摘" 要" 針對(duì)新能源自動(dòng)控制理論課程現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，以強(qiáng)化基礎(chǔ)理論、提高教學(xué)效率、注重能力培養(yǎng)為目的，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行深入研究，探索課程的新教學(xué)模式并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞" 自動(dòng)控制理論；新能源科學(xué)與工程；微視頻

中圖分類號(hào)：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）10-0094-04

0" 引言

在科學(xué)和工程發(fā)展中，自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)揮著極其重要的作用。自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的一門必修課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握用系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析問題和解決問題的方法，了解用物理方法對(duì)工業(yè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象的一般規(guī)律，理解描述對(duì)象特性的基本概念，掌握不同類型對(duì)象特性的分析方法，具備初步的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力，從而使學(xué)生思考問題和解決問題的能力得到系統(tǒng)培養(yǎng)，為學(xué)生從事相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)工作及研究工作奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)自動(dòng)控制理論課程，自動(dòng)化專業(yè)的教師已經(jīng)開展大量教學(xué)研究及實(shí)踐工作[1-2]。然而，對(duì)于開設(shè)該課程的新能源科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生來說，由于缺乏自動(dòng)化相關(guān)的專業(yè)知識(shí)背景，加上課時(shí)安排有限，并不適合采用和自動(dòng)化專業(yè)相同的教學(xué)模式。因此，在新能源科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)過程中，教師需要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和要求，因材施教，探索新型教學(xué)模式。

1" 課程現(xiàn)狀分析[3]

1）自動(dòng)控制理論課程理論性較強(qiáng)，涉及的知識(shí)

面較廣，在學(xué)習(xí)該課程之前，學(xué)生需要具備數(shù)學(xué)、電路、信號(hào)和系統(tǒng)等知識(shí)基礎(chǔ)。然而，對(duì)于新能源科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生來說，除了先修過高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)外，在積分變換、復(fù)變函數(shù)、電路、信號(hào)和系統(tǒng)等知識(shí)方面，往往很缺乏甚至沒有學(xué)習(xí)過，這些因素在客觀上造成學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，較難理解和掌握該課程內(nèi)容。因此，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生提不起興趣，積極性較差。

2）自動(dòng)控制理論知識(shí)點(diǎn)眾多，難度較大，學(xué)生需要有充足的學(xué)時(shí)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)。然而，對(duì)于新能源科學(xué)與工程專業(yè)，該課程僅有32個(gè)學(xué)時(shí)，又沒有輔助的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，這就意味著教師需要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成自動(dòng)控制理論的授課任務(wù)。要想收到理想的教學(xué)效果，就必須根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。如何做到突出重點(diǎn)，該精簡哪些內(nèi)容又不影響自動(dòng)控制理論知識(shí)體系的完整性和系統(tǒng)性，是教師面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。此外，如何改進(jìn)教學(xué)方法，借助網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的技術(shù)手段提高教學(xué)效率，也是筆者不斷思考和實(shí)踐的一個(gè)問題。

3）傳統(tǒng)的自動(dòng)控制理論課程主要面向自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)，課程中的實(shí)例分析也主要出自這些領(lǐng)域。然而，在新能源科學(xué)與工程專業(yè)講授該課程時(shí)，如果仍然采用這些實(shí)例進(jìn)行分析，會(huì)造成教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)背景脫節(jié)，學(xué)生難以理解。因此，如何有機(jī)結(jié)合專業(yè)背景實(shí)例加深學(xué)生的認(rèn)知，是教師面臨的另一個(gè)問題。

2" 教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充和優(yōu)化

2.1" 基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充

如上所述，新能源科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生缺乏自動(dòng)控制理論課程所需的數(shù)學(xué)、電路、信號(hào)及系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識(shí)，因此，為了保證該課程的順利和有效開展，授課教師必須在教學(xué)過程中補(bǔ)充相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。采用何種方式補(bǔ)充，才能做到既不占用太多授課學(xué)時(shí)，又能有效解決學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱所帶來的問題呢？經(jīng)過研究，針對(duì)不同的基礎(chǔ)知識(shí)，采用兩種補(bǔ)充方式：一是在授課前學(xué)生自學(xué)；二是在講解控制理論知識(shí)點(diǎn)時(shí)，將相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)地融合進(jìn)去。

如在教學(xué)傳遞函數(shù)這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，要用到拉普拉斯變換，對(duì)于這部分內(nèi)容，采用學(xué)生自學(xué)的方式。教師提前給學(xué)生相關(guān)資料，安排學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)，之后通過思考題考查學(xué)生掌握情況。實(shí)踐證明：學(xué)生完全有能力通過自學(xué)的方式補(bǔ)充這部分基礎(chǔ)知識(shí)，而且，由于掌握了拉氏變換，學(xué)生在學(xué)習(xí)傳遞函數(shù)時(shí)，學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量都有明顯提高。

對(duì)于頻域分析法這部分內(nèi)容，學(xué)生缺乏復(fù)變函數(shù)知識(shí)，由于這一基礎(chǔ)知識(shí)自學(xué)難度較大，因此采用一邊講解控制理論知識(shí)一邊將復(fù)變函數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)融合進(jìn)去的方法。通過這種方式，學(xué)生充分體會(huì)到復(fù)變函數(shù)知識(shí)的引入對(duì)于解決頻域分析問題的必要性和作用，在聽課過程中積極思考，能夠更加專注地學(xué)習(xí)補(bǔ)充的知識(shí)，因而也能更有效地吸收和掌握相關(guān)的控制理論知識(shí)。

經(jīng)過這種實(shí)踐探討，筆者反思：在教學(xué)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)教學(xué)效果不佳，授課教師要主動(dòng)和學(xué)生進(jìn)行交流，并且積極地思考其中的原因，只有找到問題的癥結(jié)所在，并采用有效的改進(jìn)方式，才能提高學(xué)生的興趣，改善教學(xué)效果。

2.2" 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

針對(duì)自動(dòng)控制理論課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的矛盾，結(jié)合新能源科學(xué)與工程專業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，重點(diǎn)安排自動(dòng)控制理論的概念、原理、方法以及實(shí)用性強(qiáng)的內(nèi)容。調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容主要包括：“第一章：緒論”，介紹自動(dòng)控制的發(fā)展史和自動(dòng)控制的基本概念；“第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”，主要介紹時(shí)域的數(shù)學(xué)模型——微分方程以及復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)，并結(jié)合這兩種模型介紹建立數(shù)學(xué)模型的方法；“第三章：時(shí)域分析法”，主要介紹利用時(shí)域分析法分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能；“第四章：根軌跡分析法”，主要介紹根軌跡的基本概念、繪制根軌跡的基本方法以及利用根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能；“第五章：頻域分析法”，主要介紹頻率特性的基本概念，用于分析系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性和開環(huán)頻域指標(biāo)的伯德圖，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特圖；“第六章：系統(tǒng)的校正方法”，主要介紹常用校正裝置及其特性，并以串聯(lián)校正為主，介紹控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)方法。

確定了教學(xué)內(nèi)容后，在具體的教學(xué)過程中遵循的原則為：1）強(qiáng)調(diào)對(duì)基本概念、原理及分析方法的理解，相關(guān)的推導(dǎo)和計(jì)算則作為輔助；2）強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)，安排與本專業(yè)相符合的控制系統(tǒng)實(shí)例分析，使學(xué)生能更好地理解各知識(shí)點(diǎn)及其實(shí)際應(yīng)用。

3" 教學(xué)方法的改進(jìn)

3.1" 采用MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)演示

針對(duì)新能源科學(xué)與工程專業(yè)自動(dòng)控制理論課程沒有實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的問題，引入MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)演示。這種教學(xué)方式，對(duì)學(xué)生深入理解自動(dòng)控制理論的基本概念和原理，掌握分析問題的基本方法起到很好的促進(jìn)作用。新能源科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生在電路、信號(hào)和系統(tǒng)等方面的知識(shí)比較缺乏，采用傳統(tǒng)的基于電阻、電容、電感及運(yùn)算放大器等電路元件的自動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并不適用。因此，在教學(xué)過程中，以風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域的典型自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，基于MATLAB/Simulink仿真軟件分別對(duì)系統(tǒng)建立模型，進(jìn)行穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的分析，以及校正裝置的設(shè)計(jì)演示。在此過程中，與學(xué)生進(jìn)行充分互動(dòng)，學(xué)生的積極性很高，課堂氣氛十分活躍，不僅能夠比較輕松地掌握相關(guān)的控制理論知識(shí)，而且對(duì)于學(xué)習(xí)仿真技術(shù)很感興趣。

鼓勵(lì)學(xué)生以小組為單位合作，對(duì)課堂演示的仿真實(shí)驗(yàn)例子進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，許多學(xué)生在課后自學(xué)MATLAB/Simu-link仿真軟件，并應(yīng)用在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，收到很好的效果。

3.2" 采用微視頻輔助教學(xué)

微視頻，顧名思義，就是一種微型視頻，把用電腦或手機(jī)錄制好的幾分鐘的視頻發(fā)布到網(wǎng)上，就可以使學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。在自動(dòng)控制理論的授課過程中，針對(duì)不同的環(huán)節(jié)，采用微視頻來輔助教學(xué)。為了使課堂教學(xué)更加高效，利用微視頻幫助學(xué)生進(jìn)行自學(xué)或預(yù)習(xí)，如拉普拉斯變換、根軌跡繪制的基本法則、典型環(huán)節(jié)的頻率特性等內(nèi)容；對(duì)于課堂上的重點(diǎn)、難點(diǎn)，利用微視頻進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生課后重溫重難點(diǎn)內(nèi)容；為了方便學(xué)生復(fù)習(xí)，利用微視頻講解習(xí)題，學(xué)生可以反復(fù)觀看。實(shí)踐證明，將微視頻與課堂教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅節(jié)省了課上時(shí)間，而且極大地方便了學(xué)生，有力地促進(jìn)了課堂教學(xué)的進(jìn)行。

3.3" 采用啟發(fā)式教學(xué)

為了進(jìn)一步解決自動(dòng)控制理論課程難度大，學(xué)生被動(dòng)接受的問題，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，通過設(shè)置一些帶有啟發(fā)性的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，積極參與；或者采用思維導(dǎo)圖方式，啟發(fā)學(xué)生理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。如在分析伯德圖時(shí)提出“為什么不采用線性分度，而要采用對(duì)數(shù)分度”的問題[4-5]，學(xué)生經(jīng)過積極地思考，通過對(duì)線性分度和對(duì)數(shù)分度的分析比較，最終給出正確的答案，也對(duì)伯德圖的繪制有了更深的認(rèn)識(shí)和理解。

筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些重要的、學(xué)生易于出現(xiàn)問題的知識(shí)點(diǎn)，在講授之前提出帶有啟發(fā)性的問題，不僅可以引起學(xué)生的重視，而且能夠帶領(lǐng)學(xué)生深入思考，收到較好的教學(xué)效果。如在介紹時(shí)域分析法時(shí)，為了更加清晰地展示該方法分析問題的思路，采用思維導(dǎo)圖，如圖1所示。通過這張圖，學(xué)生可以一目了然地認(rèn)識(shí)時(shí)域分析法主要通過時(shí)間響應(yīng)函數(shù)c（t）分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。具體的分析思路有兩種：一種是通過微分方程這一數(shù)學(xué)模型求解得到c（t），另一種是通過傳遞函數(shù)這一數(shù)學(xué)模型求得c（t）。而這兩種分析方法是相通的，傳遞函數(shù)的極點(diǎn)也就是微分方程的特征根，直接決定了時(shí)間響應(yīng)函數(shù)c（t）的特性。

雖然只是一張簡單的圖，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)域分析法卻起到很好的指導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生按照思維導(dǎo)圖的指引，結(jié)合所學(xué)的控制理論知識(shí)，進(jìn)一步分析具體的控制系統(tǒng)的性能。由于思路清晰，學(xué)生不僅自主學(xué)習(xí)的積極性很高，而且對(duì)問題的分析也很到位。課堂反饋的效果充分說明了思維導(dǎo)圖所起的作用。

3.4" 采用課上教師講授與課下學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式

針對(duì)不同的課程內(nèi)容，采用教師課堂講授與學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式。課堂教學(xué)主要講授自動(dòng)控制理論中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，采用PPT與板書相結(jié)合的教學(xué)方式，而一些比較直觀、簡單的內(nèi)容留給學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，教師提供微視頻、有聲PPT等資源幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，通過在線測試、思考題等方式考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。自主學(xué)習(xí)內(nèi)容主要有：“第一章：緒論”中的自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求；“第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”中的結(jié)構(gòu)圖的等效變換；“第三章：時(shí)域分析法”中的一階系統(tǒng)分析；“第四章：根軌跡分析法”中的繪制根軌跡圖的基本法則；“第五章：頻域分析法”中的典型環(huán)節(jié)的頻率特性；“第六章：系統(tǒng)校正方法”中的校正方式。這種課上課下相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅解決了學(xué)時(shí)不足的問題，而且鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高了知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化的質(zhì)量與效率。

4" 考核方式改革

恰當(dāng)?shù)目己朔绞绞谴龠M(jìn)學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)、考查知識(shí)掌握程度的必要環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)教師教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。自動(dòng)控制理論課程知識(shí)點(diǎn)眾多，單純采用期末考試的方式，往往會(huì)出現(xiàn)“平時(shí)不學(xué)，期末突擊”的情況，不能全面體現(xiàn)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程的效果。為此，本課程采用靈活多樣的考核形式，既緊扣教學(xué)大綱，注重考核學(xué)生對(duì)基本理論的掌握程度，又注意考查學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析、解決問題的能力和創(chuàng)新能力。

制定平時(shí)考核和期末考核相結(jié)合的方式。平時(shí)考核包括課堂表現(xiàn)、單元作業(yè)、平時(shí)測試、大作業(yè)等部分。通過這些考核形式，完善課程的過程性考核環(huán)節(jié)，使平時(shí)成績具有更高的含金量。如在“第六章：系統(tǒng)校正方法”教學(xué)完成后，布置校正裝置設(shè)計(jì)方面的大作業(yè)，讓學(xué)生在兩周內(nèi)完成。學(xué)生既可以借助MATLAB/Simulink軟件，也可以采用手工計(jì)算分析的方法，最后通過大作業(yè)匯報(bào)設(shè)計(jì)過程和結(jié)果，分析遇到的問題，提出相應(yīng)的解決措施。教師根據(jù)學(xué)生大作業(yè)中的設(shè)計(jì)情況、分析解決問題的情況給出成績。靈活多樣的考核形式推動(dòng)了課程形成性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)方式的有機(jī)結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

5" 結(jié)束語

通過補(bǔ)充和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，改革考核方式，新能源科學(xué)與工程專業(yè)的自動(dòng)控制理論課程改革在實(shí)踐中取得一定的成效，體現(xiàn)如下：

1）新的教學(xué)內(nèi)容補(bǔ)充了學(xué)生的知識(shí)短板，突出了重點(diǎn)，更符合該課程在本專業(yè)應(yīng)用過程中的特點(diǎn)和要求；

2）多種教學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合提高了教學(xué)效率，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握；

3）靈活多樣的考核方式有利于全方位考查教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一些問題：

1）部分學(xué)生仍然習(xí)慣于教師的課堂教授，課下自主學(xué)習(xí)效果不理想，還需要多方努力，提高自主學(xué)習(xí)能力和積極性；

2）每一屆學(xué)生對(duì)于各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度是變化的，需要教師用開放、發(fā)展的態(tài)度對(duì)待，動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)施方案。

綜上所述，自動(dòng)控制理論課程在今后的教學(xué)過程中需要不斷總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)進(jìn)行改革。

參考文獻(xiàn)

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[2]唐超穎，姜斌.“自動(dòng)控制原理”課程的探究性教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）：91-93.

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[5] 孟慶明.自動(dòng)控制原理[M].3版.北京：高等教育出版社，2019.

*項(xiàng)目來源：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目“新能源控制理論課程新教學(xué)模式探討”（項(xiàng)目編號(hào)：2021217）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)2020年度“校級(jí)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)”建設(shè)項(xiàng)目。

作者：施永紅，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)槿紵臀廴究刂萍夹g(shù)、新能源利用技術(shù)；賈彥，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)樾履茉蠢眉夹g(shù)；云峰，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)槟茉蠢眉拔廴究刂萍夹g(shù)（010051）。