控制理论课程教学方法改革与探索

吴细宝 陈雯柏

摘要：笔者结合自身多年的教学实践及控制理论课程的特点，为提高控制理论课程的教学质量，从教学方法、课程实践、考核方式上进行了一些探讨，给出了实施教学改革的具体措施。实践表明，这些措施能够有效地提高教学效果。

关键词：控制理论;教学质量;教学方法;教学效果

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）40-0079-03

一、引言

控制理论为我校智能科学与技术专业第五学期开设的一门专业基础必修课，学生需要高等数学、信号与系统基础、电路分析等课程所涉及的傅立叶变换、拉普拉斯变换、Z变换、电阻阻抗等方面的先修知识，同时，通过本课程的学习，学生可以利用所学的控制系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法、状态空间分析法和系统校正方法，为模糊控制、神经网络、数字控制系统、智能机器人等专业后续课程的学习打下坚实的基础，在教学环节中起着承上启下的作用。该课程的特点是工程性、综合性、方法性、实践性强，涉及到多学科的交叉，需要的数学基础知识十分广泛，学生学习时对各知识点之间的关系缺乏整体把握，对控制系统的基本原理与方法的学习浮于表面，不能做到举一反三，学习积极性不高，以至于学生考试时相同的知识点换个提法就无从下手，卷面成绩及格率不高。针对这些问题，本文从教学方法、实践环节、考核方式等方面提出了一些改革措施。

二、教学方法改革

1.构建知识点结构图。构建知识点结构图指的是将把课堂讲授内容分解成一个一个知识点，并制成系统完整的结构图，分为课程知识点结构图和章节知识点结构图。

目前，我校智能科学与技术专业的“控制理论”课程主要涉及以下内容：自动控制的基本概念，控制系统的模型建立，线性系统的三种经典分析方法：时域分析法、根轨迹法、频域分析法，线性系统的校正、离散系统的分析与校正和线性系统的状态空间分析与校正。为理清课程内容之间的关系，首先将整个授课内容分为经典控制部分（前七章）和现代控制部分（第八章），经典控制部分又可以分为连续控制系统部分（前六章）和离散控制系统部分（第七章），再对每一部分，依据系统建模→系统分析→系统校正这条主线，对教学内容进行整合，整合后的课程知识点结构图如图1所示。图1中，中心部分为连续控制系统的经典控制部分，从基本概念到数学模型的建立再到三种分析方法（时域分析法、根轨迹法、频域分析法）再到系统校正，形成一条完成主线，右边部分为对应的离散控制系统的建模、分析、校正，左边部分为状态空间分析方法的建模、分析、校正，脉络清晰，使得学生在学习本课程之初就有整体的和宏观的感性认识。

在教学过程中，对于具体每章内容也建立相应的章节知识点结构图。在学习每章内容之前，通过章节知识点结构图，学生对每一章要学习的知识点有一个总体认识。学生复习时，对照章节知识点结构图，可以帮助学生更好地了解对各知识点的掌握情况，从而提高教学效果。以下是部分章节的知识结构图。

2.仿真软件引入课程教学。“控制理论”课程是一门理论性和工程性都很强的专业基础课，概念、方法和数学推导较多，与工程实际联系紧密。为此，在授课过程中，需要围绕建模→分析→校正这条主线进行讲解。利用多媒体、动画、软件仿真等手段对一些难以理解的内容和概念进行形象化处理。如在讲解二阶系统的无阻尼自然振荡频率ωn和阻尼比ξ这两个参数对系统动态性能的影响时，用软件仿真手段进行辅助讲解，编写Matlab程序构造不同的传递函数，仿真给出不同ξ下的阶跃响应曲线，见图6，给学生以直观上的感受。同学要求学生在完成课后作业时，利用Matlab进行验证。

3.多媒体与板书相结合，培养学生思维能力。启发式教学是一种以学生为主体、以教师为主导的先进教学方法。教师在教学过程中采取各种有效的方式激发学生的学习兴趣和想象力、创造力，充分调动学生的积极性和主动性，启发他们主动思考，提出问题、分析问题和解决问题，融会贯通地掌握知识，并创造性地运用于实际。

在授课过程中，如何给学生提出思考的空间，与学生进行深层次互动是摆在教师面前的一道难题。这里指的互动，并不只是老师在课堂上提问，学生起身回答，而应该是和学生进行有效的沟通。教师在授课过程中，除了修改和完善多媒体课件、有意识地调整自身的教学仪态，调节课堂气氛，吸引学生的注意力外，还要多注意观察学生的学习反应，对上课玩手机、睡觉的学生进行管理，同时也要总结自己教学过程中的不足，讲得好的地方继续保持，讲得不好的地方在后续授课过程中应如何改进，以提升自己的教学能力。

在授课过程中，教师不能成为多媒体PPT的播放员，而应将多媒体和板书相结合，充分发挥两者的优势，以有效提升教学效果。为了充分发挥多媒体的优势，需要不断修改和完善多媒体课件，对课件内容归纳整理，减少烦琐的文字，以免造成学生的厌倦情绪。同时适当的插入图片、动画、视频来吸引学生的注意力。例如，讲授控制系统稳定性的概念时，可以播放美国机器人大狗“DOG”的视频，让学生对“什么是稳定”有直观的认识。同时，充分发挥板书的优势，教师在课堂上板书可以给学生留有足够的思考时间，有助于培养学生逐渐形成独立思考问题的习惯。所以要把握好讲课的节奏，必要时借助于板书展现重要的内容，特别是数学公式的推导和根轨迹图、频率特性图的绘制，更应采用板书形式，以便学生有代入感。这样充分利用多媒体课件和板书两者的优势，提高教学效果。

三、课程实践环节的改革

实践教学是工科院校重要教学环节。控制理论课程理论性很强，要使学生理解课程内容，必须设置相应的实验。本课程设置8学时实践教学环节，既有验证性实验，比如一阶、二阶系统的阶跃响应，同时又借助于MATLAB进行系统设计和分析，开展综合性设计实验，辅助学生理解课堂知识，提高学生分析、解决问题的能力。

同时积极组织学生参加北京市电子设计大赛、全国大学生智能车竞赛、全国机器人锦标赛、华北五省市大学生机器人大赛，大学生创新科研项目的创新实践活动，使学生通过活动获得知识和技能，通过团队合作与交流、经验分享为学生的创新思维及思想方法的形成营造出良好的氛围。

四、考核方式的改革

控制理论课程的传统考核方式是期末考试成绩占70%，平时成绩占20%，实验成绩占10%，平时成绩包含考勤、作业等。在这种考核方式下多数学生只注重最后的理论考核成绩，对实验重视不够，无法很好地贯彻我校以培养应用型技术人才的培养目标。而且学生平时过程考核不够具体化，学生平时成绩差距不大。

改革的具体方案是降低期末考试比重，采用期末考试成绩占50%，平时成绩占30%，实验成绩占20%的核算方法。加强学生平时学习过程的考核，增加课堂小测验和回答问题的环节，调动学生自主学习的积极性。同时，增加实验考核环节，实验成绩的评定由原来单纯的由学生的实验报告评定改为由实验过程、实验结果和实验报告三者综合评定。

五、结束语

本文根据我校控制理论课程的特点，给出了在控制理论教学过程中教学内容和教学方法上改革采取的一些措施，在教学实践中也取得了较好的教学效果。课程改革是一个循序渐进、永无止境的过程。为了适应社会发展，培养出适应21世纪社会主义现代化建设需要，素质、能力、知识协调统一的应用型高级技术人才，提高教学质量，应该不断地更新和完善教学内容，改进教学方法，将控制理论课的教学改革推向一个新的台阶。

参考文献：

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