基于知识链的自动控制原理课程教学改革*

◆艾伟清 徐伟 钟黎萍

1 引言

自动控制原理是高等学校自动化类专业的一门核心基础理论课，是专门研究有关自动控制系统中基本概念、原理和方法的一门课程，具备知识覆盖面广、理论性和抽象性强、内容具有一定深度和复杂性的特点，且对后续专业类课程影响较大[1]。然而经长期教学发现，学生对自动控制原理课程的学习兴趣不高且学习效果不佳[2]。究其原因，一方面是自动控制原理课程本身的特点增加了学习的难度，常常被学生戏称为“数学课”；另一方面是传统的以书本知识体系为知识结构的教学设计不容易与现实工程控制问题联系，让学生无法解决“为什么学，学什么，学了有什么用”这三个本质问题[3]。因此，对课程进行大刀阔斧的改革具备必要性。

专业的发展也要求自动控制原理课程进行改革。“新工科”对教学改革的要求可概括为：让“考生”变学生，让教师成“导师”，让教材成为参考书[4]。这一要求规定了课程改革中要充分发挥学生的自主学习性，同时增强教学设计环节，引导学生从工程案例中学习知识，再反馈回案例中解决工程问题，最终培养出具备解决复杂工程问题的能力。另外，课程的专业定位要求自动控制原理要起到连接基础必修课和专业选修课的桥梁作用，也要求引导并培养学生用所学专业知识解决实际问题的能力。因此，对课程进行改革势在必行。

基于课程改革的必要性和紧迫性，本文从四个方面对课程进行改革：基于知识链重构教学内容，设计“理虚实”的课程内容结构，解决知识点松散以及怎么用知识的问题；通过案例引导+模块化+“理虚实”混合教学过程设计，解决教师怎么教、学生怎么学、学完怎么做的问题；通过阶段考核报告，实现分阶段考查学生对知识的掌握情况，解决基于知识链的工作过程系统化训练的问题；通过校内与企业的评价反馈优化课程改革方案，解决怎么不断教得好的问题。

2 课程内容改革

图1 教材的知识体系

知识链重构教学内容传统教学依据教材的知识体系来进行教学内容设计，如图1 所示。这种教学内容设计有两个缺点：知识点松散导致的知识点间的层次性和递进性不清晰，如稳定性这一知识点同时出现在时域、频域分析及采样控制系统分析中；知识的抽象概念过多，来源与用途和实际工程案例没有建立直接联系，缺乏直观性。上述缺点是引起学生认为自动控制原理是“数学课”的最直接原因，也是导致学生无法理解“为什么学，学什么，学了有什么用”的主要原因。

为了解决上述问题，本文提出基于知识链来重构教学内容。在解决实际工程问题时，常常采用的解决思路可以概括为：建模+分析+控制。以此为出发点，分别将松散的知识点归类为建模知识模块、性能分析知识模块和控制知识模块，各模块间层层递进、互相联系，组成知识链。表1 是根据知识链重构的教学内容。以分析模块为例，又细分为稳定性、稳态误差、动态性能三条子知识链，每条子知识链又从连续系统时域、频域和采样系统时域三个方面进行稳定性分析的教学内容设计。这样设计的好处可以保证知识点环环相扣，符合实际解决控制问题的思路。

“理虚实”课程内容结构设计为了凸显自动控制原理是一门工程专业技术课，而不是学生认为的“数学课”，采用以“理虚实”为特色的课程内容结构改革，如图2 所示。“理”指的是基于知识链的基本概念和基本理论的课程内容，旨在培养学生具备扎实的理论基础。“虚”指的是虚拟仿真，即基于知识链开展MATLAB 和Simulink 仿真软件的虚拟仿真教学内容，旨在培养学生学会利用仿真软件辅助分析设计的能力。“实”指的是基于知识链组织实际控制系统的实验与实践教学内容，旨在培养学生解决实际控制问题的能力。“理虚实”的课程内容结构贯穿整个教学内容，让学生了解课本中知识的源头、组成和用途，提高学生的学习兴趣。

表1 基于知识链的教学内容

图2 “理虚实”课程内容结构

3 教学过程设计与考核设计

案例引导+模块化+“理虚实”混合教学在教学开展环节，根据教学内容和教学进度的特点采取不同的教学方式。在建模教学阶段，主要采用案例引导教学，通过电路、电机拖动、力学系统等实际案例中控制问题的分析来引出解决问题所需的知识链以及为什么学这个知识链的问题。该方法的优点在于与前期的先修课程联系紧密，建模的所需理论有实际的对象，避免了单纯教授建模理论时过分抽象的缺点。从性能分析教学阶段开始，采用模块化教学法。根据学生对知识链的掌握程度，以强弱联合、优势互补为原则，形成模块化的学习小组，解决学生间学习差异的问题。模块化学习小组组合方式如图3 所示。控制教学阶段在前面的教学方法基础上再引入“理虚实”教学。结合课程内容的“理虚实”结构，抽象的理论知识通过MATLAB 仿真得到验证，并通过实验设备得以实现，解决了知识抽象难理解的问题，增强了学生使用知识成功解决问题的成就感。

图3 模块化学习小组组合说明

基于知识链的阶段考核方式设计阶段性考核报告是根据知识链的教学内容而设计的。教学内容中知识链的各个模块环环相扣，因此采用工作过程系统化的教学思想设计阶段考核报告的考查点，如图4 所示。设计的特点表现为：每一个知识链模块对应一份阶段报告，阶段报告内容层层递进，具有知识系统化的好处，实现知识的反复练习；只给出报告的基本要求，控制对象的选择、建模、性能指标分析等内容都由学生自己设计完成，发挥了学生的主观能动性；以模块化学习小组为单位，互相协作，根据分工完成报告，培养团队协作能力。阶段考核的最终目的是培养学生利用“建模+分析+控制”的思想去解决实际系统控制问题的能力。

4 教学效果评价

从校内与企业两个方面设计教学效果的评价，如图5所示。以学生为中心，设计课程学习心得反馈环节，通过每月的学习心得及时掌握教学过程中学生的学习状态。以学校为中心，设计评教环节和课程达成度评价环节，评估教学效果是否能够达到工程教育专业认证所要求的学习成果。以企业为中心，设计企业技术反馈环节。通过走访在企业的毕业生，了解自动控制原理课程在实际工程应用中需要加强和深入教学的知识点，达到真正学有所用。通过上述三个环节得到的反馈信息，设计一个教学改革反馈环，达成教学的持续改进和优化目的。

图4 阶段考核报告

图5 校内外评价机制

表2 是2014 级和2015 级自动化专业学生对于自动控制原理课程改革前后的教学反馈情况统计表。从表中数据可以看出，教学改革前，自动化14 级的两个班40%左右的学生对于自动控制原理的教学评价都很差，认为教学良好和优秀的学生仅占学生总数的30%左右；教学改革后，对教学效果评价差的学生人数下降到总人数的20%以下，认为良好和优秀的学生提高到70%左右。

表2 学生评价反馈情况统计表

5 结语

本文主要介绍了基于知识链的自动控制原理课程教学改革，分别从课程内容重构、教学过程与考核过程重设计以及校内外评价机制等四个方面进行了介绍。经过改革后，学生对于自动控制原理课程的学习兴趣得到显著提高，也为学校自动化专业开展工程教育专业认证工作做出应有的贡献。■