浅析自动控制原理课程教学改革

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摘要:对目前《自动控制原理》课程教学内容、教学方法等现状和存在的问题进行分析。以改善课程教学效果和提高学生对教学内容的接受度为目的，在深度调研德累斯顿工业大学同类课程教学模式的基础上，吸收借鉴他人所长，进而提出了对该课程的教学改革的具体建议。提出的改进措施可优化前后理论知识的逻辑连贯性，并具有理论教学内容与实际应用案例有机结合的特点，有利于学生更好地构建课程的知识体系。

关键词:《自动控制原理》;教学改革;实践教学

自动化是支撑国民经济发展的重要学科，自动化技术已应用了现代科技各个领域。目前，产业结构调整是我国经济发展的战略重点，发展以智能化、数字化为特征的先进制造业更是保证我国经济持续健康发展的重中之重［1－4］。东莞市是我国制造业重地，被誉为“世界工厂”，在大力建设粤港澳大湾区的背景下，东莞制造业的发展也将迎来新的机遇和挑战。在制造业转型升级过程中，越来越多的用人单位已深刻意识到高素质人才是企业转型发展的重要保障，这对东莞理工学院人才培养方式提出了更高要求［5－6］。如何更好地为地方经济和企业发展培养适合人才，一直是东莞理工学院教学科研方面的首要课题。笔者参加了由中国教育部和德国BSK国际教育机构合作举办的“中国高等学校骨干教师赴德国高校访学项目”，在德国德累斯顿工业大学进行为期三个月的访学交流。访学期间，笔者在德累斯顿工业大学电气与信息工程学院进行有关专业培养方案、课程体系、教学内容、教学方法等方面的学习和交流。其中，对《自动控制原理》课程的教学内容和教学模式进行了深入的学习。基于对该门课程内容调研的启发，为东莞理工学院和国内其他高校《自动控制原理》课程未来的教学改革方向提供参考和借鉴。

1自动控制原理课程教学改革背景

《自动控制原理》是自动化、电气工程及其自动化等专业的一门重要专业基础必修课程。该课程是后续专业课程《现代控制理论》、《计算机控制系统》、《过程控制》和《运动控制》等课程的基础，对于帮助学生在专业学习过程中建立完备的知识体系具有至关重要的作用［7－10］，因此该课程教学内容的合理设置和教学方法的改进对于提升教学质量、提高学生对该课程内容的掌握程度具有重要的实际意义。从该课程的实际教学效果来看，现有教学内容和方法主要存在以下问题:1)课程具有很强的理论性和工程应用背景，但实际教学过程中将理论部分和应用部分的合理衔接一直是该课程的教学难点。现在该课程采用的教学方法依然是基于传统的理论课堂教学+课后实验的模式。理论教学重视严格的数学推导，较为抽象;课后实验安排以Matlab仿真实验为主，学生较难从仿真结果中感受到在实际应用中的效果以及理论知识在实际应用中应满足的约束条件。学生学完该课程后不能很好地建立理论内容与实际工程应用之间的联系。2)现有教学内容主要依赖于教材，且教材选择比较单一，任课教师会指定一本教材作为课堂教学依据。虽然《自动控制原理》课程教材的出版物较多，但教材内容基本相似，同质化严重。从教材内容的安排来看，章节之间的安排比较重视理论部分的逻辑连贯性和知识深度，一旦学生前期基础没有打好，学习该门课程时会感觉非常困难。3)学生在学习过程中缺乏独立思考和钻研精神。由于课程的理论教学内容较抽象，教师在课堂上讲授完知识点后，学生在课后还需要花大量时间认真复习才能较好地掌握知识架构，但多数学生课后投入的时间较少，因此知识点的掌握程度难以保障。其原因可以归结为:a)现有课程考核主要以期末考试的方式为主，缺少过程考核，因此学生日常学习较为松懈;b)理论教学内容相对枯燥，课堂上较难激发学生的学习兴趣。综上所述，现有《自动控制原理》课程的教学内容和方法不能很好地引导学生探究该门课程在实际应用领域的兴趣，难以达到人才培养的预期目标，因此有必要对课程的教育实践进行教学改革。

2德国大学自动控制原理课程的借鉴

德国是世界工业强国，德国工业企业自动化程度较高，在自动控制理论和工业应用结合方面具备良好的引领和示范作用。根据德国高校专业设置情况，德国高校没有单独设置自动化这门专业课程，自动化是作为电气工程专业下一个研究方向而设立。从专业设置模式可以看出，自动化需要依托具体的工业背景，因此，自动控制原理这样的课程教学也应该和实际应用背景紧密结合。有关德国高校《自动控制原理》课程教学的模式与方法，笔者以在德累斯顿工业大学电气工程专业对《自动控制原理》课程的调研内容进行分析。2.1德累斯顿工业大学。《自动控制原理》教学内容国内《自动控制原理》教材的教学主要内容包含:自动控制系统的基本组成和结构、系统的数学模型(时域、频域、复频域)及建模、控制系统时域和频域的性能分析(稳定性、准确性、快速性)、控制系统的综合(复频域)等［11－13］。教师在教学过程中可根据选定的教材、学时数及大纲要求等对讲授内容进行适度调整，但必须依托于教材内容。德累斯顿工业大学《自动控制原理》课程的教学内容则由任课教师决定，校方并不指定具体的教材，学生的教学资料主要是教师的讲义或PPT，教师会列出一些参考书目(实际上，德国的大学几乎所有课程的教学内容均由任课教师决定的)。德累斯顿工业大学的任课教师基本都是教授，在德国只有在本学科具有特别高水平的人才能被评为教授，因此教授对其讲授的内容具有很好的全局性把握和深度理解。基于此，课堂上教授基本不指定具体教材，都是以自己的讲义为准。德累斯顿工业大学《自动控制原理》课程具体的教学内容安排和知识体系结构如图1所示。结合该图所示的德累斯顿工业大学《自动控制原理》课程知识体系，并对照东莞理工学院该课程目前教学内容，可以总结出德累斯顿工业大学该课程的特点如下:1)德累斯顿工业大学《自动控制原理》教学内容比较深入，和东莞理工学院本科教学内容相比，增加了一些在国内研究生阶段才讲授的内容(如状态空间建模、Lyapunov稳定性分析)。一方面的原因是该课程的定位是为了给后续专业课打下更扎实的基础，因此对该门课程理论深度的要求也更高;另一方面原因是德国高校工科专业普遍采用5年制的理工科硕士(Diplom)学制，学生在高年级时需要做一些研究工作，所以相应地增加了教学内容的深度和广度。2)教学主线清晰，逻辑连贯性好。虽然最核心的教学内容与国内该课程的教学内容基本一致，但是老师在授课时会以自己对系统的理解，采用学生更为接受的循序渐进的方式进行讲授。即:以稳定性为中心→稳定性判据→控制系统校正(调节)→具体调节方法(时域、频域、复频域)→控制系统性能分析(稳态误差、瞬态响应)为教学顺序，做到环环相扣，使学生对理论知识的前后衔接关系更为清晰。3)引入典型工程应用案例帮助学生理解理论内容与系统实际应用之间的对应关系。教师采用直流电机调速控制为案例，该案例贯穿课程所有理论知识，让学生学习相对枯燥的理论知识时能理解此类内容在实际系统中该是如何应用的。这种以一个典型应用案例将前后知识点有机串联的方法能有效地帮助学生克服学新忘旧的问题，有利于学生对知识点的掌握。2.2德累斯顿工业大学《自动控制原理》课程课堂教学模式与方法。德累斯顿工业大学的教师在讲授该门课程所采用的教学方法与东莞理工学院该课程的教学模式基本相同，是以PPT辅以板书的形式进行教学。值得指出的是，PPT基本是任课教师提前编制好的讲义提要，里面涉及的具体数学推导等相关内容的深度解释主要在课堂上进行板书演示。该教学方式的优点主要有:1)板书形式的数学推导有利于帮助学生顺应老师的思路和节奏，如果推导部分不分步骤地全部放在PPT中，学生则难以做到思维跟随。2)由于没有指定教材，并且PPT上只保留知识点的提纲。板书主要是PPT上没有的内容，因此学生在听课时，会根据老师的板书做课堂笔记，进而加深对知识点的掌握。由于学生在课堂上基本全程都在抄写笔记，因此教师与学生之间的课堂互动较少，但实际上并不是老师的一言堂。德国大学学生的学习主动意识较好，在课堂遇到任何不懂的问题可随时举手提问，老师也会及时予以解答。该门课程学习之后的考核方式与国内考核模式相似，均以期末考试的方式进行。但是德累斯顿工业大学的该门课程还会穿插一些过程测试环节，其测试成绩会占到期末总成绩的一部分比例。课后答疑方面，德累斯顿工业大学采取助教制。该课程有专门的习题课，习题课是由助教给学生进行指导，学生会把平时遇到不懂的问题和课后作业中出现的问题汇总并请助教解答。2.3学生在课程教学过程中的表现。德国的综合性大学(包括德累斯顿工业大学等理工院校)秉持宽进严出的培养制度，学生的学习压力总体较大，因此学生学习的主动性非常强。具体表现在:1)上课时注意力比较集中，几乎没有课上玩手机或做其他事的情况，课堂中都会认真抄写老师的板书，遇到不懂的问题随时提问。2)学生学习的独立性、自主性都较好，课后学习投入时间较多，主要用于消化笔记、完成作业和小组讨论等。学生完成作业不是为了应付老师，所以不存在抄作业的情况。2.4对东莞理工学院自动控制原理课程教学改革的启示。结合德累斯顿工业大学《自动控制原理》课程教学模式的长处，对东莞理工学院该门课程教学改革提出以下建议:1)脱离固定教材对课堂教学的束缚。任课教师可以选择指定教材作为教学内容的支撑材料，但在课堂讲授时，在保证基本知识点完全覆盖的情况下，可以采用更灵活的知识点讲授或组织方式，以使前后内容的衔接关系更有逻辑性，从而让学生能更好地理解消化。2)鼓励教师采用自编讲义辅以参考教材的形式向学生提供该课程的参考资料。自编讲义建议任课教师结合课程理论内容和地方产业特色设计具体的工程应用案例。比如，制造业是东莞市的支柱和特色产业，制造业中的各个环节都有自动控制的应用案例，例如:机械手臂的控制、无人小车的控制、工厂循环水温度控制等。如果教师能把类似这样的实际案例和课程理论内容进行深度结合则可以提高学生的学习兴趣并增强学生对抽象知识的接受度。3)该课程理论部分有严密的数学推导，因此这部分内容建议教师采用传统的板书形式配合PPT进行讲授。单纯依靠PPT讲解的方式不利于课堂节奏的控制，推导过程若不能循序渐进地呈现给学生，不利于学生对知识的理解和掌握。采用板书的形式与节奏可以根据学生的课堂反馈进行调整，让学生的思路可以与教师的思路保持同步，以形成比较好的课堂教学互动，以增强知识点的传递效果。4)为增强学生的自主学习能力，建议教师增加课程过程考核环节，比如平时的小测试，这样可以督促学生课后主动复习。此外，教师还可以布置一些开放型的工程案例供学生课后完成，以配合课后作业，让学生有更多运用理论知识的实践机会。5)建议引入助教制度。很多学生平时遇到不懂的问题不愿意主动请教老师，若让在校研究生作为课程助教则可以很大程度上减少本科生因存在对老师的敬畏和排斥心理而不愿意主动问问题的情况。因为研究生与本科生均为在校学生且年龄相仿，基本没有代沟隔阂，可以更有效沟通，所以遇到不懂的问题时，学生找自己的学长请教是一种更为可取的方式，同时此方式对研究生也是一种锻炼和提高，既有助于研究生加深和巩固本专业的基础知识，也可以提高他们对所学知识的输出能力。

3结语

《自动控制原理》是自动化专业中最为基础和重要的课程之一，是沟通整个专业内容体系中基础知识和专业知识的桥梁。该门课程教学效果的优劣直接影响到学生对后续专业课程的学习效果以及个人知识体系的构建。吸收和借鉴国外高校课程教学模式的优点，并结合东莞理工学院自身的特色进行教学内容的优化和教学方法的改进，有利于改善该课程的教学效果，同时也可为国内其他高校进行该门课程的教学改革提供参考。所提出的改进建议主要包括以下两点:1)教学内容的逻辑性。以提高学生知识接受度和掌握度为目标进行教学内容改革，优化课程理论内容和前后之间的衔接，适应学生学习知识的递进特点，有利于学生对理论知识的掌握。2)理论内容与实际案例有机结合。通过设计与课程理论教学内容和地方产业特色紧密联系的具有实际工程应用背景的教学案例，增强学生的学习兴趣和课程参与热情，提高学生的学习效果。

作者:赵洋 单位:东莞理工学院