以多種手段為導(dǎo)向的教學(xué)方法的實(shí)踐及探討

林青 裘潯雋 張君 王金平 丁軻軻

摘要：本文根據(jù)筆者的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)的《自動(dòng)測(cè)量技術(shù)》和《自動(dòng)控制原理》兩門課程，總結(jié)探討以多種手段為導(dǎo)向的教學(xué)方法，以具體實(shí)例說(shuō)明了如何引導(dǎo)學(xué)生的思路進(jìn)入要學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容，從而提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)向；教學(xué)方法；自動(dòng)控制原理；自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）24-0167-02

大學(xué)工科課程內(nèi)容很多比較抽象，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)往往難于理解。教材一般都是對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)所涉及的定義定理的解釋、推導(dǎo)、計(jì)算、論述，教學(xué)內(nèi)容如果僅按照教材的章、節(jié)、條，平鋪直敘按部就班地展開，按照常規(guī)從定義定理出發(fā)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中往往不知定義定理所涉及的問(wèn)題如何產(chǎn)生，對(duì)所學(xué)知識(shí)感到茫然。在學(xué)生眼中，專業(yè)課程往往成了枯燥的定義、定理與繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算的堆砌。這種情形下，就需要教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，采用一定的手段引出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生的思路進(jìn)入將要學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生如何將理論運(yùn)用于實(shí)際，如何解決實(shí)際問(wèn)題。具體采用什么手段需要根據(jù)講授的教學(xué)內(nèi)容而定。本文根據(jù)筆者的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)的《自動(dòng)測(cè)量技術(shù)》和《自動(dòng)控制原理》課程，總結(jié)探討以多種手段為導(dǎo)向的教學(xué)方法。

一、以相關(guān)理論的發(fā)展歷史為導(dǎo)向

《自動(dòng)控制原理》課程是很多專業(yè)學(xué)生的一門必修課，以教材第二章自控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立為例。對(duì)于剛學(xué)習(xí)自控基本概念的學(xué)生，教學(xué)中如果直接通過(guò)計(jì)算題推導(dǎo)講解如何用微分方程描述自控系統(tǒng)，學(xué)生會(huì)感到茫然，不理解自控原理課程上怎么又做起微分方程的應(yīng)用題。課堂上，筆者告訴學(xué)生從自動(dòng)控制原理的發(fā)展歷史來(lái)看，人類從發(fā)明第一個(gè)自控系統(tǒng)即瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，到懂得要研究提高自控系統(tǒng)性能必須首先建立系統(tǒng)的微分方程，這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了一百年。從而肯定學(xué)生產(chǎn)生這種茫然的感受是有道理的，首先解除學(xué)生心理上的疑慮，然后介紹相應(yīng)的歷史背景如下：

歷史上瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，極大地推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步并拉開了第一次工業(yè)革命的序幕，但很少有人知道瓦特還是蒸汽機(jī)調(diào)速器的發(fā)明人。蒸汽機(jī)運(yùn)行時(shí)只有保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，可實(shí)際中由于受到外界的各種擾動(dòng)，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速往往會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)甚至最后不能穩(wěn)定下來(lái)。為解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)不少人從多方面對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了改進(jìn)，比如改變調(diào)速器的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、離心擺的體積等，但都無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題，這種探索持續(xù)了大約一百年之久。

1864年，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋根據(jù)圖紙制作了一個(gè)瓦特蒸汽機(jī)調(diào)速器，經(jīng)過(guò)四年的研究探索，第一次指出，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速能否克服外界擾動(dòng)最后穩(wěn)定下來(lái)，不單獨(dú)取決于調(diào)速器，而是需要將調(diào)速器跟蒸汽機(jī)作為一個(gè)整體，建立相應(yīng)的微分方程來(lái)研究其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性問(wèn)題。他還指出，從系統(tǒng)的微分方程就能判斷出轉(zhuǎn)速是否能最后穩(wěn)定，調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于其微分方程對(duì)應(yīng)的特征根的實(shí)部，若能保證特征根實(shí)部為負(fù)值，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速就能穩(wěn)定。

麥克斯韋據(jù)此發(fā)表了著名論文《論調(diào)速器》，這篇論文被公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開端。課堂上介紹到此，激發(fā)起學(xué)生興趣的同時(shí)，也將他們的思路引導(dǎo)到如何用微分方程來(lái)描述一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

《自動(dòng)控制原理》很多重要的知識(shí)點(diǎn)都有相應(yīng)的歷史背景，比如，關(guān)于判斷穩(wěn)定性，1874年，勞斯（Routh）提出了用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法判別微分方程特征根實(shí)部為負(fù)的方法，即勞斯穩(wěn)定判據(jù)，該判據(jù)至今仍廣泛應(yīng)用；關(guān)于如何設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，1922年，美國(guó)的Minorsky在對(duì)船舶自動(dòng)導(dǎo)航的研究中，提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方法，其研究成果是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的PID調(diào)節(jié)器的前身；……。通過(guò)相關(guān)問(wèn)題歷史背景的展示，充分歸納利用歷史資料，提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生弄清相關(guān)概念的來(lái)龍去脈，體驗(yàn)到知識(shí)的形成與應(yīng)用過(guò)程，了解其中蘊(yùn)含的思想方法。

二、以相關(guān)科學(xué)家發(fā)明創(chuàng)造的小故事為導(dǎo)向

“負(fù)反饋”是自動(dòng)控制和電子技術(shù)課程中的一個(gè)常用概念，關(guān)于反饋的概念及應(yīng)用實(shí)例，有這樣的一個(gè)史料：

第一次世界大戰(zhàn)之后，電子管放大器的產(chǎn)生，使長(zhǎng)距離的電話通訊成為可能。但是隨著距離增加，電信號(hào)能量損耗加大，需要更多的放大器來(lái)彌補(bǔ)能量損耗，可是電子管的微小非線性所產(chǎn)生的失真必隨著放大器增多而上升。為解決這一問(wèn)題，在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的Harold S.Black提出了使用負(fù)反饋放大器的方案來(lái)減小失真。Black是如何想到負(fù)反饋放大器這個(gè)方案的呢？他在《負(fù)反饋放大器的發(fā)明》一文中寫到：“1927年8月21日早晨，上班途中，當(dāng)我正要在拉卡瓦拉渡口渡河時(shí)，負(fù)反饋放大器的念頭如閃電般出現(xiàn)在我的腦際。五十多年來(lái)，我始終在思索為什么以及如何會(huì)有這個(gè)念頭出現(xiàn)。時(shí)至今日，我對(duì)此問(wèn)題的解釋仍和那個(gè)早晨所能做的解釋一樣：在對(duì)放大器問(wèn)題進(jìn)行了幾年艱苦的研究之后，我突然意識(shí)到，如果將放大器輸出倒相反饋到輸入端使裝置避免振蕩，就能得到我想要的消除輸出失真的方法。于是我打開晨報(bào)，在《紐約時(shí)報(bào)》的一頁(yè)上畫下了負(fù)反饋放大器的一個(gè)簡(jiǎn)單但規(guī)范的草圖，寫下了描述反饋放大過(guò)程的方程，并草草地簽上名。20分鐘后。我到了實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)已故的Earl C.Blessing看到并讀懂了草圖，然后也簽了名?！边@份《紐約時(shí)報(bào)》已成為一件珍貴的文物珍藏在AT&T;的檔案館中。

這樣的歷史資料很多，非常生動(dòng)，讓學(xué)生感到知識(shí)是有溫度的，使學(xué)生更容易進(jìn)入所要講授的內(nèi)容。

三、以學(xué)生已有的理論知識(shí)為導(dǎo)向

學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課時(shí)，已完成了基礎(chǔ)課程比如大學(xué)物理等的學(xué)習(xí)，通過(guò)已有的概念和基礎(chǔ)知識(shí)為導(dǎo)向，啟發(fā)討論，引入相關(guān)新的教學(xué)內(nèi)容。

《自動(dòng)測(cè)量技術(shù)》課程主要學(xué)習(xí)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的測(cè)量原理，課程的特點(diǎn)或難點(diǎn)之一是涉及的基礎(chǔ)課程較多，但這也正好是啟發(fā)學(xué)生如何將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際的一個(gè)契機(jī)，可以訓(xùn)練學(xué)生的思考能力。

比如該課程中的霍爾壓力傳感器，涉及到的基礎(chǔ)知識(shí)是《大學(xué)物理》中學(xué)習(xí)的霍爾效應(yīng)，可以采用以下途徑啟發(fā)學(xué)生思考，根據(jù)公式EH=KHIBcosθ（式中EH：霍爾電動(dòng)勢(shì)；I：輸入電流；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度；θ：B與霍爾元件法線的夾角；KH：霍爾系數(shù)），討論可以利用霍爾效應(yīng)這一物理現(xiàn)象來(lái)測(cè)哪些物理量，解決這個(gè)問(wèn)題有多種思維方式。教學(xué)中，筆者采用這樣的思路，EH是I、B、θ三個(gè)量的函數(shù)，當(dāng)其中任何兩個(gè)量保持不變，那么，就可以根據(jù)EH的大小來(lái)確定另一個(gè)量的值，比如保持I、θ不變，則EH=f（B），可得到測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)；保持I、B不變，則EH=f（θ），引出角位移測(cè)量?jī)x，等等。那么如何利用霍爾效應(yīng)來(lái)做成壓力變送器呢？進(jìn)行下一步的分析便水到渠成了。

四、以解決工程中的實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向

學(xué)習(xí)《自動(dòng)測(cè)量技術(shù)》中熱電偶溫度計(jì)的中間溫度和中間導(dǎo)體定律時(shí)，可以這樣引導(dǎo)學(xué)生，前面學(xué)習(xí)中推導(dǎo)出只要熱電偶的冷端溫度保持不變，就可根據(jù)熱電偶回路中熱電勢(shì)大小來(lái)得出熱端溫度，但是，第一是在實(shí)際中，熱電偶冷端溫度不可能保持不變，第二是要得到熱電偶回路中熱電勢(shì)的大小，回路中必須接入測(cè)量表計(jì)，那么測(cè)量表計(jì)的接入，會(huì)影響熱電勢(shì)的大小嗎？接下來(lái)就順理成章地引入中間溫度和中間導(dǎo)體定律的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

五、以增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的手段為導(dǎo)向

增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的手段很多，比如利用多媒體教學(xué)手段，通過(guò)播放一些與教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的視頻或者圖片等；也可帶學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室或者利用學(xué)生下廠實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)給學(xué)生講解。

六、結(jié)束語(yǔ)

教師根據(jù)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，采取不同的教學(xué)方法，通過(guò)不同手段引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，可以使學(xué)生容易理解課程內(nèi)容；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)學(xué)科的興趣，能欣賞并感受學(xué)科的魅力；培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的思維能力。當(dāng)然，要很好地達(dá)到上述目的，需要教師的精心設(shè)計(jì)，教師對(duì)于教學(xué)內(nèi)容知識(shí)的掌握情況在很大程度上決定了相應(yīng)的教學(xué)效果。

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