自動控制原理線下課程教學(xué)方法的探索

盧宇 申遠(yuǎn) 朱春麗

摘要：提高自動控制原理線下課程的教學(xué)效果，對專業(yè)人才培養(yǎng)、人才深造有著重要意義。在分析了當(dāng)前本課程線下教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過對課程線下課堂教學(xué)改革，突出教學(xué)的工程背景。通過建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)、線上線下教學(xué)指導(dǎo)等手段，提升了教學(xué)效果。使學(xué)生能夠在理論知識和應(yīng)用能力上得到進(jìn)一步提升，為培養(yǎng)優(yōu)秀的電氣工程人才奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)方法;線下課程;自動控制原理

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0120-02

1? 引 言

自動控制技術(shù)在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，提高了勞動生產(chǎn)率和人民生活水平。隨著高等教育的普及與發(fā)展，如何使得教學(xué)方法更有效、科學(xué)受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段已經(jīng)無法滿足電氣類專業(yè)發(fā)展對課程內(nèi)容的要求。自動控制原理課程是合肥師范學(xué)院電氣工程及其自動化本科專業(yè)的專業(yè)核心課程，其內(nèi)容主要包括自動控制的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法和控制系統(tǒng)的校正方法等。該課程理論性強(qiáng)的同時與工程實踐的結(jié)合也十分緊密[1]。學(xué)生不僅要掌握一定的控制理論知識，更重要的是要掌握控制理論應(yīng)用。因此，提高自動控制原理課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，使用多種線下、線上教學(xué)手段，使學(xué)生掌握本課程的主要知識內(nèi)容，對學(xué)生提高控制學(xué)科的素養(yǎng)和繼續(xù)深造有著重要意義。

2 課程開展現(xiàn)狀

2.1 課時量少

根據(jù)合肥師范學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)特點，本課程理論講授 48個課時，實驗 16個課時。理論課教材選用胡壽松教授的《自動控制原理》一書，實驗課主要用于驗證理論課的重要知識點，起到輔助理解作用。自動控制原理教學(xué)內(nèi)容眾多，由于受到課時的影響，課堂上只能講授基本的主要內(nèi)容，包括基本理論及公式的推導(dǎo)等。學(xué)生沒有足夠的時間通過課堂學(xué)習(xí)掌握更全面的控制理論[2]。

學(xué)生在課堂上注意力不集中，導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)的知識點內(nèi)容無法銜接、難以理解，學(xué)習(xí)興趣越來越差。教師在了解學(xué)生對知識點的掌握情況后，往往需要將有些重點內(nèi)容再次強(qiáng)調(diào)，更是占用預(yù)定的課堂教學(xué)時間。

2.2 教學(xué)方法單一

作為一門理論課，自動控制原理課程長期以來的教學(xué)以板書和PPT為主。教師授課講述時間長，使學(xué)生難以保持長時間注意力，不能抓住知識重點，對課程漸漸失去興趣。由于注重講授，課堂上留給學(xué)生自主思考和學(xué)習(xí)的時間少，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，更不能將各知識點融會貫通。

2.3 課程理論性強(qiáng)

學(xué)生在學(xué)習(xí)時頻域分析等知識過程中需要用到高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、信號處理、高等物理、電路原理等基礎(chǔ)知識。在理論驗證過程中對編程、繪圖等方面的能力同樣有較高要求。以上知識要求對不少學(xué)生存在較大困難，甚至還需要再次學(xué)習(xí)，增大了本課程的學(xué)習(xí)難度。總之，由于知識理論性強(qiáng)，對數(shù)學(xué)要求高、涉及范圍廣，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生容易碰到困難，從而使得學(xué)生學(xué)習(xí)積極性大受打擊。

2.4 學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)不足

作為對本科生授課，教師一般很少利用課堂時間對已授內(nèi)容全面復(fù)習(xí)總結(jié)，學(xué)生必須花費(fèi)不少于課堂教學(xué)的時長用來復(fù)習(xí)。自動控制原理課程對數(shù)學(xué)要求高、邏輯性強(qiáng)，學(xué)生只有認(rèn)真鉆研課本內(nèi)容才能理解知識點的精髓。通過分析、理解、記憶才能由感性認(rèn)識到理性認(rèn)識，掌握控制規(guī)律。自主學(xué)習(xí)是大學(xué)生有別于中學(xué)生的主要區(qū)別，但是學(xué)生在課后往往僅完成作業(yè)，不關(guān)注對課本內(nèi)容全面系統(tǒng)地復(fù)習(xí)。同時存在作業(yè)抄襲、期末突擊復(fù)習(xí)等現(xiàn)象。突擊復(fù)習(xí)只能短時間內(nèi)記住部分零散的知識點，既不全面也不深刻，更不能說理解，大大降低了學(xué)習(xí)效果，使得學(xué)生在考研復(fù)習(xí)時需要重新學(xué)習(xí)自動控制原理，加大了考研難度。

3 課程教學(xué)改革具體實施過程

自動控制原理課程作為合肥師范學(xué)院一門精品線下開放課程，其建設(shè)對學(xué)院教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革具有重要作用。學(xué)校從政策、經(jīng)費(fèi)等各方面對各級“精品線下開放課程”建設(shè)給予大力支持，鼓勵參與教師與其他高等院校進(jìn)行教學(xué)方法交流，邀請其他高校富有經(jīng)驗的教授來做教學(xué)講座。為了與實踐教學(xué)相配合，學(xué)校還對精品線下開放課程實踐教學(xué)場地及相關(guān)設(shè)備加大投入。在教學(xué)改革方面，不斷推動教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法等方面的改革。在學(xué)校的政策指導(dǎo)下，針對課程開展中的問題，筆者在教學(xué)方面采取了以下幾點嘗試。

3.1 課堂教學(xué)方式的改革

在教學(xué)中，自動控制原理作為一門理論和應(yīng)用并重的課程，在學(xué)習(xí)過程中需要理解公式含義，了解公式推導(dǎo)過程，掌握實際工程應(yīng)用。上述三種層次的學(xué)習(xí)深度決定了課堂教學(xué)的內(nèi)容和范圍，弱化公式推導(dǎo)有利于學(xué)生在有限的時間內(nèi)更好掌握公式的應(yīng)用。

學(xué)生課堂上所學(xué)的知識點需要自我消化，因此課堂討論非常有必要。在原有課時不變的情況下，可以將一堂課中2/3的課堂時間分配給教師進(jìn)行理論和工程實踐的講授，另外1/3的時間分配給學(xué)生以討論的形式進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)[3]。教師講授完本節(jié)的重要知識點和相關(guān)應(yīng)用實例后提出問題，讓學(xué)生通過小組討論、舉例的方式自主學(xué)習(xí)。學(xué)生對知識點進(jìn)行討論，在討論中不斷提升對知識點進(jìn)行理解。學(xué)生還可以自己列舉出遇到的應(yīng)用實例，這樣不僅加深了對知識點的理解，還促使學(xué)生課后復(fù)習(xí)，鞏固已學(xué)知識點。通過討論，學(xué)生可以將已學(xué)習(xí)的知識點融會貫通，在討論過程中不斷與教師交流互動，更深刻地理解知識點，更主動地學(xué)習(xí)。同時討論還促使學(xué)生課前預(yù)習(xí)、查找應(yīng)用實例。這種課堂討論相比在教學(xué)網(wǎng)站上發(fā)帖討論的效率更高、信息量更大。

3.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段

在學(xué)校建立的教學(xué)網(wǎng)站上，通過該網(wǎng)站提供給學(xué)生自動控制原理課程完整的教學(xué)資料，包括課程介紹、課程公告、教學(xué)大綱、課件、視頻、參考資料、討論、測試、作業(yè)等[4]。其中主要教學(xué)資料是相關(guān)知識點講解的視頻，這部分視頻充分利用國家級精品課程、省級精品課程資源。視頻資源不力求完整講述自動控制原理的教學(xué)內(nèi)容，僅以知識點為主。避免了學(xué)生課下漫無目的花費(fèi)大量時間去看視頻，而專注于重點、難點知識的學(xué)習(xí)。除了知識點視頻，還增加了應(yīng)用實例視頻，使學(xué)生加深對知識點的理解，使課程的學(xué)習(xí)不再枯燥乏味。教師根據(jù)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)情況、課后答疑情況等挑選適當(dāng)?shù)臏y試和作業(yè)，適當(dāng)增加知識點擴(kuò)展資料，幫助學(xué)生進(jìn)一步加深已學(xué)知識點的鞏固。

3.3 加強(qiáng)課后自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

授課時需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)課后及時復(fù)習(xí)的重要性，并且以課堂提問或作業(yè)的方式檢查學(xué)生的復(fù)習(xí)效果。增大對課后復(fù)習(xí)的考核比重，作為學(xué)生平時成績的重要部分。同樣，學(xué)習(xí)過程中預(yù)習(xí)也是非常有必要的，教師在網(wǎng)站上給出需要預(yù)習(xí)的內(nèi)容要點，讓學(xué)生有的放矢地預(yù)習(xí)。通過對預(yù)習(xí)視頻播放量和預(yù)習(xí)資料查閱量的統(tǒng)計，教師可以清楚地了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，督促未預(yù)習(xí)的學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)。

3.4 線上線下教學(xué)指導(dǎo)

除課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)平臺教學(xué)外，本課程開通了線上線下教學(xué)指導(dǎo)。其中線下教學(xué)指導(dǎo)主要安排在每周固定時間和地點，時長1～2個課時。對學(xué)生課后疑問，作業(yè)、測試中遇到的問題進(jìn)行指導(dǎo)。但是這種指導(dǎo)并不是對所有學(xué)生問題都答疑，而是對學(xué)生的問題有條件地回答。條件是學(xué)生已經(jīng)對疑問有所了解，在課本或其他參考資料中查詢過該問題。只有這樣才能提高學(xué)生自學(xué)能力，避免“學(xué)而不思則罔”的情況發(fā)生，使學(xué)生對知識點的認(rèn)識更加深刻。線上答疑即依靠網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生將問題在網(wǎng)絡(luò)論壇中提出并討論。引發(fā)學(xué)生的相互討論，在討論中加深對問題的理解。線上論壇的優(yōu)點在于學(xué)生可以有充裕的時間查找資料等，對問題的思考更加充分。教師也可以通過學(xué)生對問題的討論發(fā)現(xiàn)學(xué)生對知識點掌握情況的不足，發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，對教學(xué)內(nèi)容和方式進(jìn)行修改完善，從而更有效地教學(xué)，形成教學(xué)質(zhì)量不斷改進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng)。

3.5實踐能力的培養(yǎng)

實驗課程在自動控制原理教學(xué)中起著重要作用。計算機(jī)仿真技術(shù)——如MatLab/Simulink軟件的迅速發(fā)展，為實驗課程提供了良好的軟件平臺，已成為工程技術(shù)人員必須掌握的一門重要編程語言。MatLab/Simulink軟件具有強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真能力，并作為輔助分析和研究，可用以解決各種控制工程中的實際問題。實驗課程主要為理論課程提供理論驗證、動手能力培養(yǎng)等。筆者安排的實驗課程主要有二階系統(tǒng)時域響應(yīng)、根軌跡、線性系統(tǒng)頻域響應(yīng)、串聯(lián)校正等。每個實驗中首先要求學(xué)生搭建實驗?zāi)Ｐ?，在此基礎(chǔ)上通過修改參數(shù)、增加環(huán)節(jié)等方式得到不同的輸入輸出關(guān)系，加深學(xué)生對知識點的理解。例如，在二階系統(tǒng)時域響應(yīng)實驗中，學(xué)生可以通過MatLab編程方式和Simulink交互界面仿真兩種方式構(gòu)建一個二階系統(tǒng)。通過給定的階躍輸入得到階躍響應(yīng)，學(xué)生可以直觀感受二階系統(tǒng)的工作特性。通過修改二階系統(tǒng)的參數(shù)，得到不同的階躍響應(yīng)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到不同參數(shù)對系統(tǒng)輸出的影響這一知識點。除了要求完成的實驗外，學(xué)生還可以設(shè)計自己感興趣的實驗內(nèi)容，從而提升學(xué)生面對工程應(yīng)用和實踐的能力。

3.6 思政教育

在課程思政方面，需要科學(xué)合理地增加思政教育點。自動控制原理是研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論課，講述了控制的基本思想、系統(tǒng)分析等內(nèi)容。而控制理論不僅在工程科學(xué)中廣泛使用，在人文科學(xué)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。控制理念還蘊(yùn)含著深刻的哲學(xué)思想。例如管理學(xué)科中提到的控制，則是一種更宏觀的控制概念。學(xué)生除了理解工程中的控制概念外，還可以將這一概念擴(kuò)展，深入哲學(xué)思想、學(xué)習(xí)方法中去。例如在教授學(xué)生控制的反饋理論時，可以與平時的學(xué)習(xí)相聯(lián)系。又以我國控制學(xué)科的主要創(chuàng)始人、著名科學(xué)家錢學(xué)森先生為例，說明如何將控制理論運(yùn)用到兩彈一星的偉大事業(yè)中[5]。學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)獲得知識點，經(jīng)過課后復(fù)習(xí)、作業(yè)、測試來驗證所學(xué)的知識點的掌握情況，發(fā)現(xiàn)還未掌握的知識點，再補(bǔ)齊。通過不斷的學(xué)習(xí)、驗證、補(bǔ)充來完成各個知識點的學(xué)習(xí)。

4 總結(jié)

自動控制原理課程涉及的知識面廣、理論性強(qiáng)、教學(xué)難度大。通過上述教學(xué)方法的改革， 提高了學(xué)生知識能力素質(zhì)，使學(xué)生能在一定程度上具有解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維水平，具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 張學(xué)新.對分課堂：大學(xué)課堂教學(xué)改革的新探索[J].復(fù)旦教育論壇，2014，12（5）：5-10.

[4] 初紅霞，王希鳳，謝忠玉，等.混合式教學(xué)模式在自動控制原理教學(xué)中的實踐研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2021（11）：47-50.

[5] 杜輝，王梅，緱亞楠.自動控制原理課程的思政設(shè)計與研究——以化工機(jī)械專業(yè)為例[J].廣東化工，2021，48（12）：280-281，285.

收稿日期：2022-02-10

基金項目：安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目（2020kfkc439）

作者簡介：盧宇（1979—）， 男，安徽合肥人，就職于合肥師范學(xué)院，講師，合肥工業(yè)大學(xué)博士，研究方向：機(jī)器視覺、光電檢測技術(shù)。