基于在线开放资源的高校本科《控制工程基础》总复习教学改革

梁宵 张庆新 王艳辉 陈侠 孟光磊

【摘要】《控制工程基础》是以《自动控制原理》为核心，面向工程应用的高校基础理论课。由于涉及理论较多，公式较为复杂，往往同学们的知识点容易发散。为了提高同学们发散性思维联想能力，解决知识点孤立的问题，充分利用在线资源的课下自主学习时间，本文利用在线开放资源作为载体，进行了《控制工程基础》课程的总复习与知识点串联。通过各章的知识点串联，使同学能够更加深入的理解各方法之间联系，更好地进行系统的分析与设计，借助网络资源平台使同学们的复习能够有的放矢，自主地侧重复习薄弱环节，激发学习的兴趣，最终实现《控制工程基础》教学内容改革措施的探索与迈进。

【关键词】教学改革 高校 控制工程基础 在线开放资源 知识点串联

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）28-0219-02

近年来，关于应用型本科教学改革的理论研究与实践探索呈逐年上升趋势。在中国知网中，以“应用型”和“教学改革”或“课程体系”为关键词，可以检索到5000多篇研究论文，其中绝大部分为一线教师或管理工作者。这一方面是由于社会体制变化、科技迅猛发展，推动了教学改革。然而更重要的，是随着改革投入的加大，物力和财力等条件已不再是面临的主要问题，如何进行更深层次的改革，直接作用于一线教学，提高教学质量，扩展学生视野，培养学生分析问题和解决问题的能力，逐渐成为高校内涵式发展亟待解决的问题。

《控制工程基础》是以《自动控制原理》为核心，以《高等数学》、《大学物理》和《电工及工业电子学》为基础的面向工程应用的高校基础理论课。通过该门课程的学习，能够提高同学从数学的角度进行系统分析与设计的能力，并结合后续专业课程使其具备一定的解决工程实际问题的能力，具有承上启下的重要作用。

一、从实践和考核反馈发现中发现教学改革问题

这门课程可以拆分成：控制、工程和基础三个方面理解。控制，指的是以数学为工具系统性的分析系统性能完成系统设计；工程，指的是通过教学学习，学生能够具备一定的工程经验，并要求教师在教学过程中生动的结合实际案例；基础，指的是该門课程讲授的仍然是经典控制理论，并可以根据实际情况对特定问题进行深化、拓展。

经过近几年的考试试卷分析，发现往往许多同学侧重于单独知识点的理解与做题，在宏观把握系统性能与分析设计上存在欠缺。尤其是同学考研的过程中，反馈回来的信息是：许多学校的考研专业课考试题型更为丰富，特别注重不同分析方法之间的联系。而许多同学对于课程的理解，还停留在不同章节的独立思维当中。

这与自动控制学科的特点有关。的确，由于分析方法的丰富，导致同学们进行系统分析时无所适从，并且许多控制学科领域的教科书均是按照不同的分析方法划分章节的。这极容易导致学生在思考问题时眼界狭窄、孤立求解，不利于同学的发散性思维和创新能力的培养。

二、借鉴一流高校/专业教育经验的改革方向

放眼国内外一流高校的自动控制课程，比如麻省理工学院、哥伦比亚大学、国内的清华大学与东北大学，其在系统分析与设计部分均合理的利用了各种分析方法的优势，并通过对同一系统的分析实现了各种方法的比较与联系，使得同学们的知识结构得到优化，记忆更为深刻。

其中，麻省理工学院的最新课件里，将控制学科紧密联系了其航空航天优势，出现了紧贴专业特色和实际问题的解决等方面内容，较强的锻炼了同学系统分析能力。并且，其公开课在国际上非常知名，许多慕名前来的学子都曾通过网络学习了该公开课程，使得麻省理工学院在课程的信息化建设上远远走在了前面。而近几年，东北大学、北京航空航天大学和浙江大学等控制学科较强的国内高校，其考研题型也出现了不少变化，出现了许多习题或历年真题没有的综合类题型。反观部分高校现阶段讲授的控制课程，该部分的内容在教材上只占据了短短的不到10页篇幅，这就很难实现学生综合分析系统能力的锻炼，也与最初课程设置的目的相背。

三、针对综合能力考察的总复习教学内容改革

针对总复习与知识点串联的教学改革实施起来较为方便，是在现有教学环节基础上的改进，位于课程全部讲授完毕后的总复习环节。主要侧重各章节的知识点提炼，并且注重系统综合分析与综合设计，结合关键习题精讲，使同学深入理解各章节的内在联系，学会从不同角度分析解决问题，锻炼发散性思维。主要包括以下几部分的调整：

（1）深入理解教学大纲要求，紧密结合现有学科方向的发展趋势

教学大纲是学科专业的教学纲要，深入理解大纲要求的目的是更加明确学生的培养方向，思考如何结合当今专业的发展趋势，使教学大纲更具时代气息和活力。充分研究国内外知名高校的教学案例，以及学科发展的前沿方向和热点问题，吸取成功经验，体会其中的细微差别与用意，为后续的知识点提炼与串联打下坚实基础。

为各知识点准备结合前沿科学方向与学生专业相近的生动案例，便于学生扩展知识面以及为课后自主阅读提供参考。针对现有的教学内容存在综合性分析设计薄弱的问题，参考麻省理工学院、哥伦比亚大学、清华大学与东北大学的优秀教案和课件，吸取其中的成功经验，消化知识点的讲解方式，避免与课堂教学重复。

（2）知识树总结与课后习题精讲

根据教学大纲的整理并结合国内外优秀课程的消化理解，整理出本课程的知识结构树，指出各知识点存在的潜在联系，并辅以习题精讲进行巩固，实现知识的联想记忆，打破孤立解题的思维，深化教学成果。

课后习题的选择也尤为关键，书中的习题部分已经作为作业，学生能够独立完成，这就需要挖掘其他优秀学校的教材和课后习题辅导书，目的是寻找能够补充完善课堂教学，并巩固和深化学生知识理解的新例题，特别是能够综合考察系统分析与系统设计能力的例题，使学生能够在解题过程中，体会知识点的内在联系，意识到自己的薄弱环节，然后有的放矢的去独立自学。

（3）基于知识点串联的期末总复习

许多自动控制学科的教材安排顺序基本为：系统模型、系统分析、系统设计。其中系统分析的方法按顺序为：时域分析法、根轨迹法、频域分析法。这种方式也是非常经典的授课方式，那么在总复习时，从章节安排的角度出发引起同学思考：为什么是这样的顺序？可不可以改变这样的顺序？

从系统的分析和设计角度出发，一个系统的稳定性是最重要的，其次根据不同系统要求，是快速性和准确性。那么能不能按照这样的思路进行复习？而这样复习以后，现有章节的知识点会发生怎样的改变？这种改变隐含着知识点怎样的联系？以这个思路为方向进行复习，不仅能够发散学生的思维，巩固现有的知识，还能够综合提高学生系统分析与设计的能力。几个关键知识点联系举例如下：

从字面来看，时域分析和频域分析应该是一对，为什么根轨迹法好似很突兀的出现在中间进行讲解，这里可以从稳定性分析、动态系统分析的角度进行解释。

在最重要的稳定性分析方面，时域分析采用了劳斯判据、根轨迹使用了左半平面、奈氏图采用了奈氏判据、波特图采用了相位裕量和幅值裕量。

在系统性能分析方面，同一个二阶系统的时域阶跃响应曲线和根轨迹的图像存在联系，而在奈氏图和波特图中，思考这种联系是怎样表现的。

波特图和奈氏图是课程的重要知识点，可以從这两种图进行系统分析时存在的优势入手，介绍他们之间是如何联系的。虽然是两种方法，只是各自看问题的出发角度不同，而实际达到的结果是一样的。

四、辅以在线开放资源的教学方法与手段改革

21世纪是网络信息化时代，学生的生活水平和学校的教学工具越发丰富。目前许多课程的教学手段在原始教案和多媒体的基础上，增添了微信点名和课堂测验、教学网站以及教学视频共享等。学生除了基本具备智能手机和笔记本电脑等移动上网能力。因此，在期末总复习与知识点串联时，辅以在线开放资源的教学方法与手段，弥补了现有同一化教育的弊端，实现差异化教学。

在线资源平台是复习方式的综合呈现，搭建简洁易用的在线资源平台，方便学生操作与知识归纳。同时，在线资源平台也是实现学习差异化的重要载体，因此如何能够让学生直观的掌握知识脉络，并能够有的放矢的攻破各自的薄弱环节，就要在最初阶段考虑好资源平台的开放性和交互性。并且为了在线资源还能够根据学生反馈进行方便地补充和更新，需要设计合理的平台结构，明确各功能模块划分，在线资源平台的总体结构如图1所示。

在线资源平台的结构设计需要充分考虑学生使用的易用性，方便同学进行知识点的学习与巩固，因此采用知识树的方式进行呈现，学生进入页面首先映入眼帘的便是统筹全书的知识树。但知识树只显示主要知识脉络，并不包含细节知识点，通过对感兴趣的知识点进行点击，便可以对该知识点展开，这种设计简洁直观，符合差异化教学的设计。

通过点击鼠标右键便弹出选择菜单，可以选择知识点介绍或者选择习题精讲，这种操作方式能够很好的对功能模块进行封装，使系统保证模块化设计，便于后续的更新与维护，并且方便教师根据学生反馈进行在线开放资源的补充和更新。

五、结论

综上所述，传统的《控制工程基础》总复习形式已经不能满足现阶段教学实际需求，对其进行教学改革是学科和专业发展的必然要求。针对学生知识点把握不准确，系统分析与设计能力不足的问题，充分利用在线学习优势，全面调整期末总复习的教学方向、教学内容、方法与手段等方面，打破原始分章节的孤立知识点弊端。通过各章的主要知识点串联，提高学生对于系统分析的理解，以及从不同角度解决问题的能力。而开放的在线资源平台，使学生能够自主地利用课余时间，实现差异化教学，综合提高学生的学习效率与学习水平。