“自动控制原理”课程教学改革探讨

郭爱文，周 洪

(武汉大学自动化系，湖北武汉 430072)

“自动控制原理”是高校自动化、机械及相关专业的一门重要专业基础课程，随着专业课程建设的深入，该课程的教学学时虽有缩减，但教学内容和教学要求却在不断提高。我们发现教学中仍存在着难教和难学的现象［1］。

本文以“自动控制原理”课程的教学模式改革探索为例，分析了该课程传统教学中存在的问题，并在现有的教学模式基础上，从激发学生学习积极性、提高教学质量和学生的综合能力培养的角度出发，提出基于学习金字塔模型的教学模式改革。

1 学习金字塔模型理论

图1所示的学习金字塔模型理论是美国缅因州国家训练实验室NTL研究发现的。该模型理论是从戴尔学习圆锥发展而来的［2］。

图1 学习金字塔模型

该理论表明，学习者在两周以后还能记得的学习内容，会因为不同的学习方式而有很大差异。学生仅仅听教师讲述，两周以后记得的内容只剩5%。因为这是最被动的学习方式，学生的参与度最低。图1中自顶向下的第一项至第四项的学习方式都是被动式的，所以学习的保存率都无法超过30%;而学习保存率在50%以上的，都是采用团队学习、主动学习和参与式学习获得的。

2 基于学习金字塔模型的教学改革

从学习金字塔模型中可以看出，学生的学习以能够转教别人的效果为最好。学生若以教师的身份对他人进行教学，不仅要自己对内容相当熟悉，同时也要将内容转化为让他人能懂的表达方式，这也提升了学生自主学习等潜在智能的发展。

我们根据这一思路，在“自动控制原理”课程教学时，通过启发式教授，学生通过参与式学习，可取得很好的教学效果。以系统Nyquist稳定判据讲解为例，这属于稳定性分析的讲解，具有一定的难度。教师在之前的时域分析法中介绍过Routh-Hurwitz判据，这一判断方法简洁明了，容易掌握;在根轨迹分析法中，学生学会了通过根轨迹图形来判断系统稳定性;教师此时可以提出:既然有了Routh-Hurwitz判据和根轨迹分析等方法，为什么还要在频域分析法中再学习较难掌握的Nyquist稳定判据呢?学生从这些提问中思考和理解控制原理中稳定性判据各自的作用，通过自主学习、小组讨论及选派代表上台讲解等方式，并将时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法融会贯通，就能系统地掌握课程知识。

再如课程中控制系统的校正是较难掌握的环节。该部分内容不但需要较为扎实的基础理论知识体系，而且不同学生的校正结果可能不完全一致。而实质上在经典控制理论中常用的校正方法主要也是来自于时域校正、根轨迹校正和频域校正的方式。在教学过程中，教师在讲解了基本原理后，可以安排学生以组为单位，运用所掌握的基础理论去分析，在课后自行编写相应程序。在正式讲授过程中，我们让学生代表讲解程序原理，并以实例进行剖析，不仅提高了学生的实践动手能力和口头表达能力，同时增加了学生的主动参与度，更活跃了课堂氛围。

将学习金字塔模型理论应用于教学实践的过程中，我们发现学生已从原来的被动接收知识转为主动学习。学生在查资料、写教案和上讲台等方式中投入了大量的课外时间，结果使其对知识的理解和掌握程度普遍提高。对于Nyquist稳定判据这一重点和难点的掌握上，平均教学保存率超过了85%。

3 基于学习金字塔的实践环节改革

为了加强“自动控制原理”课程开始前的认知环节，我们为学生开设了2-3学时的“走进自动控制”的认知课程。该课程一方面可激发学生对“自动控制原理”的感性认识，为后续课程的学习奠定基础;另一方面能帮助学生梳理之前学过的相关基础课程，如“电路原理”和“模拟电子技术”等课程，让他们重温此前学过的概念、理论和方法。给学生建立系统的观念，为后续学习作好铺垫。

在实验教学环节中，学生可以自主设计实验项目，拟好的实验方案经教师检查后可安排实验。这样可以有效利用实验平台，并可培养学生的创新意识。实验过程中，教师充分重视学生的过程学习以及过程考评。在实验中，安排学生可以扮演不同角色:实验设计者、实验操作者和记录者等。为了鼓励学生自主设计实验项目，教师应在实验成绩上应予适当反映。

4 结语

学习金字塔教学模式还可以用于习题课讲解及学生作业批改等教学环节当中。

针对本文提出的基于学习金字塔的“自动控制原理”教学模式和教学方法，我们相应地设计了综合成绩评价体系和考核办法［3］。针对该课程内容多和难度大，我们增加了课程平时作业和阶段测试内容，特别是增加了课程学习过程评价。实验成绩除了传统的实验报告质量考核外，还增加了学生实验环节的动手能力和小组组织协调能力考核。

从教学过程中看，学习金字塔教学法可以提高学生的主观能动性。这种教学模式尚存在的不足之处是过程评价体系不够精确，人为因素偏差较大等。

［1］ 沈辉，张湘平，张明.采用思维导图进行自动控制原理的研讨式教学［J］.南京:电气电子教学学报.2012，34(1)

［2］ 赵慧杰，黄志红.学习金字塔模型在《外科护理学》教学中的应用［J］.山西:护理研究.2006，(5)

［3］ 张晓瀛，马东堂，王德刚.美国MIT电气科学与工程专业本科生培养［J］.南京:电气电子教学学报.2012，34(4)