微课视角下自动控制原理课程教学设计

邢 倩，张优贤

（河南工学院，河南 新乡 453003）

微课视角下自动控制原理课程教学设计

邢 倩，张优贤

（河南工学院，河南 新乡 453003）

自动控制原理课程具有较强的理论性和实践性，不仅要求学生具有扎实的专业基础知识，还要具有较强的抽象逻辑思维能力。文章结合自动控制原理教学内容的特点和其与前后课程的关系，将微课引入到教学设计和教学活动中，并结合具体的例子，说明微课对教学活动产生的影响。

自动控制原理；抽象逻辑；微课；教学活动

0 引言

自动控制原理课程具有较强的理论性和实践性，不仅可以培养学生的逻辑思维能力和抽象思维能力，还能够培养学生处理实际工程问题的能力。但其涉及较多的数学知识和抽象概念，不仅要求学生具有扎实的数学和电学专业基础知识，还要具有较强的抽象逻辑思维能力[1]。因此在整个教学活动中，教师费力地去讲述数学公式，学生只是机械地记住了若干公式定理，当面对具体问题时，学生又不知如何运用相应的知识去解决实际问题[2]。本文结合自动控制原理教学内容的特点和其与前后课程的关系，将微课引入到教学活动中，结合具体的例子，说明微课在教学活动中的实施过程以及微课对教学活动产生的影响。

1 自动控制原理教学内容特点

1.1 复杂多样的教学内容

对于不同层次的专业方向和人才培养需求，需要有不同层次的课程体系。因此应根据不同的要求，优化教学内容，优选适用教材，提高教学质量[3]。自动化和电气工程及其自动化工程专业对于控制理论要求较高，需要学生扎实而细致地学完自动控制原理的全部内容。自动控制原理最终要服务于工程，应用于工程，所以在教学理念上，应从工程的角度来梳理教学内容。

结合自动化控制类专业的教学大纲要求，可将教学内容分为三大块：

（1）系统数学模型部分：包括数学模型的概念及建立等；

（2）系统分析方法部分：包括从“三域”的角度进行数学模型的分析，即时域、频域、复数域，并结合系统的性能指标来具体分析；

（3）系统设计部分：包括系统的结构设计、控制器设计以及各个环节的校正等。

1.2 多层次的课程体系

自动控制原理是控制类专业的核心课程，涉及的先导基础课程和后续专业课程较多，而这些课程又是学习自动控制原理的基础和延伸。因此，理清各个课程之间的联系及相互作用关系，在整个教学设计中是非常重要的。同时，在教学活动中，需要学生掌握认知主线，理清先导基础课、后续专业课与自动控制原理的关联，将“专业课程体系理念”融入自动控制原理课程中。

课程内容的优化和课程体系的搭建是课程教学的关键。结合自动化控制类专业的教学要求，自动控制原理的教学内容与前导基础课程、后续专业核心课程的关系如图1所示。

由自动控制原理的教学内容可知，在整个教学过程中，需要大量的数学计算和图形分析，传统的教学方法是由教师在黑板上写出计算过程和画出整个曲线，计算和绘图过程相当麻烦[4]；随后实施的幻灯片教学，虽然减去了在黑板上绘图的过程，但大量的图片和不同参数下的根轨迹曲线，导致部分理解能力较差的学生仍一头雾水。

图1 自动控制原理的教学内容与前导基础课程和后续专业核心课程的关系

2 将微课引入教学过程

2.1 微课的概念及其特点

微课程，简称微课，是指有明确的教学目标，时间在10分钟以内、内容简短、集中说明一个问题的小课程。其特点为内容精、时间短、类型多、形式多[5]。它围绕着某一个知识点或重难点展开，同时还提供形式多样的教学课件和教学类型，不仅可以克服学生不能长时间集中精力的问题，还便于学生对知识的理解。微课不仅可以应用于课堂教学，还可以用于课外自学和实验教学，引导学生，激发学生的学习兴趣。

自动控制原理有较强的理论性和抽象性，传统的板书教学和PPT教学已不能满足现代化的教学要求，针对其特点，结合学生的具体情况，将微课引入现代课堂中，并与传统教学相结合，充分发挥两种教学模式的优势，既有助于学生短时间内建立完整的知识结构和体系，又可以节省课堂时间，增强学生学习兴趣，有利于提高学生的创新能力和实践能力。本文以“PID控制器参数对控制过程的影响”为案例，分析说明微课在教学过程中的应用。

2.2 教学过程的实施

2.2.1 教学活动前“预习”环节

教学活动前，通过分析本案例的教学目标，把适合制作微课的相关资料收集起来；结合本节课的知识点，选择合适的微课类型，制作实用、信息量合理、容易操作的微课教学课件，设计出高质量的微课，构建完整精炼的教学过程。教师课前将制作好的微课和相关的视频上传至网络平台，学生可先通过网络平台预习本节课的基础知识。同时，教师通过该平台与学生进行在线交流，发现学生在学习该案例中存在的相关问题，有针对性地在课堂上进行解答和强化，节省课堂理论学习时间。

2.2.2 教学活动中的“知识讲解、理论与实践结合”环节

（1）引入PID控制器的基本概念。

PID控制器（Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。其控制规律是对系统的偏差信号e(t)进行比例、积分、微分运算后，通过线性组合形成控制量u(t)。

PID控制器的传递函数:

常用PID控制器原理图以及结构示意图如图2所示。

本部分知识应采用传统的板书教学，加强学生对基础知识的理解和掌握。

（2）帮助学生回忆各个环节的特点。

在传统的教学活动中，教师仅靠语言提醒或者板书让学生回忆比例、积分、微分环节的特点，不仅起不到知识点回顾的作用，还会使跟不上思路的同学更加迷茫。在本案例教学活动中，加入运用matlab/simulink建模方法求解比例环节特点的过程，以微课视频的形式呈现，不仅可以帮助学生再次回忆matlab/simulink建模的方法，还加强了学生对比例环节特点的认知。

图2 PID控制系统原理图及结构示意图

（3）引入例子，理论仿真。

系统采用PID控制，参数分别为kp=2.0，T=10，tou=0.7，探究不同参数下PID控制器对系统过程的影响。

传统的教学活动中，教师只能用PPT呈现响应曲线，学生只能看到结果，看不到中间的过程。在微课教学中，引入matlab/simulink数字仿真微课视频，学生只需在matlab/simulink的命令窗口输入相对应的命令，回车后，可自动画出如图3所示的各种控制规律的响应曲线，非常简单方便。这使整个教学过程更加直观，提高了学生的学习热情。本小节以微课视频形式在线呈现控制规律响应曲线的整个过程，不仅所用时间短，还便于学生课下复习。

图3 各种控制规律的响应过程

（4）工程实例，模拟工厂实况。

传统的教学活动中，教师只能依靠口头讲解，帮助学生去理解想象工程实例场景，无法给学生展现工程实际场景，达不到理论与实践相结合的目的。运用微课，可以通过微视频再现工厂实况，并结合实验室实验装置进一步学习。这不仅可以让学生更好地理解实际工作状况，还为后续的实践课做了准备。图4为微课视频的部分画面。

图4 微课视频的部分画面

（5）课堂总结重点、难点。

在每节课的最后，教师可以通过微课来进行总结，把每一章的重点内容做成微课，这克服了用传统的课堂板书形式总结导致的学生课后容易忘记或遗漏、不容易把握每节课的重点内容这一问题，且新颖的教学总结方式，会吸引学生主动去学习。

2.2.3 教学活动后“复习点评、自主探索”环节

在教学活动结束后，教师可以通过微课第一时间将课程中重要知识点的总结、课件、微视频以及课堂中学生的状况，及时上传到师生共享的互动网络平台上。学生可以通过网络资源复习巩固课堂中的重难点，并通过该互动平台，对教师的教学内容和框架构建进行评价，促进教师进行教学改革，也直接有利于微课的可持续发展。

2.3 教学过程的整体展现

课堂教学不是一个独立的环节，我们一般将完整的教学过程分为课前分析及教学设计准备阶段、课堂教学实施和呈现阶段、课后点评自主探索阶段。微课作为一个半结构化的交互教学应用环境，如果与传统的课堂教学结合起来，则会呈现一个具有活力和创造力的课堂。传统的教学方法讲授基本理论、强调重点和难点，以加强学生对基础知识的掌握，然后结合具体的案例，放映相关的微课视频，演示案例和程序的执行过程和运行效果，通过转换教学方式，吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣。将微课带入传统的教学过程中，结合本文案例分析，呈现整个教学过程如图5所示。

图5 微课和传统教学的结合过程展现

3 教学效果

经过一个学年的教学实施，微课在自动控制原理课程的教学中初见成效。通过把微课教学和传统教学结合起来，激发了学生的学习兴趣，提高了课堂的教学质量和教学效果。

将微课引入到教学活动中，学生的学习从被动接受向主动学习转变。短小经典的知识片段，多方面的呈现方式，吸引着学生主动进行知识的探索，并在其中获得乐趣。同时学生不再只是记忆枯燥的数学公式和各种定理，而是通过在线工程视频，将课堂知识与实际工程经验、实际工作场景相结合，提高了学生的工程实践能力。将微课引入到教学活动中，学生可以随时根据情况利用手机、电脑进行学习，充分利用了短暂的学习时间，不仅克服了课下没有时间、没有学习资料等问题，更有助于知识的掌握和理解。

同时，通过微课建设，促进了教师专业化发展的氛围建设和教师能力的全面发展。在微课设计中，要尽量选择热门的知识点，教学的重点、难点选择要细致，准确无误，并且所选择的知识点可以分割成很多个小的知识点，在短时间内可以讲解透彻。这就要求教师的专业知识过硬且知识更新较快。同时，教师要围绕选定的知识点和技能点广泛收集视频资源等素材，要写好教案、设计好脚本、制作高质量的PPT和其他材料，这样就促进了教师能力的全面提高。

4 结语

自动控制原理课程具有较强的理论性和实践性，本文针对学生无法理解教材中繁琐的数学公式、不知如何运用相应的知识去解决实际问题等现象，结合课程的特点，将微课与传统教学相结合，通过具体的案例，从教学活动前、教学活动中、教学活动后三个方面进行说明，充分发挥了两种教学模式的优势，既有助于学生短时间内建立完整的知识结构和体系，又可以节省课堂时间， 增强学生的学习兴趣，提高学生的创新能力和实践能力。教师在制作微课、准备教学活动的同时，也促进了教师专业意识的重塑，提高了解决实际问题的能力，强化了教学与科研能力的整合。

（责任编辑 吕春红）

[1] 李振龙,乔俊飞等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探索[J].教学研究,2009,32(2):66.

[2] 宫二玲,孙志强,沈辉.“自动控制原理”课程中的多元化案例教学[J].电气电子教学学报,2015,37(2):58.

[3] 徐颖秦,潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(2):155.

[4] 贾云飞.自控原理综合教育平台[J]. 教育教学论坛,2016,4(14):81.

[5] 李智.微课在《电子测量与仪器》课程教学中的应用研究[J].教育教学论坛,2015,12(50):158.

Under the Perspective of Micro-lecture in the "Automatic Control Principle" Teaching Design

XING Qian，et al
(Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

"Automatic control principle" has strong theory and practice, not only requires the student to have the solid specialized knowledge, but also has stronger abstract logical thinking ability. In this paper, combining with the characteristics of "automatic control principle" teaching content and the relationship with the before and after the course, will be introduced to the micro-lecture teaching design and teaching activities, and combined with concrete examples, shows that micro-lecture teaching to the effect of teaching activities.

automatic control principle; abstract logical; micro-lecture

G642

A

1008–2093(2016)06–0077–05

2016-09-30

邢倩（1989―），女，河南驻马店人，助教，硕士，主要从事控制理论和控制工程的教学研究。