等方面，都起到了重要的作用。

一、课程教学体系的改革

传统课程体系是根据“自动控制理论”本科教学的基本内容和教材分章顺序制定的，通常为：(1)绪论；(2)数学模型；(3)时域方法；(4)根轨迹方法；(5)频域方法；(6)系统校正；(7)状态空间方法；(8)离散系统；(9)非线性系统。其优点是在很大程度上遵循了自动控制理论发展的历史轨迹，其缺点是：(1)线索太多，没有一条贯穿前后的总线索，导致内容重叠，占用学时过多；(2)各种方法独立介绍，不利于横向相互比较。

本文根据自动控制理论自身的内在体系,以系统建模——系统分析——系统综合为总线索,在每一章中再以方法线索为子线索组织教学内容,实行模块化教学。

二、课程教学内容的改革

1.指导思想

面向21世纪，更新教学观念，以自动控制理论和控制系统为主线，依托学科发展，结合与自动控制相关的学科进行课程教学内容改革，优化高等工科人才教学培养过程，贯彻“学生为本，技能为主，创新为魂”的教学理念，培养“厚基础、宽口径、适应力强、具有创新精神和实践能力”的综合性技术人才。

坚持“加强基础、削枝强干”，体现本科教学的基础性、前沿性和时代性的特点，处理好基础性和先进性、经典与现代的关系，保证传授知识的先进性、实用性，使学生学有收获，学有所用。本课程内容按“三域”(时域、复域、频域)中的数学模型和“三性”(稳定性、稳态特性、动态特性)为基本框架进行组织，注重加强基础和抽象思维的培养。

2.加强实验教学

以往的实验教学内容大多是验证性实验，内容陈旧，实验方法落后，不利于学生创新思维及创新能力的培养。以实验报告来给成绩的单一实验考核方式,造成的不良后果是：学生只重视实验报告的撰写,不重视对实验原理的理解和操作能力的培养。对此,我们建立分层次的实验体系，即按实验内容将实验分为基础性实验、指导性实验和设计性实验三个层次，学时按4∶3∶3 分配，以全面提高学生理论联系实际的能力、知识综合能力、创新设计能力。

3.把科研成果及时引入教学

通过参与科研项目，一方面有利于提升教师的学术和教学氛围，为培养面向施工一线的工程技术人才提供了坚实的师资队伍；另一方面，教师将最新的研究成果引入到教学中，并通过课堂教学、讲座、毕业设计、学生参加科研项目、建立和发展实践基地等手段提高本课程的教学效果。

4.增设课程设计

在学完自动控制理论后，为加强学生理论联系实际的能力，锻炼如何运用基本的理论知识进行实际问题分析，增设课程设计。同时，在已学知识点的基础上，我们均有课程教学中因学时限制而没有讲解的知识点，要求同学们在课程设计中必须运用以上知识点，从而补充了课堂上没有学习的知识。课程设计的题目基本来源于工程实际或科研课题，其实用性强、综合性强、知识跨度大,能够达到培养学生独立思考和分析问题的能力、提高学生工程应用能力的目的。同时也使他们在学校就能实现工程实践零接触，大大提高了他们毕业后适应工作的能力。

5.引入Matlab软件

在自动控制理论教学过程中引进Matlab软件辅助教学，以培养系统思维方式为重点。在内容上按通过建模组成控制系统、对控制系统进行分析(时域法、根轨迹法、频率特性法等)和控制系统设计三部分来划分，再通过课程设计把三者有机联系起来。建模部分用Matlab软件进行拉普拉斯变换、微分方程求解和各类模型的输入、形式变换等。分析部分可充分体现Matlab软件的强大辅助教学作用，用它可非常方便地观察各种相应曲线、根轨迹、频率特性和参数变化对控制系统稳定性、动态特性的影响。设计部分放在课程设计中，要求学生结合已掌握的知识，经适当简化进行建模、分析、校正等，其中分析校正既用手算又用Matlab软件进行，这样就使学生较完整地初步进行了自动控制原理理论与实际的结合。

三、课程教学方法的改革

1.案例教学

对于自动控制理论课程的教学，教师往往采用严格地按知识点的排列进行教学，虽然逻辑严密，但学生在学习过程中难见全貌，感觉枯燥无味。而且学习这些知识的目标也不明确，所以很难引发学生的兴趣，调动他们的积极性，学习效果也不十分理想。

案例教学法与传统教学法相反，采用先任务或应用、后方法、再原理的模式。学生有疑问的地方可以举几个例子，变抽象为具体，变复杂为简洁。该方法以实际情境和问题为思考的出发点，让学生从具体问题着手做理论思考和分析，设想解决问题的途径,探讨方法的科学性、合理性，最终理解有关理论。由于案例在一开始就具有一定程度的强制性和目的性，因此，这种以案例为基础展开学习和教学过程的方法，更能激发学生的学习热情与兴趣，加深他们对基本原理、概念的理解和应用，培养他们分析问题和解决问题的能力，使他们学会以抽象的形式描述规划问题，达到学以致用的目的。

生产一线的情况是千变万化的,案例教学为学生提供了一种模仿、借鉴和引申的范例。这种教学模式的最大特点是使教学更加贴近生产实际,针对性较强。

2.启发式教学

以启发式教学为主，注重问题的引入，学会对问题进行分析，抓住问题的本质，将复杂化为简单，树立学生学好本专业的信心。课堂教学坚持“少教”和“多学”的原则，精讲与自学相结合，把学生从被动变为主动，充分调动他们学会、会学，在探索中学习，在学习中探索。教师提出几个综合性的问题，然后逐个加以分析，按设定条件逐步提出解决办法，使学生从中领会思路，学会解决问题的办法。此种方式针对性强，特别适用于概念比较多的内容。

3.任务驱动式教学

任务驱动教学是指让学生在教师预先给定“任务”的驱动下进行学习，目的是引导学生由简到繁、由易到难、循序渐进地完成一系列“任务”，从而使其获得清晰的思路、方法和知识脉络，在完成“任务”的过程中，培养其分析问题、解决问题以及程序设计的能力。

在实际教学过程中，教师根据学生已有的知识和需要学习的新知识，需精心设计“任务”，在此“任务”框架的驱动下，展开新知识的教学和学习。还可以在课程的最后阶段开设课程设计，这样可以综合各个章节的知识，让学生在开发中培养学习兴趣、自学能力和团队合作精神，提高解决实际问题的能力，这种教学方法有利于学生综合素质的培养。

四、课程教学手段的改革

1.激发学生的学习兴趣

著名教育家顾泠沅说：在课堂教学范围里对教师最有意义的是学生学习动机的激发，也就是要使学习的内容让学生感兴趣，对有了兴趣的事学生就会认真地把它学好。学习动机是直接推动学生参与学习活动的心理动因。因此，激发学习的兴趣就成为启发学生参与教学的前提。

提问是引导学生参与教学的一种主要形式。在教学中，教师提出问题以后，不要急于让学生回答。而是给学生留出独立思考和周围同学交流想法的时间，待学生对问题有深刻的理解后再让他们回答。这种提问，有利于促进教学活动中两主体之间的互动，使学生的注意力始终处于活跃的积极状态。

在教学过程中，根据学生的情况，缩短教师讲解时间，采取“自学指导式”“课堂讨论式”和“发现问题式”等多种形式相结合，活跃课堂气氛，提高学生的学习积极性，帮助学生改变传统的思维方式，激发其学习兴趣，培养其发散思维能力。

2.引入多媒体技术

以往的自动控制理论课堂教学过程中，教师需在黑板上做大量的数学推导，画大量的曲线，既占用时间，又使得课堂教学枯燥、索然无味，很难使学生对所学内容产生兴趣。教学中合理应用现代教育技术手段，既可省下课堂写板书的时间，增加课堂的信息量，又可使枯燥、抽象的理论教学变得生动且丰富多彩，获得最佳教学效果。在教学过程中，充分恰当地应用多媒体技术，将其与传统教学手段相结合，使学生在课堂中积极参与，激发学生的学习兴趣，提高课堂的教学质量。教学实践表明，现代化教学手段的引入，常常会产生事半功倍的效果。

尝试将Matlab仿真软件作为辅助教学工具引入自动控制原理的课堂教学中,借助于Simulink可视化的编程和仿真演示，即节省了手工绘图的时间,又将抽象的理论和概念变得更为通俗易懂,弥补了实验手段的不足。同时通过对系统具体运动过程的观察和对输出图形的分析,加深了学生对基础理论的认识和理解。

3.开展双语教学

双语教学目标是双重性的，其一是获取学科知识，其二是培养和提高学生运用外语的能力。双语教学的开展有利于学生尽快地掌握本课程的英语专业术语。在全国高校提倡双语教学已有10年多了，但由于种种原因，至今尚未普及。我们通过大量的尝试，从中得到一些经验：(1)根据学生的接受程度和对专业英语的掌握程度，我们必须因地制宜。现在还不能实现该门课程在所有任课班级上实行双语教学，只能将英语较好的学生单独组班开设双语课。(2)合理选择双语教学的内容非常重要。使用双语教学必须适时把握教学效果,灵活掌握双语的比例,以不影响该课程的讲授为原则。可选择那些图例较多、公式较多、而叙述又较少的内容进行双语教学，这样使学生适应双语教学的难度要小些。(3)探索合适的双语教学模式。应采取什么教学模式不能一概而论。应根据不同高校的具体情况而定，如若在重点高校，学生英语程度较高，可采取浸润式模式，效果可比较好；普通高校，可采取根据外语程度分班，外语水平较高的班级，也可采取浸润式模式，其余班级可采取保持型双语教学模式或过渡型双语教学模式。当然，根据课程不同，授课教师可根据具体情况来采取合理的模式。在双语教学时，要经过认真调查和论证，并根据各高校的人才培养模式和课程设置，构建自己的双语教学模式。

4.建立网络平台

在教学过程中，我们深深体会到仅靠课堂几十分钟的授课时间是绝对不够的。学生还需要课后的辅导才能加深对课题内容的理解。为此，我们建立了网络教学平台，放置各种教学资源，包括电子教案、多媒体课件、授课录像、教学大纲等授课内容，还有课后自测题、师生讨论区、答疑区、通知等互动内容。该平台为学生自学创造了良好的学习条件，提高了学生对本课程的兴趣，发挥学生的主观能动性，充分反映“开放式”教育的特点和优势，促进师生间的互动交流，及时解决教学中的一些问题。

五、结束语

课程改革的关键是课程内容与课程体系的改革，同时教学手段的现代化也是课程改革的重要方面。本文所介绍的方法在实践教学中取得了一些成效，在今后的教学中还需要我们进行不断地完善，以提高大学生创新能力，取得较为满意的教学效果。

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Exploration of the geaching reform on automatic control theory

Fu Zhumu , Gao Aiyun
Henan university of science and technology, Luoyang, 471003, China

This paper puts forward a series of practically efective teaching reform on the automatic control theory from the aspects such as course system, course content, teaching methods, teaching means and so on. The purpose is to cultivate students’ innovative ability and contact theory and fact ability. At the same time, the teaching result is improved.

automatic control theory;teaching reform; teaching content

book=84,ebook=325

2009-10-28

付主木，博士，副教授。