◆艾偉清 徐偉 鐘黎萍

1 引言

自動(dòng)控制原理是高等學(xué)校自動(dòng)化類專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)理論課，是專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中基本概念、原理和方法的一門課程，具備知識(shí)覆蓋面廣、理論性和抽象性強(qiáng)、內(nèi)容具有一定深度和復(fù)雜性的特點(diǎn)，且對(duì)后續(xù)專業(yè)類課程影響較大[1]。然而經(jīng)長(zhǎng)期教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理課程的學(xué)習(xí)興趣不高且學(xué)習(xí)效果不佳[2]。究其原因，一方面是自動(dòng)控制原理課程本身的特點(diǎn)增加了學(xué)習(xí)的難度，常常被學(xué)生戲稱為“數(shù)學(xué)課”；另一方面是傳統(tǒng)的以書本知識(shí)體系為知識(shí)結(jié)構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)不容易與現(xiàn)實(shí)工程控制問(wèn)題聯(lián)系，讓學(xué)生無(wú)法解決“為什么學(xué)，學(xué)什么，學(xué)了有什么用”這三個(gè)本質(zhì)問(wèn)題[3]。因此，對(duì)課程進(jìn)行大刀闊斧的改革具備必要性。

專業(yè)的發(fā)展也要求自動(dòng)控制原理課程進(jìn)行改革?！靶鹿た啤睂?duì)教學(xué)改革的要求可概括為：讓“考生”變學(xué)生，讓教師成“導(dǎo)師”，讓教材成為參考書[4]。這一要求規(guī)定了課程改革中要充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，同時(shí)增強(qiáng)教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從工程案例中學(xué)習(xí)知識(shí)，再反饋回案例中解決工程問(wèn)題，最終培養(yǎng)出具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。另外，課程的專業(yè)定位要求自動(dòng)控制原理要起到連接基礎(chǔ)必修課和專業(yè)選修課的橋梁作用，也要求引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，對(duì)課程進(jìn)行改革勢(shì)在必行。

基于課程改革的必要性和緊迫性，本文從四個(gè)方面對(duì)課程進(jìn)行改革：基于知識(shí)鏈重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)“理虛實(shí)”的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)，解決知識(shí)點(diǎn)松散以及怎么用知識(shí)的問(wèn)題；通過(guò)案例引導(dǎo)+模塊化+“理虛實(shí)”混合教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，解決教師怎么教、學(xué)生怎么學(xué)、學(xué)完怎么做的問(wèn)題；通過(guò)階段考核報(bào)告，實(shí)現(xiàn)分階段考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，解決基于知識(shí)鏈的工作過(guò)程系統(tǒng)化訓(xùn)練的問(wèn)題；通過(guò)校內(nèi)與企業(yè)的評(píng)價(jià)反饋優(yōu)化課程改革方案，解決怎么不斷教得好的問(wèn)題。

2 課程內(nèi)容改革

圖1 教材的知識(shí)體系

知識(shí)鏈重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)教學(xué)依據(jù)教材的知識(shí)體系來(lái)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，如圖1 所示。這種教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)有兩個(gè)缺點(diǎn)：知識(shí)點(diǎn)松散導(dǎo)致的知識(shí)點(diǎn)間的層次性和遞進(jìn)性不清晰，如穩(wěn)定性這一知識(shí)點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)在時(shí)域、頻域分析及采樣控制系統(tǒng)分析中；知識(shí)的抽象概念過(guò)多，來(lái)源與用途和實(shí)際工程案例沒(méi)有建立直接聯(lián)系，缺乏直觀性。上述缺點(diǎn)是引起學(xué)生認(rèn)為自動(dòng)控制原理是“數(shù)學(xué)課”的最直接原因，也是導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法理解“為什么學(xué)，學(xué)什么，學(xué)了有什么用”的主要原因。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出基于知識(shí)鏈來(lái)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容。在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，常常采用的解決思路可以概括為：建模+分析+控制。以此為出發(fā)點(diǎn)，分別將松散的知識(shí)點(diǎn)歸類為建模知識(shí)模塊、性能分析知識(shí)模塊和控制知識(shí)模塊，各模塊間層層遞進(jìn)、互相聯(lián)系，組成知識(shí)鏈。表1 是根據(jù)知識(shí)鏈重構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容。以分析模塊為例，又細(xì)分為穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)性能三條子知識(shí)鏈，每條子知識(shí)鏈又從連續(xù)系統(tǒng)時(shí)域、頻域和采樣系統(tǒng)時(shí)域三個(gè)方面進(jìn)行穩(wěn)定性分析的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)的好處可以保證知識(shí)點(diǎn)環(huán)環(huán)相扣，符合實(shí)際解決控制問(wèn)題的思路。

“理虛實(shí)”課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了凸顯自動(dòng)控制原理是一門工程專業(yè)技術(shù)課，而不是學(xué)生認(rèn)為的“數(shù)學(xué)課”，采用以“理虛實(shí)”為特色的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)改革，如圖2 所示?！袄怼敝傅氖腔谥R(shí)鏈的基本概念和基本理論的課程內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)?！疤摗敝傅氖翘摂M仿真，即基于知識(shí)鏈開(kāi)展MATLAB 和Simulink 仿真軟件的虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)利用仿真軟件輔助分析設(shè)計(jì)的能力。“實(shí)”指的是基于知識(shí)鏈組織實(shí)際控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際控制問(wèn)題的能力?！袄硖搶?shí)”的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生了解課本中知識(shí)的源頭、組成和用途，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表1 基于知識(shí)鏈的教學(xué)內(nèi)容

圖2 “理虛實(shí)”課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)

3 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)與考核設(shè)計(jì)

案例引導(dǎo)+模塊化+“理虛實(shí)”混合教學(xué)在教學(xué)開(kāi)展環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度的特點(diǎn)采取不同的教學(xué)方式。在建模教學(xué)階段，主要采用案例引導(dǎo)教學(xué)，通過(guò)電路、電機(jī)拖動(dòng)、力學(xué)系統(tǒng)等實(shí)際案例中控制問(wèn)題的分析來(lái)引出解決問(wèn)題所需的知識(shí)鏈以及為什么學(xué)這個(gè)知識(shí)鏈的問(wèn)題。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于與前期的先修課程聯(lián)系緊密，建模的所需理論有實(shí)際的對(duì)象，避免了單純教授建模理論時(shí)過(guò)分抽象的缺點(diǎn)。從性能分析教學(xué)階段開(kāi)始，采用模塊化教學(xué)法。根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)鏈的掌握程度，以強(qiáng)弱聯(lián)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)為原則，形成模塊化的學(xué)習(xí)小組，解決學(xué)生間學(xué)習(xí)差異的問(wèn)題。模塊化學(xué)習(xí)小組組合方式如圖3 所示?？刂平虒W(xué)階段在前面的教學(xué)方法基礎(chǔ)上再引入“理虛實(shí)”教學(xué)。結(jié)合課程內(nèi)容的“理虛實(shí)”結(jié)構(gòu)，抽象的理論知識(shí)通過(guò)MATLAB 仿真得到驗(yàn)證，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)，解決了知識(shí)抽象難理解的問(wèn)題，增強(qiáng)了學(xué)生使用知識(shí)成功解決問(wèn)題的成就感。

圖3 模塊化學(xué)習(xí)小組組合說(shuō)明

基于知識(shí)鏈的階段考核方式設(shè)計(jì)階段性考核報(bào)告是根據(jù)知識(shí)鏈的教學(xué)內(nèi)容而設(shè)計(jì)的。教學(xué)內(nèi)容中知識(shí)鏈的各個(gè)模塊環(huán)環(huán)相扣，因此采用工作過(guò)程系統(tǒng)化的教學(xué)思想設(shè)計(jì)階段考核報(bào)告的考查點(diǎn)，如圖4 所示。設(shè)計(jì)的特點(diǎn)表現(xiàn)為：每一個(gè)知識(shí)鏈模塊對(duì)應(yīng)一份階段報(bào)告，階段報(bào)告內(nèi)容層層遞進(jìn)，具有知識(shí)系統(tǒng)化的好處，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的反復(fù)練習(xí)；只給出報(bào)告的基本要求，控制對(duì)象的選擇、建模、性能指標(biāo)分析等內(nèi)容都由學(xué)生自己設(shè)計(jì)完成，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性；以模塊化學(xué)習(xí)小組為單位，互相協(xié)作，根據(jù)分工完成報(bào)告，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。階段考核的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生利用“建模+分析+控制”的思想去解決實(shí)際系統(tǒng)控制問(wèn)題的能力。

4 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

從校內(nèi)與企業(yè)兩個(gè)方面設(shè)計(jì)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)，如圖5所示。以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)心得反饋環(huán)節(jié)，通過(guò)每月的學(xué)習(xí)心得及時(shí)掌握教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。以學(xué)校為中心，設(shè)計(jì)評(píng)教環(huán)節(jié)和課程達(dá)成度評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，評(píng)估教學(xué)效果是否能夠達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證所要求的學(xué)習(xí)成果。以企業(yè)為中心，設(shè)計(jì)企業(yè)技術(shù)反饋環(huán)節(jié)。通過(guò)走訪在企業(yè)的畢業(yè)生，了解自動(dòng)控制原理課程在實(shí)際工程應(yīng)用中需要加強(qiáng)和深入教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到真正學(xué)有所用。通過(guò)上述三個(gè)環(huán)節(jié)得到的反饋信息，設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)改革反饋環(huán)，達(dá)成教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化目的。

圖4 階段考核報(bào)告

圖5 校內(nèi)外評(píng)價(jià)機(jī)制

表2 是2014 級(jí)和2015 級(jí)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生對(duì)于自動(dòng)控制原理課程改革前后的教學(xué)反饋情況統(tǒng)計(jì)表。從表中數(shù)據(jù)可以看出，教學(xué)改革前，自動(dòng)化14 級(jí)的兩個(gè)班40%左右的學(xué)生對(duì)于自動(dòng)控制原理的教學(xué)評(píng)價(jià)都很差，認(rèn)為教學(xué)良好和優(yōu)秀的學(xué)生僅占學(xué)生總數(shù)的30%左右；教學(xué)改革后，對(duì)教學(xué)效果評(píng)價(jià)差的學(xué)生人數(shù)下降到總?cè)藬?shù)的20%以下，認(rèn)為良好和優(yōu)秀的學(xué)生提高到70%左右。

表2 學(xué)生評(píng)價(jià)反饋情況統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了基于知識(shí)鏈的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革，分別從課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)過(guò)程與考核過(guò)程重設(shè)計(jì)以及校內(nèi)外評(píng)價(jià)機(jī)制等四個(gè)方面進(jìn)行了介紹。經(jīng)過(guò)改革后，學(xué)生對(duì)于自動(dòng)控制原理課程的學(xué)習(xí)興趣得到顯著提高，也為學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證工作做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)?！?/p>