鄢圣茂，宋立忠，王 潔

(海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北武漢430033)

“自動控制原理”是工科院校自動化類各專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。該課程采用繁多的數(shù)學工具，其系統(tǒng)分析設計方法復雜，該特點決定了本課程比較抽象和難學［1]。我們針對“自動控制原理”課程教學采用了問題鏈式教學法，通過一環(huán)扣一環(huán)的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，充分調動學生的積極性和主動性，使學生的學習更具有挑戰(zhàn)性和趣味性。

1 問題鏈式教學法的基本內涵

問題鏈式教學法按照知識點的內在聯(lián)系和教學功能的不同層次，將教學內容梳理、提煉和升華，設計為呈鏈狀結構的環(huán)環(huán)緊扣的問題集合，以激發(fā)引導學生探索性地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

問題鏈式教學法是以教師為主導，以學生為主體的教學方式。它包含兩層意思:首先體現(xiàn)在“問題”兩個字上，問題的處理是問題鏈式教學的基本要求;其次是體現(xiàn)在“鏈”字上，鏈字主要表現(xiàn)在知識的層次上，在實際的教學過程中知識鏈的處理是問題鏈式教學的核心問題。

2 問題鏈式教學法的基本要求

2.1 問題鏈式教學法的基礎

問題鏈式教學法的基礎是問題式教學法，問題教學法的實施必須做好下面三個方面的工作。

1)教師在課前依據(jù)教學內容提出問題，所提問題按難易程度分為難、較難、一般、較易和容易等五種，按教學內容可分為基本、重點、難點和研究等類型。

2)學生應該在課堂上積極主動地思考、分析教學內容，動口、動手和動腦，敢于大膽發(fā)表自己的見解。

3)應該建立融洽的師生關系，創(chuàng)造融洽的討論氣氛。教師必須有一定的應變能力，對課堂教學過程中可能遇到的各種特殊情況要有合適的應對措施和處理辦法。

2.2 問題鏈式教學法的核心

問題鏈式教學法的“鏈”字的含義就在于知識的按序連接的連續(xù)性和整體性，問題鏈式教學法強調的是知識點的聯(lián)系。像“自動控制原理”這樣的課程，所有的知識點不可能是只用一根知識鏈就可以串起來的，鏈式教學法還要體現(xiàn)問題鏈群的整體性。如何完成課程的問題鏈，要做好以下三個方面的工作。

1)教師應當提出要進一步研究和討論的問題，讓學生展開討論、分析和對比，得出正確的結論后再由教師小結。

2)在學生理解各單個知識點之后，教師提出進一步討論的問題，啟發(fā)學生得出各單個知識點之間的聯(lián)系，得到單個問題鏈。

3)在學生掌握了單個問題鏈之后，進一步獲得各單個問題鏈的聯(lián)系與區(qū)別，得到問題鏈。

這三方面是密切聯(lián)系、互相依賴又逐漸提高的，這些工作可歸納為六個字:“學習，掌握，創(chuàng)新”。即:通過思考、分析和討論來學習新知識;通過討論來理解、掌握好新知識;通過大膽的設想，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。

3 問題鏈式教學法的具體運用

3.1 基本問題鏈教學

在“自動控制原理”的教學中首先要抓好基本知識點教學，抓住控制系統(tǒng)的基本要求:穩(wěn)定性、準確性和快速性，充分運用高等數(shù)學的有關工具對控制系統(tǒng)進行不同形式的表述［2]。

“自動控制原理”的基本知識鏈如圖1所示，圖中描述了“自動控制原理”的基本教學框架。圖中每個知識點都可以提出很多不同性質的問題，這些問題自然的就構成一條鏈。例如圖2示出自動控制系統(tǒng)的基本問題鏈，圖3是控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基本問題鏈［3]。

在“自動控制原理”教學中，緊緊圍繞設計這根主線，這樣我們就可很好地將“自動控制原理”的各個知識點串在一起。在講述根軌跡法、頻率響應法和狀態(tài)空間法時，以設計為主線，把分析和設計有機結合起來。例如，在根軌跡一章中，突出由根軌跡選擇系統(tǒng)增益，以及如何設計系統(tǒng)來使一對共軛復數(shù)極點滿足系統(tǒng)的瞬態(tài)響應指標的內容;在頻率響應一章中，突出用伯德圖方法設計系統(tǒng)來滿足穩(wěn)定裕度和穩(wěn)態(tài)誤差指標的內容。離散控制一章重點講解數(shù)字控制系統(tǒng)的連續(xù)設計法和離散設計法。通過比較，各種設計方法的優(yōu)點、局限性和適用范圍更加明確。

3.2 問題鏈群的教學

我們?yōu)榱藥椭鷮W生理解“自動控制原理”課程的工程背景，授課時采用以Matlab為主要軟件的控制系統(tǒng)CAD教學。此外還必須涉及一些控制系統(tǒng)的綜合硬件實驗，實驗時必須分組協(xié)作進行［4]。

在具體的教學工作中，我們曾以直線一級倒立擺系統(tǒng)的控制器設計為例進行了詳細地講解。圍繞控制器設計，我們提出如下七個問題:①直線一級倒立擺的數(shù)學建模;②執(zhí)行機構的運行特征;③傳感器的特點與數(shù)學模型;④控制器的數(shù)學模型;⑤控制器的工程實現(xiàn)所需面對的問題;⑥控制系統(tǒng)數(shù)字仿真;⑦控制系統(tǒng)工程實現(xiàn)。

每個問題又由若干小的問題展開。例如:直線一級倒立擺的數(shù)學建模這個問題與以下三個問題有關:①直線一級倒立擺系統(tǒng)的控制精度要求;②直線一級倒立擺系統(tǒng)力學分析;③直線一級倒立擺系統(tǒng)運行過程分析。

這些問題緊緊圍繞控制器的設計與實現(xiàn)這根主線展開，在控制器的設計過程中要充分考慮系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，在控制器的實現(xiàn)過程中要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。各方面的問題呈鏈狀結構一步一步深入下去，同時這些問題鏈組成了一個問題鏈群—一般控制器設計，如圖4所示。

圖4 控制器的設計與實現(xiàn)

4.結語

問題鏈式教學法是按內容的內在聯(lián)系，應用循序漸進的、系統(tǒng)的思路及講解方法，充分調動教師的主動性及學生的積極性，進而完成課程教學任務的一種方法。其特點是:

(1)通過教學內容的內在邏輯實現(xiàn)課程各部分之間的緊密銜接，體現(xiàn)出知識的結構特點以及系統(tǒng)性和條理性;通過各部分內容的研究方法的講解體現(xiàn)課程的專業(yè)性。

(2)課前發(fā)揮教師的積極性，課堂上調動學生的動手和思維積極性。

(3)比較有效地引起學生的學習興趣，使學生從整體上把握知識要點。

(4)能比較好地處理好理論知識與實踐工程之間的關系，并能較好地發(fā)揮高等數(shù)學的工具作用。

［1] 孟令雅自動控制原理教學漫談［J] .南京:電子電氣教學學報，2006，(2)

［2] 田玉平探索“自動控制原理”課程教學體系改革之路［J] .南京:電氣電子教學學報2008(6)

［3] Richard C.Dorf H.Bishop Modern Control Syetems(Ninth Edition)著［M] .北京:科學出版社

［4] 鄒恩，漆海霞，楊秀麗等“自動控制原理”課程教學的方法研究［J] .北京:中國電力教育2009(10)