戴亞平,姚 遠(yuǎn),張 鑫,戴忠健

(北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制理論與控制工程研究所,北京100081)

0 引言

1998年開始,我校實(shí)施“自動(dòng)控制理論”課程雙語教學(xué),教材用《Modern Control Engineering》[1],后來采用《Modern Control Systems》[2]。我們經(jīng)歷了10年的雙語教學(xué)歷程后,針對(duì)教學(xué)情況與本科學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)了以下問題。

(1)自動(dòng)控制理論屬于理論與實(shí)際結(jié)合比較密切的課程,學(xué)生接受起來較困難。

(2)學(xué)生由于缺少實(shí)驗(yàn)條件而不能用實(shí)際裝置來驗(yàn)證理論學(xué)習(xí)內(nèi)容,導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。

(3)學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制算法的學(xué)習(xí),在缺乏實(shí)際應(yīng)用的背景下難以深度理解。

針對(duì)以上問題,我們?cè)诮虒W(xué)與實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了以下幾方面的改革。

(1)制作了詳細(xì)的英文教學(xué)課件,便于學(xué)生學(xué)習(xí)與課堂筆記。

(2)增加了基于互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)示范實(shí)驗(yàn)。通過登陸校園網(wǎng),在課堂上可給學(xué)生實(shí)時(shí)演示控制算法的具體應(yīng)用。

(3)加入了四個(gè)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn):①二階系統(tǒng)的PID整定;②狀態(tài)反饋器設(shè)計(jì);③頻率響應(yīng)法的分析與仿真;④魯棒控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)。

1 雙語教學(xué)中的關(guān)鍵問題

1.1 教學(xué)中存在的主要問題

(1)教材問題

目前我校采用了文獻(xiàn)[2]第十版作為教材,能夠更多地給學(xué)生啟示。但讓他們獨(dú)立閱讀一本有相當(dāng)難度的英文教科書,會(huì)有相當(dāng)?shù)碾y度。

在2007年,“自動(dòng)控制理論”授課結(jié)束后,我們就雙語教學(xué)進(jìn)行了一項(xiàng)簡單的調(diào)查,結(jié)果如下:“滿意”占34.1%;“一般”占49.4%;“不滿意”占16.5%。

學(xué)生提出的主要問題是:①英文教材內(nèi)容與課件不一致,要求自編一本英文教材;②英文教材內(nèi)容不太適合中國學(xué)生;③講課內(nèi)容能聽懂,但不會(huì)做題,希望多講習(xí)題。

由以上調(diào)查結(jié)果可見,學(xué)生對(duì)雙語教學(xué)的效果滿意程度不高,說明我們的雙語教學(xué)效果不理想,還有許多值得改進(jìn)的地方。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備問題

擴(kuò)招后本科學(xué)生人數(shù)增加了好幾倍,而實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量卻沒有增加,實(shí)驗(yàn)室設(shè)備沒有及時(shí)更新。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)室調(diào)查表明,對(duì)現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)“滿意”占27.5%;“一般”占56.5%;而不滿意占16%。

學(xué)生提出的主要問題是:①設(shè)備陳舊需要更新;②希望增加多人協(xié)作實(shí)驗(yàn);③實(shí)驗(yàn)可參與性較差;④對(duì)控制原理難以理解。

可見學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況滿意程度更低,反映出與雙語教學(xué)相配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的狀況令人擔(dān)憂。

1.2 為滿足教學(xué)要求進(jìn)行的改進(jìn)措施

(1)教學(xué)課件與教學(xué)模式

根據(jù)教學(xué)大綱的要求,我們制作了相關(guān)的英文教學(xué)課件,使教材中講述不夠詳細(xì)的地方在教學(xué)課件中得到充分的補(bǔ)充,并針對(duì)相關(guān)的關(guān)鍵理論與解題方法補(bǔ)充例證說明。

(2)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)與實(shí)驗(yàn)

我校于2005年獲得教育部資助,開始建設(shè)“基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制測量與決策研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”,使遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)一個(gè)多向互動(dòng)的知識(shí)傳授與學(xué)習(xí)新模式[3]。

2 自動(dòng)控制理論教學(xué)網(wǎng)站設(shè)計(jì)

教學(xué)網(wǎng)站的基本組成有如下四個(gè)模塊。

1)在線教學(xué)模塊

在線教學(xué)模塊包含有課堂的在線授課(視頻錄像)、教學(xué)大綱、教學(xué)進(jìn)度安排、作業(yè)、典型問題講解和拓展練習(xí)等內(nèi)容。這還可以給本校其他學(xué)生提供一個(gè)輔助教學(xué)工具。

2)輔助學(xué)習(xí)模塊

教學(xué)網(wǎng)站網(wǎng)頁界面為Matlab編程環(huán)境。以圖1所示的Bode圖學(xué)習(xí)為例:網(wǎng)站提供了豐富的典型例題,先讓學(xué)生手工繪制Bode圖,然后教師指導(dǎo)學(xué)生使用Matlab語言在網(wǎng)站上在線繪制Bode圖。兩張Bode圖比較后再通過改變轉(zhuǎn)折頻率,分析對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

圖1 Bode圖繪制網(wǎng)頁圖

3)控制策略功能模塊

此模塊是以Matlab為工具進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn),用于訓(xùn)練學(xué)生的控制器設(shè)計(jì)能力。平臺(tái)提供了一個(gè)可變參數(shù)的被控對(duì)象模型,以及一個(gè)可變參數(shù)的PID控制器和一個(gè)可變參數(shù)的狀態(tài)反饋控制器。學(xué)生可以通過調(diào)整PID參數(shù)和狀態(tài)反饋增益等方法來獲得最佳的控制效果。

4)管理與維護(hù)模塊

網(wǎng)站的管理采用多級(jí)權(quán)限管理的模式。普通用戶只能瀏覽網(wǎng)站,參與論壇的學(xué)術(shù)討論,觀看網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生除了普通用戶功能以外還可以在網(wǎng)站上進(jìn)行課件下載,提交作業(yè),使用Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等功能。助教可完成發(fā)布和更新公告信息、留言信息、管理員信息、作業(yè)信息、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)計(jì)劃信息以及答疑信息等任務(wù),并擁有對(duì)普通用戶和學(xué)生用戶的管理權(quán)限。教師還可以對(duì)學(xué)生提交的作業(yè)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告打分。

3 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如果在“自動(dòng)控制理論”的教學(xué)中,能夠一邊上課一邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,來說明自動(dòng)控制理論的具體應(yīng)用,對(duì)學(xué)生接受相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)無疑是一個(gè)很好的促進(jìn)。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行倒立擺實(shí)驗(yàn)為例,來說明該系統(tǒng)的功能。

學(xué)生登錄遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室之后,首先打開倒立擺遠(yuǎn)程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)頁,根據(jù)“自動(dòng)控制理論”課程中學(xué)到的控制方法使用Matlab設(shè)計(jì)控制器,然后將控制器和建好的數(shù)學(xué)模型連接起來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)仿真實(shí)驗(yàn)取得滿意的結(jié)果后,才允許學(xué)生進(jìn)行實(shí)物的控制實(shí)驗(yàn)。學(xué)生重新登錄網(wǎng)頁,在網(wǎng)頁中下載用于控制該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的Simulink模型文件,如圖2所示。然后將自己新設(shè)計(jì)的控制器替換這個(gè)Simulink模型文件中原有的控制器,再將修改后的Simulink模型文件上傳網(wǎng)站。

圖2 針對(duì)倒立擺的Simulink參考模型

服務(wù)器將自動(dòng)調(diào)用用戶上傳的Simulink模型文件來控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過程中,用戶可以在網(wǎng)頁視頻窗口中實(shí)時(shí)觀看實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后顯示實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)曲線,如圖3所示。

4 民意調(diào)查的結(jié)果與分析

在進(jìn)行多項(xiàng)改革后,我們于2008年再次對(duì)雙語教學(xué)進(jìn)行調(diào)查,其結(jié)果如下:“滿意”占59.7%;“一般”占40.3%;“不滿意”為0%。

圖3 倒立擺實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳送到用戶的介面

學(xué)生提出的主要問題有:①課件應(yīng)該準(zhǔn)備中英文兩份;②應(yīng)多布置一些例題;③希望講解得更細(xì)致一些。

對(duì)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的調(diào)查結(jié)果如下:“滿意”占84%;“一般”占16%;“不滿意”為0%。

學(xué)生提出的主要問題有:①希望提供更多設(shè)備;②應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的調(diào)查結(jié)果如下:“滿意”占72%;“一般”占16%;“不滿意人數(shù)”為0%。

學(xué)生提出的主要問題有:①網(wǎng)站應(yīng)公布習(xí)題答案,便于學(xué)習(xí);②希望增加圖形的顯示功能。

由調(diào)查可以看出,對(duì)于雙語教學(xué)的滿意程度已經(jīng)由2007年的34.1%,上升到了59.7%。對(duì)于雙語教學(xué)不滿意的人數(shù),已經(jīng)從16.5%下降到0%。

5 結(jié)語

為了促進(jìn)“自動(dòng)控制理論”的雙語和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué),我們采取了多種教學(xué)改革措施,并建立了一個(gè)教學(xué)網(wǎng)站。教師可以應(yīng)用此網(wǎng)站在多媒體教室聯(lián)網(wǎng)輔助授課,學(xué)生在課后也可以隨時(shí)查看網(wǎng)站的教學(xué)資源,進(jìn)行相關(guān)的控制實(shí)驗(yàn)。此網(wǎng)站為師生提供一個(gè)溝通互動(dòng)的環(huán)境,不僅延續(xù)了課堂教學(xué),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足,學(xué)生之間可以資源共享,達(dá)到了提高學(xué)習(xí)效率和改善教學(xué)效果的目標(biāo)。

[1] Katsihiko Ogata,“M odern Control Engineering”[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006,第4版

[2] R.C.Dorf,R.H.Bishop“Modern Control systems”[M].北京:高等教育出版社,2006,第十版

[3] 戴亞平,田德振,董芳艷.混合結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)資源共享和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室[J].北京:儀器儀表學(xué)報(bào)[J].2008(2):250-255