基于角色互換的自動控制原理五步教學(xué)法

劉玉敏　邵克勇　李艷輝　霍鳳財

摘 要 自動控制原理是工科專業(yè)非常普遍的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性和實踐性都很強(qiáng)，概念抽象，跨學(xué)科知識多，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，使得學(xué)生學(xué)起來具有一定的難度。針對此問題，本文在分析學(xué)生心理的前提下，互換傳統(tǒng)的“教”、“學(xué)”角色，采用“講-演-實-反-結(jié)”五步教學(xué)的模式進(jìn)行教學(xué)。該模式相對傳統(tǒng)的教學(xué)模式，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與主動參與的積極性，在實際教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。在高等教育中，我們應(yīng)積極嘗試、探索，以求取得更好的教學(xué)效果，培養(yǎng)適應(yīng)社會、時代需要的綜合性人才。

關(guān)鍵詞 自動控制原理 角色互換 五步教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.04.036

Five-step Teaching Method of Automatic Control Based on Role Exchange

LIU Yumin， SHAO Keyong， LI Yanhui， HUO Fengcai

（School of Electrical Engineering & Information， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318）

Abstract The principle of automatic control is a professional basic course of engineering is very general， theoretical and practical， abstract concept， interdisciplinary knowledge， basic mathematics requirements， make students learn with a certain degree of difficulty. In view of this problem， this paper analyzes the students' psychology， and swaps the traditional "teaching" and "learning" roles， and adopts the five-step teaching mode of "talk， demonstration， practice， reflection and summary". Compared with the traditional teaching model， the model can stimulate the students' learning motivation and active participation. In higher education， we should actively try to explore， in order to achieve better teaching effect， training to adapt to society， the needs of the times of comprehensive talents.

Keywords： principle of automatic control； role changing； five-step teaching

“自動控制原理”是一門理論性、工程性、綜合性和實踐性都很強(qiáng)的一門課程。它是自動化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。隨著自動控制技術(shù)在國民各領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展，機(jī)械電子、化工設(shè)備、能動等諸多專業(yè)也逐漸將自動控制原理作為一門非常重要的專業(yè)課來講授。對于課程本身來說，首先理論性相當(dāng)強(qiáng)，學(xué)生需要有良好的理論功底——尤其是數(shù)學(xué)功底才能學(xué)會理論知識，其次要想將理論聯(lián)系到現(xiàn)實生產(chǎn)和實踐，只能通過大量的實驗和工程實踐，否則所有的理論都將是紙上談兵。那么作為課程教學(xué)的重中之重，就是教師該如何安排和講好這門課程。

1 了解大學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)

學(xué)生是教學(xué)工作的唯一對象。作為教師，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)心理和學(xué)習(xí)狀態(tài)是合理安排教學(xué)活動的前提條件。當(dāng)前的大學(xué)生幾乎都是90后，而且都是家中的獨(dú)子。在經(jīng)歷了3年刻苦的高中生涯之后，終于脫離繁重的學(xué)業(yè)和父母的庇護(hù)，他們急于解放自己——忙社團(tuán)，玩游戲，交朋友等等，導(dǎo)致學(xué)習(xí)精力分散，學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)?，F(xiàn)在大學(xué)生中很多人認(rèn)為“學(xué)習(xí)無用，學(xué)習(xí)好不一定能找到好工作；大學(xué)學(xué)的內(nèi)容，在工作中根本用不上”。等等這些說法都導(dǎo)致現(xiàn)在大學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足。同時一些學(xué)生對大學(xué)生活感到迷茫，對將要面對的社會感到恐懼，他們不知道該學(xué)什么，怎么學(xué)。這就導(dǎo)致了學(xué)習(xí)的計劃性不強(qiáng)，目標(biāo)不明確。那么作為大學(xué)教師，我們不要總是埋怨大學(xué)生現(xiàn)在不愛學(xué)習(xí)，首先應(yīng)該是學(xué)生的人生導(dǎo)師。我們不要抑制學(xué)生的天性，也不要過多的說教，要利用教學(xué)之余與學(xué)生多溝通，了解當(dāng)代學(xué)生的心理，給學(xué)生講一些身邊發(fā)生的成功與失敗的實例，用正能量的例子去啟發(fā)他們正確思考自己的人生。畢竟大學(xué)生還沒有正式走向社會，他們對社會對未來的認(rèn)知，很大一部分就是從周邊的人口中得知的。學(xué)生只有從心理真正認(rèn)為學(xué)習(xí)很重要，他才能真正好好學(xué)。

2 合理安排課程教學(xué)

2.1 課程體系

該課程教學(xué)的目標(biāo)主要是：使學(xué)生能夠掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念；能夠分析、設(shè)計和校正線性控制系統(tǒng)；具有分析和處理技術(shù)崗位的一般技術(shù)問題的理論基礎(chǔ)；為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)以及畢業(yè)后工作奠定必要的理論基礎(chǔ)。課程內(nèi)容主要包括系統(tǒng)建模（微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖與信號流圖），系統(tǒng)分析（時域法，復(fù)域法、頻域法），系統(tǒng)校正（串聯(lián)校正、反饋校正、復(fù)合校正）。其中控制系統(tǒng)微分方程的列寫、指標(biāo)計算、根軌跡畫法及其分析、波特圖畫法及奈奎斯特判據(jù)等內(nèi)容是相對的重點(diǎn)內(nèi)容，而控制系統(tǒng)的校正是相對的難點(diǎn)內(nèi)容。

2.2 教學(xué)方式設(shè)計

（1）作好“開門紅”。所謂的“開門紅”指的就是一定要精心設(shè)計好課程的緒論部分。有些人認(rèn)為緒論沒有具體的理論要點(diǎn)，一帶而過即可?？墒菍τ谝粋€沒有接觸到任何社會實踐的大學(xué)生來說，突然讓他去學(xué)習(xí)一門他都不知道有什么用的專業(yè)課，這無疑不會使他產(chǎn)生任何興趣，甚至是一些迷茫。所以教師應(yīng)該先把課程的緒論講好。在緒論中要交代課程的理論體系、發(fā)展現(xiàn)狀和理論應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是應(yīng)用介紹，要通過大量的實例和圖片，演示給學(xué)生自動控制理論從古至今，從軍事到民生，都有著廣泛的應(yīng)用和重要的地位。甚至可以為課程留下伏筆。比如緒論中，當(dāng)講到經(jīng)典控制理論的基本方法時，會提到PID，那就可以舉例：在化工企業(yè)中，可以實現(xiàn)儲罐液位的PID控制，現(xiàn)在的儀表操作人員每天都要和PID參數(shù)打交道。那具體是怎么實現(xiàn)的呢？課程的第六章會詳細(xì)講解。這樣通過緒論的大概講解，學(xué)生會對這門課產(chǎn)生期待，不會覺得這門課無用。

（2）改變“教”和“學(xué)”的關(guān)系。傳統(tǒng)教學(xué)的模式是“單純的老師教，學(xué)生學(xué)”。導(dǎo)致學(xué)生主觀能動性差，對課堂教學(xué)興趣不高，學(xué)習(xí)效率低下，對知識死記硬背，缺乏獨(dú)立思考和解決實際問題的能力，缺乏創(chuàng)新能力。經(jīng)過大量的調(diào)研和實踐，提出以下教學(xué)模式（圖1）：

圖1 “教”、“學(xué)”互動模式

該模式中，首先由教師選取難度適當(dāng)?shù)闹R點(diǎn)；同時將學(xué)生分成小組，小組同學(xué)針對題目，查找資料、準(zhǔn)備PPT，準(zhǔn)備過程中可以隨時尋求教師指導(dǎo)；課堂教學(xué)主要由學(xué)生完成，學(xué)生換位成老師；最終教師對學(xué)生的教學(xué)進(jìn)行點(diǎn)評，對教學(xué)中的某些遺漏進(jìn)行補(bǔ)充。這種模式的教學(xué)，學(xué)生成為了課堂的主體，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，師生有效互動，充分發(fā)揮教學(xué)中教師的啟發(fā)性。倡導(dǎo)師生共同探索、發(fā)現(xiàn)和研究，使學(xué)生增長知識、開闊視野的同時，也提高了教師的業(yè)務(wù)水平。

這種模式的教學(xué)關(guān)鍵是教師要選擇好題目。不是所有的題目都適合這樣的講解，教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)部分還要由傳統(tǒng)教學(xué)來完成，可以給學(xué)生一些了解性的知識點(diǎn)作為題目。同時教師也不要將這類課程的比例安排過多，要發(fā)揮課程教學(xué)中的指導(dǎo)作用，否則容易造成課程松散的現(xiàn)象，反而達(dá)不到效果。

2.3 “講—演—實—反—結(jié)”五步教學(xué)法

結(jié)合課程的基本特點(diǎn)，該課程的一些教學(xué)內(nèi)容可以采用“課堂講授、動畫演示、實驗教學(xué)、學(xué)生反饋、教師總結(jié)”這五步來進(jìn)行。

課堂講授：對于理論性比較強(qiáng)的知識點(diǎn)，還是要以教師課堂講授為主。自動控制原理課程中，很多環(huán)節(jié)涉及到理論推導(dǎo)。建議在理論推導(dǎo)時，采用板書的形式而不是PPT，總是有學(xué)生反映，涉及到理論推導(dǎo)時，他們還是喜歡老師在黑板上進(jìn)行講解，因為在PPT上，講解的速度太快，一些環(huán)節(jié)還沒反應(yīng)過來就翻篇了。如果在黑板上一步步推導(dǎo)，可以放慢速度，學(xué)生能夠緊跟教師思路。

動畫演示：針對一些案例可以通過生動的圖片、動畫、視頻資料來增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，以便加深學(xué)生的理解與印象。例如講授開環(huán)與閉環(huán)控制，在介紹兩種控制系統(tǒng)的區(qū)別、優(yōu)缺點(diǎn)之后，以十字路口交通燈為例，通過兩個flash動畫演示該控制系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)工作動態(tài)過程。當(dāng)開環(huán)控制時控制信號的綠燈時間已經(jīng)預(yù)先設(shè)定好，按照一定的周期進(jìn)行控制，開環(huán)控制成本低，結(jié)構(gòu)簡單但不靈活，車流量較多的方向堵塞問題不能得到明顯解決。當(dāng)閉環(huán)控制時通過埋在地下的感應(yīng)線圈測量車流量，使控制信號的綠燈時間按照車流量進(jìn)行配置，而不是按照預(yù)先的設(shè)定值，閉環(huán)控制成本提升，系統(tǒng)復(fù)雜但交通堵塞的問題得以明顯改善。這樣通過案例就可以使學(xué)生容易理解開環(huán)控制和閉環(huán)控制的區(qū)別，以及二者的優(yōu)缺點(diǎn)。

實驗教學(xué)：我校采用兩種形式進(jìn)行實驗教學(xué)。（1）“ACCC-III自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置”。該實驗裝置由試驗臺進(jìn)行線路搭接，由電腦顯示實驗結(jié)果，可以完成很多驗證性和綜合性的實驗，如：典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究、典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析、典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量、線性系統(tǒng)串聯(lián)校正等。（2）“MATLAB”仿真實驗。MATLAB軟件可以通過編程形象直觀地進(jìn)行實例仿真，比如響應(yīng)曲線顯示、根軌跡繪制、BODE圖繪制、系統(tǒng)設(shè)計搭建等。通過實驗環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力，使課程內(nèi)容印象深刻直觀、課程抽象性減弱、關(guān)鍵結(jié)論牢記，達(dá)到了事半功倍的教學(xué)效果。

學(xué)生反饋：每一章結(jié)束之后，復(fù)習(xí)之前，要求學(xué)生對章節(jié)學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行反饋。要求學(xué)生寫出這一章節(jié)中的學(xué)習(xí)難點(diǎn)在哪里，還有什么困惑，課堂上哪一部分內(nèi)容沒有消化理解。學(xué)生通過書面方式，向教師反饋。教師針對反饋意見，對該章節(jié)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。

教師總結(jié)：無論采用何種教學(xué)模式，教師始終要對課程進(jìn)行整體的把握，這就是總結(jié)。教師要幫助學(xué)生給課程穿成一條線。在每一章結(jié)束之后，要把這一章與前后章節(jié)的關(guān)聯(lián)提煉出來。在課程總體結(jié)束之后，這條線也就出來了。這樣便于學(xué)生對課程整體把握，也便于學(xué)生復(fù)習(xí)。

3 總結(jié)

本文在分析學(xué)生心理的前提下，互換傳統(tǒng)的“教”、“學(xué)”角色，給出了“講-演-實-反-結(jié)”五步教學(xué)模式。這種方式充分給予了學(xué)生參與教學(xué)的權(quán)利，將實踐教學(xué)融入理論教學(xué)中，調(diào)動了學(xué)生的主觀能性，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的實際動手能力，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

基金項目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目（編號：JG 2014010636）

參考文獻(xiàn)

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