自动控制原理课程教学方法探索与改革

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  摘要:自动控制原理课程理论性强、概念抽象、知识覆盖面广及分析方法多,怎样使学生想学和学好一直是教学中的难点。为此,在教学方法上分别从内在因素和外在因素方面进行了一些探索和改革。教学方法内在因素方面的改革,从三方面加以分析,即让学生想学、能学和会学;其次论述了教学方法外在因素方面的改革,一是合理优化教学内容,二是适当改革教学方法,因材施教,三是适时转变教学模式。通过教学方法的改革后,学生的到课率,听课时的精神面貌,学习的主动性都有一定程度的提高。
  关键词:自动控制;教学方法;内在因素;外在因素
  作者简介:刘峰(1976-),女,四川丰都人,浙江科技学院自动化与电气工程学院,讲师;邵世凡(1956-),男,黑龙江哈尔滨人,浙江科技学院自动化与电气工程学院,教授。(浙江?杭州?310023)
  基金项目:本文系浙江科技学院教学研究项目(编号:2010 I B-a05)的研究成果。
  中图分类号:G642?????文献标识码:A?????文章编号:1007-0079(2012)24-0046-02自动控制原理是高校电类、机械类及相关专业一门重要的专业基础课程,是本科生后续课程和研究生课程的基础。[1]为适应新形势下教育发展的需要,为配合卓越工程师试点专业的课程改革,也为了适应本校学生的基础,提出在课堂教学方面进行改革的具体措施。教学实践表明,通过这些改革,提高了学生学习的积极性、主动性,增强了学生分析问题和解决问题的能力,培养了学生的思维能力,而且进一步加深了对自动控制原理课程基本理论与基本概念的理解,为后续课程的学习奠定了坚实的基础。
  自动控制原理是一门理论性、实践性和综合性强的课程,内容多,概念抽象,涉及面广,[1]与数学联系紧密,不仅要求学生有扎实的“工程数学”、“电路”、“电机与拖动”等课程的基础知识,而且还要有很强的计算能力。[2]因此,该课程的改革和建设是全面提高专业教学质量的基础、促进学科发展的关键。笔者立足于综合创新型人才培养的思考,对该课程的教学内容优化整合,并对教学方法进行了一些探索和改革。
  从哲学上讲,内因和外因共同决定了事物的发展。内在因素上的教学方法改革在于调动学生的积极性,对学习产生兴趣,从爱国主义教育,利益驱动和课堂鼓励三方面做到让学生发自内心的想学,其次还要做到能学,最后是形成自己的学习方法。
  一、教学方法内在因素方面的改革
  1.激发学生学习兴趣
  在教学过程中,教学方法改革的主要目的就是调动学生的积极性,产生兴趣,兴趣是学生积极主动学习的内在动力。结合自动控制理论的特点,笔者在激发学生学习兴趣方面从以下三方面着手:
  (1)爱国主义教育。谈到控制论,就不得不提到钱学森。荣膺过两弹一星功勋奖章殊荣的钱学森,曾为中美两国的导弹和航天计划都作出过重大贡献。36岁时钱学森便已成为麻省理工学院最年轻的终身教授,后来钱老不畏困难,毅然回国。作为一代科学大师,钱老对国家民族、对科学研究、对青年人才、对科学道德的挚爱,感动了全民族。他的崇高人格和科学精神就像一座灯塔,照亮后人前行的路。在人们缅怀和追思钱老时,不时会被钱老提出的一个问题所震撼。“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”,这个被称为“钱学森之问”的问题,已引起上至国务院总理下至普通学生的深思。它是沉重的,也是不容回避的。
  我国古代很早就有了指南车,地动仪,为什么近代却落后了呢?诸如这样的爱国主义的例子和发人深省的问题,激发学生的爱国主义和思考,从而激发学生的学习兴趣。
  (2)利益驱动。20世纪的三大伟绩是相对论、量子论和控制论。在工程和科学技术的发展过程中,自动控制技术起着十分重要的作用。应用自动控制理论和技术,能使人类以前认为做不到的事情成为现实。人造卫星、宇宙飞船、人类登上月球、导弹制导、人工智能、自动驾驶等高精尖技术都离不开自动控制技术。在各种工业部门,例如:石油、化工、冶金、机械、轻工、电子、汽车、通信、航空、航天、电力等部门,也都广泛采用自动控制技术。随着自动控制理论和实践的不断发展和完善,在经济、管理、生物、社会学、生态等各种给工程领域,也广泛用自动控制理论和技术。因此,自动控制技术已成为最用发展前途的科学技术之一,它的发展趋势更是不可限量。可以毫不夸张地说,自动控制技术已经成为现代化社会不可或缺的组成部分。
  (3)课堂鼓励。教学过程中,需要师生之间的互动,所以笔者经常在授课过程中进行一些合理的设疑。学生新接触到一个知识时,认知能力肯定会受到一些限制,对于教师的设疑,有时可能会回答的牛头不对马嘴,这时候如果教师合理的引导,有效的启发,就会让学生自己解决了问题,反过来又极大的调动了学生学习的积极性,对于在设疑过程中,回答的有想法的同学加以鼓励,正确评价。另外还采用了其他方式对学生加以关注,抽点,上课提问,部分同学重点关注,到课率高,上课的精神也好很多,坐在后面的同学也伸长了脖子听课。
  2.扩大学生的知识面,丰富学生的感性认识
  如果人们对一样事物一无所知,也就不可能对它产生兴趣。所以教师在教学中应注意扩大学生的知识面,丰富学生的感性认识。[3]
  (1)调动了学生的积极性后,学生产生了学习的兴趣,所以教师在教学过程中注意学生动态,注意扩大学生的知识面,自动控制原理课程有很强的理论性,而且对先修知识也要求很多,每个同学所掌握的知识是不同的,学习起来可能会有畏难情绪。针对课程中首先需要用到的拉普拉斯变换,提炼出课程中急需用的线性定理、微分定理、积分定理等定理,急用先看,找准切入点,打消学生的畏难情绪。
  (2)笔者及其教学团队通过自动控制原理课程的网站建设,扩大师生交流的时间和空间,补充一些急需要用的先修知识也放到网站建设中,让学生在课外时间也能自学,也可以得到专业的帮助。
  3.培养学生的自学能力
  “授之以鱼不如授之以渔”,因此掌握学习的方法也很重要,培养学生的自学能力。大学中的学习,学生应该站在主动的地位,而不是被动的跟在老师身后。大学课堂里,老师一堂课的内容涵盖了很多知识点,信息多,学生光靠听讲可能无法把所有知识融会贯通。所以最好的学习方法是课前预习,简单的问题先理解,难的问题仔细琢磨,上课时对照老师对这些问题的分析加以理解和认识,课后在查漏补缺。   此外,引导学生充分利用互联网和图书馆里的资料,除了学习老师讲解的知识点外,大学生一定要主动地查找相关文献和资料,尤其是发现了自己感兴趣的问题时,积极的了解相关知识和最新的研究动态。熟练的利用互联网和图书馆的资源,也是提升自学能力的有效方法。
  鼓励学生加强交往能力。利用学校的人才资源,主动向别的老师和同学请教,他们都是很好的知识来源。同学之间的相互请教,互帮互助,有利于大家的共同进步。
  二、教学方法外在因素方面的改革
  1.合理优化教学内容
  本校的电气工程及其自动化专业被列为教育部卓越工程师试点专业,要求学生有较强的实践能力,自动控制原理课程总学时为72个学时,其中包含10个学时的实验,如果教学内容不加以优化,课程的理论体系将无法完整讲授。以卓越工程师试点专业的自动控制原理教学大纲为基础,考虑本专业的实际需要,精选出课程中的难点和重点,学生在学习“自动控制原理”以前已经学习了相关的专业基础课,广大学生都反映该门课程和先修课程在内容上有重复的地方,所以在优化课程内容时可以在充分讲授清楚基本概念、基本原理和基本方法的前提下省去与先修课程重复的内容。[4]对于一些需要学生了解的内容,一般采取学生课后自学的方式,或者课后分组讨论来学习。
  2.适当改革教学方法,因材施教
  自动控制原理中有个非常重要的概念是反馈控制原理,在自动控制系统中,系统要能自动的、快速的和准确的完成任务,就离不开反馈控制。
  反馈控制原理:在反馈控制系统中,控制装置对被控对象施加的控制作用,是取自被控量的反馈信息,用来不断修正被控量与输入量之间的偏差,从而实现对被控对象进行控制的任务,这就是反馈控制的原理。[5]
  事实上,反馈控制的原理在人类的一切复杂的和简单的活动中都能体现出来,人自身所具有的消化系统、神经系统等就组成了一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。比如,人手拿取桌上的书,骑自行车去学校,汽车司机驾驶汽车,在日常生活中,这些都是人们习以为常的简单动作,但是却渗透着深奥的反馈控制的原理。所以在讲解时,将生活中大家都认为很简单的事例引入来解释自动控制理论中的原理,即所谓小事情,大道理,又熟悉,好理解,却又渗透着深奥的道理。
  现在通过分解手从桌上取茶杯的动作过程,来理解什么是反馈控制原理。分析中,先确定系统的输入量或称为输入信号,即茶杯的位置,它是手动作过程中的指令信息,手的位置就是输出量或称为输出信号。在手取茶杯时,人们首先是用眼睛目测手相对于茶杯的位置,实际上就是在测量输出量并送到输入端,并与输入信号进行比较。实际上大脑得到这些信息后,大脑就在比较手的位置和茶杯的位置之间的距离,这时候就会有一个差值,称之为偏差信号,大脑会根据这个偏差信号指挥手臂移动,目的是使手的位置和茶杯的位置之间的距离不断减小。如果这个偏差值存在,调节过程就没有结束,上面所述动作过程就会重复进行,一直到这个偏差值变为零,手也就取到了茶杯。从这个例子中看出,人们在控制手取物体的过程中,就是一个利用偏差值,而且是按照与偏差的极性相反的方向来产生控制作用,并且使偏差不断的减小直至为零;在这里,要想得到偏差信号,输出量即手的位置就必须被测量出来,有了这个反馈信息,送到输入端与输入信号进行比较后,大脑根据偏差产生控制作用,就是反馈控制。
  然后把手取茶杯这个过程按照先后顺序画出框图,如图1所示。
  这时候再给出一般控制系统的结构图,如图2所示,结合这个例子让同学理解,控制器,被控对象,执行机构,输入信号,输出信号/被控量,偏差等这些控制理论中的专业术语,并且理解信息的传递过程,最重要的是通过简单的熟悉的例子,让同学理解了重要概念:反馈控制原理。
  这样的例子还很多,例如超前校正的原理、劳斯判据、根轨迹的绘制、动态响应的学习等等。
  3.适时转变教学模式
  应用型本科院校,对于学生侧重于应用型方面的培养。对于每个人来说,最重要的和最有成效的学习方法是对前人已得到的答案和方法重新发现和创新。传统的课堂教学,以填鸭式教学为主,主要考虑的是教师对学生的影响,而忽略了学生之间的相互影响。从自动控制理论中的反馈控制原理的角度来说,输出量即学生实际学到的知识被测量后,反馈送到输入端,与输入量即给定的知识比较后,就会发现自己的不足,专业术语称之为偏差,学生之间的相互讨论,学生之间的相互讲解和学习,也是一个消除偏差非常好的途径和方式。因此学生之间的这种相互影响和相互作用应该积极的加以利用和放大,以提高教学效率。
  (1)教学方法的改革中注重合作性与互动性。所以笔者在教学过程中尝试采用学术讨论、分小组讨论和学生讲课相结合的教学模式,这种教学手段的改革,首先是教师把基本的理论讲授清楚,然后提前一个星期给学生安排要讲的知识点,给学生充分的时间准备,每次课让学生讲解一个的难点,从学生自己的观点、看问题的角度,来让同学们加深对课程理论体系中的重点和难点问题的理解。学生参与讲解的过程中,先讲自己的观点,见解,认识和理解,在让同学们进行讨论,教学的最佳境界就是向学生提供一些我们学到的知识都是自己所发现的。每章的最后,笔者适当的应用MATLAB计算机软件对控制系统仿真,解决一些黑板板书不宜演示的内容,例如:控制系统结构图的变换、传递函数的求取,绘制系统特征方程根轨迹和绘制控制系统的频率特性曲线等等。通过学生之间的相互合作,充分调动学生的学习积极性,发挥学生之间的相互影响和作用,让学生想要学习和学会如何学习。
  (2)实例分析。本次尝试的教学模式改革,是让学生自己组合,三人一组,查找资料,分析讨论,最后推荐小组中的一个同学上台讲课,每次的时间是8-10分钟。开学初的几次课同学们对这种模式比较陌生,上讲台讲课时,拿着事先准备的读书报告讲,感觉有些紧张。教师应积极的鼓励,进行点评,指出好的一面加以赞赏和鼓励,不足的一面,委婉的指出。学期中的时候,上讲台讲课的学生事先积极的准备PPT,态度在积极的转变,在充分的表扬和鼓励后,也指出PPT中的不足,讲课时的仪态等问题。同学讲解后的小组讨论也热烈很多。以后的同学在上讲台时,不但有PPT,而且内容适中,讲课的声音,面貌都大气很多,而且就PPT的质量来说,也是经过他们精心构思的。
  另外一种教学模式改革的尝试是给学生布置一些讨论题,这些讨论题来源于教学中的重点和难点,学生在课外分小组讨论,自己查找资料,撰写读书报告。从学生的读书报告看,有他们对问题理解总结的要点,也有细致的解决问题的过程。
  三、结语
  在教学改革尝试的基础上,笔者还精心制作了教学课件发布在校园网上,便于学生随时调用,课后自学和复习。通过转变教学思路,改革教学方法,从内因上激发了学生学习的兴趣和动力,从外因上对教学方法的改革进行有益的探索和实践,注重培养学生的学习能力。在今后的教学中还需要不断的完善,以提高大学生创新能力的培养。
  参考文献:
  [1]丁勇,王从庆.《自动控制原理》课程的教学改革与实践[J].南京航空航天大学学报:社会科学版,2005,7(1):84-86.
  [2]梁淑芬.“自动控制原理”课程教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2009,31(11):79-81.
  [3]周丽丽,杨静.教学方法改革之我见[J].科技情报开发与经济,2009,
  31(4):185-186.
  [4]刘丙友.“自动控制原理”课程教学改革与探索[J].中国电力教育,2011,
  (4):62-63.
  [5]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京:科学出版社,2003:1-6.
  (责任编辑:刘丽娜)
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