立足于計算思維的 《 自動控制原理 》 教學改革實踐

張洪 蒲秋梅

【摘 ? 要】從計算思維教育理念的出發(fā)，分析《自動控制原理》課程教學中復雜、難點問題，針對問題提出解決難點的教改思路;在教學改革實施過程中采用自主、探究、協(xié)作的教學理念引導學生對難點問題進行約簡、轉化加以解決，實踐證明：改進的教學方法激發(fā)了學生的學習積極性，提高了學生的分析與解決問題的能力，教學改革取得了較好的效果。

【關鍵詞】計算思維;自動控制原理;仿真教學

中圖分類號：G642.0 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1671-0568（2015）20-0120-02

計算思維這一概念是由美國卡內(nèi)基·梅隆大學計算機科學系周以真教授，在2006年3月的《Communications of the ACM》雜志上提出的。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。而自動控制原理課程，則是從控制系統(tǒng)的數(shù)學模型出發(fā)，從時域分析、根軌跡分析、頻率特性分析、離散系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析等方面，闡述了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本概念，強調了系統(tǒng)的分析方法及其應用。兩者均在系統(tǒng)的角度上強調了如何通過約簡、轉化、仿真等方法，把一個復雜困難的問題闡釋成一個人們知道怎樣解決的問題。不難看出，計算思維與自動控制原理課程均從系統(tǒng)角度來認知問題，利用計算思維如何促進自動控制理論課程的教學，成為《自動控制原理》課程教學改革的突破點。本文僅以我校本科優(yōu)秀課程教學實踐來加以驗證。

一、借鑒計算思維的探究驅動，提高學生的學習積極性

《自動控制原理》課程主要是介紹如何應用相關數(shù)學理論來分析和設計自動控制系統(tǒng)，課程內(nèi)容大量涉及數(shù)學的運算與推導，學生在學習過程中難免會覺得枯燥、乏味，導致學習主動性有所懈怠，采用傳統(tǒng)的按部就班教學模式，教學效果并不理想。計算思維的觀點則是在信息社會中培養(yǎng)出創(chuàng)造性人才，讓學生運用高效的思維去思考，不斷激發(fā)學生的探究興趣。因此，在自動控制原理課程的講授過程中，讓學生從實際的問題入手，像進行科學探究一樣，在探究過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，是探究教學的重點，在這個過程中讓學生掌握課程中概念、規(guī)律，方法，培養(yǎng)學生的探究能力和科學精神，是探究教學的目的。在教學過程中，要求學生在教師指導下，通過以“自主、探究、合作”為特征的學習方式對當前教學內(nèi)容中的主要知識點進行自主學習、深入探究并進行小組合作交流，從而較好地達到課程標準中關于認知目標一種教學模式。認知目標涉及與自動控制原理相關的知識、概念、定理的理解與掌握;探究教學模式既重視發(fā)揮教師在教學過程中的主導作用，又充分體現(xiàn)學生在學習過程中的主體地位。

有鑒于此，本課程的教學實踐改革為第一堂課安排在創(chuàng)新實踐實驗室進行教學，以參加真實比賽的“飛思卡爾”無人車為對象，介紹直流電動機速度控制系統(tǒng)，說明無人智能車的道路識別、轉彎、加速、停車等自動控制系統(tǒng)的結構，提出自動控制中的系統(tǒng)概念，引導學生從設計的角度如何分析直流電機速度控制系統(tǒng)。同時，在教學過程中提出《自動控制原理》課程要重點解決的問題，讓學生對系統(tǒng)分析的前提條件打開思路，確定是否事先了解被控對象，怎樣將現(xiàn)實的物理系統(tǒng)轉化為學生所能夠認知的數(shù)學模型，在數(shù)學模型當中那些參數(shù)是性能指標衡量的基礎。通過這樣的引導，增強學生自發(fā)的對自動控制原理課程的探索研究，使學生明白系統(tǒng)分析的重要性，進一步引發(fā)學生對本課程的學習目興趣，這樣通過探索工程實例清楚了解了本課程邏輯關系，為學生以后在學習和工作時分析與解決控制問題上提供了思路，從而無形之中提高了分析思維能力。

二、以協(xié)作為導向，圍繞問題組織教學內(nèi)容

計算思維采用了抽象和分解的方法來處理復雜的任務或者設計復雜的系統(tǒng)。如此，只有通過協(xié)作才能夠將分解的問題重新組合起來，構成一個整體，協(xié)作成為計算思維的另一重要組成。協(xié)作活動對于培養(yǎng)學生的存同求異、分工合作有著積極作用。協(xié)作學習以學生為中心，強調學習個體之間的合作探究與資源共享。教師在整個協(xié)作學習過程中的角色就是學生學習的促進者和教學過程的主導者，教師控制教學進程及學生學習任務。

在《自動控制原理》課程中的頻率分析這一章中，對于學習“奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)”的應用，根據(jù)教學內(nèi)容，我們將30人的班級劃分成十個小組，每個小組3人，其中一人負責根軌跡圖、一人負責單位階躍時域響應圖、一人負責奈奎斯特奎斯特圖，組長負責本組同學對得到的結果組織本組同學進行奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)分析和比較，這樣的劃分方案能確保每個學生都有自己的學習任務，避免傳統(tǒng)合作學習中因小組成員劃分不合理導致部分學生不作為。同時學生通過對時域、根軌跡和頻域中的判定一一對應，可以深入了解所學判定的物理意義，另一方面，可以讓學生不再是僅僅面對大量枯燥的數(shù)學公式，激發(fā)了學生的學習興趣，更加明確奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)目的。

三、發(fā)揮學生的自主性，拓展形象化教學內(nèi)容

許多自動控制原理課程教學中采用MATLAB語言對控制系統(tǒng)進行分析與設計，其原因是MATLAB帶有豐富的函數(shù)庫，并且配備了DEMO實例，容易讓學生既掌握了系統(tǒng)的控制過程及其改進系統(tǒng)性能的方法。但是MATLAB語言本身是基于矩陣運算的一種應用工具，并非針對自動控制原理專門開發(fā)的，如對于奈奎斯特圖的繪制，如果采用MATLAB自帶的函數(shù)進行繪圖，那么得到的結果并非如同我們在教學中的示例圖，因為在教學中會把無窮遠的曲線能近似的繪制在有限的平面當中，而在MATLAB的命令繪圖中會繪制精確的結果，如果要做出定就必須對繪圖進行坐標取值范圍加以限定，但這樣對整體的結果又難以顯示。為此，我們引導學生從問題求解的角度看，從新考慮計算模型和約束，引入計算思維的觀點，抽象、約簡奈奎斯特圖，得到新的奈奎斯特圖，此時仿真教學的應用極有效地幫助了學生理解控制系統(tǒng)的基本概念，消化教學內(nèi)容，也引導學生思考如何運用計算思維的方式來分析現(xiàn)實問題，大大地激發(fā)學生的學習積極性。

四、合理設計問題引入，提高學生自主學習能力

合理問題引入尤為重要， 控制系統(tǒng)設計是將實際的物理系統(tǒng)進行抽象和具化，以實現(xiàn)對品質質量、穩(wěn)定時間、能量損耗等一系列問題的控制系統(tǒng)。因此，自動控制原理需要解決的核心問題有：模型的選取、參數(shù)的物理意義、調節(jié)器的選擇等等。在系統(tǒng)控制的每一個環(huán)節(jié)，都可以通過適當?shù)膯栴}引出各種可能的解決方案以及最終得到最優(yōu)（或次優(yōu)的）解決方案。因此，控制系統(tǒng)設計各知識點本身都是問題所致的，也是應該通過問題引入解決方案進而引導學生對知識點的自主學習。

針對上述控制系統(tǒng)設計核心問題最主要的思路就是“規(guī)律”，不同系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間有了統(tǒng)一的規(guī)律之后就可以方便地認知環(huán)節(jié)的特點。這種規(guī)律在控制過程里就是各種各樣的判定。所以，在經(jīng)典控制理論中，給出的是不同的判定原則。為了減少系統(tǒng)設計的復雜性，系統(tǒng)設計者并不是設計每一個環(huán)節(jié)都能完全滿足穩(wěn)定性判據(jù)，而是采用把干擾信號、輸入信號線性疊加、把問題劃分為多個問題的組合，并相應設計單獨的控制回路，使得每個回路的設計、分析和測試都比較容易。線性疊加的原則體現(xiàn)了約簡、轉化等計算思維的思想。

為了提高學生自主學習能力，要求學生自主結合所學判據(jù)設計系統(tǒng)，這就促使學生考慮該如何去選取對應環(huán)節(jié)，如何去推導的數(shù)學模型，如何去設計控制器，從而達到系統(tǒng)的超調量、調節(jié)時間、響應速度等目標的要求，以及如何改進加入校正環(huán)節(jié)。通過合理設計實驗內(nèi)容為學生以后從事工程實踐提供了思路，知道該如何應對系統(tǒng)性能達不到要求等問題。

最終對學生而言需要把對自動控制原理與計算思維有機的結合起來，培養(yǎng)他們計算思維能力。懂得如何創(chuàng)新，讓學生在今后的專業(yè)學習或者工作中，遇到專業(yè)問題能夠較為熟練且習慣于思考如何利用計算思維來實現(xiàn)自動控制的過程，一個訓練有素的自動化專業(yè)的工作者，不但需要知道自動控制的原理，更應該思考如何通過抽象表達來解決問題。

從學生對教學的反饋與學生學業(yè)成績來看取得了一定的成效，但還有待于進一步深入開展下去，還有待于與其他課程結合起來，以期取得更好的教學效果。

參考文獻：

[1]J.M.Wing.Computational Thinking Communication of the ACM[J].2006，49，（3）.

[2]周以真.計算思維[J].中困計算機學會通訊，2007，（11）.

[3]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009，32，（2）.

[4]Pat Phillips Computational thinking：A problem-solving tool for every class room. http：//csta.acm.org/Resources/sub/ResourceFiles/Comp

Thinking.pdf

[5]李慶齡.應用型本科工業(yè)機器人課程教學改革的探索與實踐[J].中國教育技術裝備，2013，（7）.

（編輯：郝嬋）