“自动控制原理”课程教学中的问题及对策

李峰 罗印升 俞洋 邢绍邦 李博

摘    要： 针对“自动控制原理”课程教学中存在的问题，围绕理论与实践紧密结合的课程特点，提出将理论教学和实验教学有效融合的策略，采取多样化的理论教学形式，改革实验教学方法及考核机制，在充分激发和调动学生学习主动性与积极性的基础上，促进学生对课程理论的掌握及实践能力的提升，从而实现应用型人才的培养目标。

关键词： 自动控制原理; 理论教学; 实验教学

中图分类号：G642.3             文献标识码：A                文章编号：2095-7394（2020）04-0111-04

“自动控制原理”课程是控制类、电子信息类等专业的一门重要专业基础课[1]，该课程系统地阐述了经典控制理论和现代控制理论的研究对象及数学模型，并利用相关理论和工程技术进行分析和设计，具有理论与工程实践紧密结合的特点[2]。“自动控制原理”整合了电类专业基础课程，如大学物理、模拟电子技术、数字电子技术、电路等，同时又需以高等數学知识为基础。由于该课程理论性强、知识面广、内容繁多，且计算量大、概念抽象[3-4]，因而相当多的学生难于理解和掌握。但是，该课程又是后续课程，如过程控制、计算机控制系统、智能控制技术以及现代控制理论等的基础，因此教好学好这门课具有重要意义。

1    “自动控制原理”课程教学中存在的问题

1.1 内容多与课时少的矛盾突出

当前，在该课程的教学中，课时少与内容多的矛盾成为教师最大的困惑。江苏理工学院“自动控制原理”课程在自动化和电气自动化两个专业中开设，教学时数为64学时，其中实验教学为8学时。

“自动控制原理”课程内容包含经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论主要运用在时域和频域范围内分析系统的动态性能，即系统的稳定性、快速性和准确性。它包含五个章节内容：控制系统的数学模型、线性连续系统的时域分析、线性系统的频域分析、线性系统的校正以及线性离散系统。现代控制理论主要研究线性系统的状态空间，利用系统的状态变量对控制系统进行分析和设计，内容主要包括线性系统的状态空间分析与综合。由此可见，该课程内容相对较多，而且教材中增加了利用Matlab进行系统仿真辅助设计内容，也占用了一些学时。此外，应用型人才的培养目标要求更加注重学生专业实践能力的养成及提高，提倡学生在学中做、做中学，即要增加专业实习实践时间，这进一步激化了内容多课时少的矛盾。为了在有限的时间内完成教学任务，教师就不得不增加每课时的信息量，造成相当一部分学生无法及时消化、理解所讲内容，影响了该课程的教学效果。

1.2  学生课堂学习兴趣难以提升

目前，“自动控制原理”的教学虽然基本实现了多媒体形式，然而教学模式还大多为传统的“填鸭式”。这种教学模式不太注重课堂上学生主动性的发挥，只是一味机械式地做课堂笔记，缺少启发与思考，学生学习热情不高。此外，由于每节课的信息量较大，上课使用的课件也只是将教材中的文字和图片简单组合，并没有利用好多媒体教学的优势。相反，使用多媒体教学之后，教师讲课速度较快，学生难以跟上，从而对知识的理解只停留在表面难以深入[5]。

1.3  理论教学与实践教学严重脱节

理论与工程实践紧密结合是“自动控制原理”课程的特点之一，二者相互促进、相辅相成。但在校大学生普遍缺乏工程实践经验，对实际控制系统也缺乏感性认识，非常不利于对理论知识的学习与掌握。

首先，该课程的每个章节都有复杂的系统结构图和繁琐的数学公式，如在时域分析、根轨迹以及频域法等章节中，学生如果缺乏工程实践知识，则很难弄懂系统的数学模型。其次，在分析复杂的非线性系统数学模型时，往往将复杂模型分解为简单模型，从而利用成熟的线性系统知识进行分析。然而，实际工程中理想的线性系统是不存在的，或多或少都存在一定的非线性特性，因此，采用线性系统相关理论分析会造成理论分析与实际情况不符的问题。如果学生没有工程实践经验，则不容易灵活掌握及运用这些理想模型。

2    解决对策：加强理论教学与实验教学的融合

以培养工科应用型人才为目标，秉持专业教学应该面向行业需求的理念，着力培养学生自主探究能力和创造性思维。根据笔者教学的亲身体会，借鉴其他院校的宝贵经验，尝试提出以下教学策略。（如图1所示）从理论教学与实验教学两方面同时考虑，通过一些具体方法的采用，力求形成理论与实验相促共进的局面。

2.1  理论教学策略

2.1.1优化教学内容

该课程的各模块独立性较强，但综合性要求也相对较高，应该优化教学内容，将内容系统化、模块化。例如，在研究系统的性能、控制方式以及被控变量时，可以将系统进行如下分类：从系统的性能角度考虑，将系统分为线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、定常系统、时变系统;在对系统进行控制研究时，可以将系统分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统;按照被控变量的数量，可以将系统分为单变量系统和多变量系统。系统化、模块化的讲课方式不仅可以缓解课时少、内容多的矛盾，提高课堂效率，也便于学生系统地理解和掌握相关课程内容。

2.1.2探索多样化教学形式

（1）将现代化的多媒体教学与传统的板书教学有效融合。板书作为传统教学手段有着很强的示范和引导作用，对于工科专业显得尤为重要。简洁优秀的板书能够呈现清晰的逻辑层次，突出教学的重点和难点，清晰简明的轮廓有助于学生加深对课堂知识的理解。现代化的多媒体教学通过动画、文字、图像、声音等多种方式创设出生动有趣的教学情境，可有效调动学生的学习兴趣，在丰富课堂信息量的同时，提高了学生的自主探究水平。因此，发挥多媒体教学和板书教学各自的优势，将两者有效结合起来并运用到课堂教学中，能够在很大程度上改善教学质量。

（2）教学中引入虚拟仿真软件Matlab/Simulink。该软件具有快捷的计算功能和强大的图形描述功能，利用该软件可以对连续系统、离散系统以及采样频率系统进行建模、仿真以及综合分析，也可以对混合的线性或者非线性系统进行综合分析。通过对该软件的学习，可以帮助学生理解抽象的系统理论，可以将理论计算和公式推导转化成形象生动的图形，从而提高学生的学习兴趣和学习效率。

（3）利用蓝墨云班课辅助教学平台开展课堂互动教学。蓝墨云班课是一种即时反馈型的教学互动软件，具有丰富的课程资源，以及教学反馈、在线提交作业、师生之间和学生之间的交流、随堂小测试等功能。通过该教学平台可以使课堂教学变得丰富多彩，大大提高老师和学生互动的即时性，获得最佳教学效果。

2.1.3案例教学与探究式教学相结合

在案例教学中，选取与课程内容相關的工程案例，设置案例任务，要求学生利用所学的知识独立完成案例任务，从而有效地将理论教学和实践教学融合起来。不仅加强了学生对理论知识的理解，同时增强了学生的实践能力和创新能力。在案例教学的基础上，将探究式教学融入课堂，教学过程中设置台阶式问题，引导学生对提出的问题进行积极探索。他们通过查阅文献、分析原因，最后给出问题的解决方案。在这个过程中，学生不仅能够养成良好的探究习惯，而且锻炼了他们独立思考和逻辑推理能力。更为重要的是，在用这种方法进行教学时，可以布置课外作业，将探究学习延伸到课外，拓宽学生的视野，使学生从不同角度和不同层面思考问题。

2.2  实验教学对策

2.2.1改进实验教学方式

实验课的教学策略应以学生为中心，让学生独立自主进行实验学习和操作，教师在实验课程中重点发挥主导作用。通过实验课程培养学生的自主学习能力和实际操作能力。具体可以分为以下两个阶段：

（1）教师在本次课结束时布置下一次实验课要学的内容。学生根据老师布置的任务自主预习，认真阅读实验步骤和实验方案，在已有理论知识的基础上，按照实验任务要求独立完成实验方案设计、实验平台搭建、实验数据采集及实验结果分析等。

（2）对班级学生进行分组，每组成员按照标好的序号依次将自己的设计方案在课堂上演示，其余同学仔细观察并对实验情况做好记录。每组成员针对本组实验过程中的问题进行讨论，最终判定本次实验的结果是否合理。通过该实验模式，不仅能增强学生自主学习的能力和实际操作能力，还能增强团队合作精神。

2.2.2调整实验课程考核结构

目前，很多学校实验课程的考核往往只强调实验结果，而忽视了实验的设计方案和操作过程。这样的模式往往会导致学生在课前不认真预习，对实验的内容和任务不清楚，在课堂上也不认真听讲和参与，最后交作业时参考其他同学，这样显然不能达到实验教学的目的。因此，迫切需要调整实验结构。具体来说，就是将实验结果、实验设计方案和实验操作过程按照一定的比例设置，最后以三部分的加权作为本次实验的成绩，如果缺少其中任何一项将视为不合格。有效的实验课程考核体系能够让每位同学真正参与到实验中来，在提高他们实际操作能力的同时，也促进了其对基础理论知识的理解与掌握。

3    结语

本文围绕“自动控制原理”课程的特点，针对内容多、课时少，学生学习兴趣不高，以及理论教学与工程实践脱节等问题，注重学生独立思考和逻辑推理能力的培养，提出了理论教学和实验教学有效融合的教学策略。尝试通过多样化的理论教学形式，改革实验教学方法，优化实验课考核机制等措施，以促进学生对理论知识的掌握和实践能力的提升。

参考文献：

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].5版.北京：科学出版社，2007.

[2] 段纳，王世进. 自动控制原理课程探究式教学方法研究[J].教育与职业，2017（22）：71-72.

[3] 郭季.“自动控制原理”课程的教学心得与改进[J].安阳师范学院学报，2016（5）：143-145.

[4] 巩银苗，鲁西坤，徐帅.自动控制原理实践教学改革探索[J].无线互联科技，2007（1）：81-82.

[5] 张红剑.自动控制原理教学中的常见问题及对策分析[J].科技展望，2016：201.

责任编辑    王继国