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摘要:“自动控制原理”是一门重要的基础课程,具有理论性强、概念抽象、内容多、涉及面广等课程特点。该课程在教学中普遍存在的内容多,学时少的矛盾。为了全面提高教学质量,培养学生分析问题和解决问题的能力,激发学生学习专业课的兴趣和热情,本文就优化教学内容、改进教学方法、丰富教学手段进行了研究与探讨,为教学提供新的思路。
关键词:自动控制原理;教学内容;教学方法;教学手段
作者简介:徐维晖(1978-),女,河南获嘉人,华北水利水电学院电力学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:流体机械及工程。(河南 郑州 450011)
近年来,为了提高学生的全面素质,全国各高校都在调整教学计划和课程门类,优化课程体系以使学生的知识结构适应21世纪的人才需求。课程门类的增多必然使教学内容和教学质量产生矛盾。在华北水利水电学院电气自动化专业的课程体系中,“自动控制原理”课程是一门非常重要的专业基础课,它起着将基础知识运用于专业问题的桥梁与示范作用。如何充分利用有限的学时,并为后续课程打好坚实的基础,笔者结合教学实践,提出以下的构想。
一、教学内容的改革
“自动控制原理”是一门理论性较强、概念深的课程,学生普遍反映难学。它的先修课为“高等数学”、“线性代数”、“复变函数”、“离散数学”、“矩阵理论”和“电路”、“电子”等;后续课程有“过程控制系统”,“计算机测控技术与系统”,“控制系统计算机仿真”,“自动化仪表系统”,“自适应控制和模糊控制”等。我们将“自动控制原理”内容系统化、模块化、最优化,以解决课时少、内容多的矛盾。我们按其理论涉及领域,分为经典线性理论、非线性理论、采样系统和现代控制理论四个模块;按其研究的基本问题,将其分为系统的数学模型、系统的性能分析和系统的综合设计三个基本问题;按其课程的本质而言,直接分为控制系统的特性分析方法和控制器的设计理念。例如,采用了以建立基本概念和掌握基本技能够用为度的知识论述深度原则。基于现代计算机辅助分析设计技术大量应用的现状,减低了系统人工分析部分的比例和重心,节约课时,提高授课效果。
我们针对不同课时、不同专业、不同教学要求和学生的实际程度,按照教学大纲的要求,精选教学内容、灵活组织教学模块。并在以后的教学过程中,不断对讲稿进行修改和补充,以便更具针对性也更符合实际。如课程教学大纲为64学时,我们适当增加“非线性理论”知识模块。48学时,我们主讲“经典线性理论”模块。
二、教学思路的改革
作为教师,一定得有深入浅出、精益求精、与时俱进的教学思路。总体原则是:注重介绍控制学科前沿的最新发展,适当采用现代多媒体技术,使课程具有先进性和时代感;同时着眼实际,牢固学生专业基础知识,拓宽知识层面,加强学生提出问题的能力、分析问题的能力、解决问题的能力,始终本着负责、严谨、踏实的教学思想配合先进的教学理念让学生切实有效掌握专业知识的同时,提高综合应用能力,使学生能学有所获、学有所用,以扎实的专业知识去适应不同的就业学习环境,迎接更高的挑战和机遇。具体细节要注重:(1)强化基础教学,注重能力培养。教学过程中发现很多学生其实是被数学问题难倒,从而对继续学习产生了畏难情绪,影响学习效果。为此笔者认为,首先要明确“自控原理”课的教学目的:让学生建立控制理论的概念,学会控制系统的分析方法,为今后的专业课学习打下良好的基础,而不是仅仅会做题,因此在教学过程中应当“强调概念,淡化计算”。另外,在教学中要还可通过分析各种理论方法之间的关联,起到温故而知新的作用。(2)根据学生的程度、课时要求,适时适当增加教学内容。例如,数学模型一章中增加了状态空间模型,原来独立的校正设计一章拆散到几章中。系统分析方法讲完就讲设计技术,这样更趋合理和高效。(3)理论联系实际,强调工程背景。选取控制工程中的典型范例,学生通过这些范例可以感性地了解控制系统的结构、理论分析和设计技术,能更好的学习掌握自动控制的理论,并具备对简单系统进行定性分析、定量估算和动态仿真(模拟仿真和数字仿真)的能力,为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。
三、教学方法的改革
1.加强“教与学”动态联系、实质提升教学质量
如果借用自动控制原理中的基本概念,则教学过程始终都是一个闭环系统,如图1所示。
教师备课和上课依据于教学大纲(教学目标),学生听课做作业依据于教师的上课内容,学习的效果通过信息反馈渠道反映到教师那里,教师依据反馈信息,比较与教学目标的偏差,及时调整教案,改进教学方法,以获得更好的教学效果。这就是正常的教学过程,也是最本质的教学方法。所以,无论教学方法如何改进,都要始终坚持加强“教与学”动态联系。
“教与学”的动态联系中第一个环节就是教师教学过程,是整个教学过程中最基本最重要的。这一过程的主体就是教师,教师教学过程的好坏主要取决于三个因素,首先是教师的教学态度。踏实、严谨、稳重、认真的治学态度,不但督促教师的教学质量不断提高,还直接影响学生的学习态度。这种双方良性和积极的态度相互影响,相互感染,也是教师上好一门课、学生学好一门课最基本的条件。笔者多年来始终坚持这一点,无论教学环境、学生层次发生多大的变化,但是负责严谨的作风始终没变,不但赢得学生的尊重,也赢得自己工作的信心。其次是教师教学能力,这才是衡量教师教学的本质指标。教书能力第一强调就是教师的专业水平,教师应有“教到老,学到老”的思想,根据自控领域的不断发展不断提升知识深度,不断掌握最新技术。第二就是教学安排即备课、授课、课后辅导等环节。“自动控制原理”课程内容涉及数学、电子、机械学等多门学科知识,理论性强,概念抽象与工程结合密切。因此,内容准备要充分全面、理论内涵深浅兼顾、概念要系统精密,分析和设计方法丰富多样。在具体授课时,细致安排进度、合理取舍内容、做到因材施教。授课过程主要以课堂教授为主,讲课过程中注意思路清晰、层次分明、概念准确、知识系统。第三就是课上反馈,是一种即时了解学生听课情况的环节。最后就是教学手段,有良好的教学态度,具有很深的专业水平,再配以先进的教学手段,整个教学过程才显完善更具先进性。所以,采用灵活多样的教学方式,能够把控制系统的抽象概念、动态过程形象地表现出来,显著提高了教学效果。无论素质教育面临多少挑战,这三个方面始终是教师教学的实质,教师一定要将教学工作落到实处,形成教与学的积极互动,切实提高教学效果。
2.引入先进的教学环节、适应新的教学要求
将 MATLAB软件引入课程教学
MATLAB仿真软件是目前最流行的控制系统数字仿真软件。把MATLAB作为一种基本工具与教学内容有机结合,教学效果和效率均有明显提高。实践表明,将MATLAB引入“自动控制原理”课程教学中,会使课堂变得生动,给学生留下深刻的印象。
3.实施启发式教学
教师组织正常的课堂教学时应鼓励学生发表自己的见解,在教学的过程中要保持与学生的互动交流。课堂上可以采取讨论式的提问、做练习、随堂小测验;对教学中的重点和难点问题,采用集体讨论,观摩教学等形式;增设课外答疑、网站辅导等形式。这些启发式和互动式的教学方法,一方面使学生跟着教师的思路走、提高学生的学习兴趣,活跃学生思维,帮助学生掌握所学内容,并能随时了解学生的掌握情况,以便掌握好教学的进度,更重要的是培养了他们发现问题、分析问题和解决问题的能力。
4.将网络平台融入教学环节
把教学资源发布到具有BBS功能的课程网站。如学科介绍、教学大纲、授课教案、教学进度、学科发展最新动态、习题思考、参考文献、网上答疑和题库等信息,可以实现师生网上互动。
5.引入双语教学
在本科教学中开展双语教学,是教育部提出的在新形势下推进教学改革,提高教学质量的重要举措之一,也是全面素质教育的有益尝试。先后选用的英文教科书是Modern Control Systems(作者:Richard C. Dorf和Robert H. Bishop),已经被世界上400多所学院和大学选为工科类本科高年级学生的教材,也曾被选为没有控制工程背景的工科研究生的教材。英文教科书的内容与教学大纲的要求基本符合,但仍有部分内容与教学大纲差距较大,故部分章节仍选用中文教科书。另外,采用的双语教学中,教师的讲解仍是中文,黑板的板书却是英文的,所以利用多媒体课件可以采用中英文双语,这样比较符合学生目前的状况。虽然存在上述问题,采用双语教学仍是一个值得探索的方向。
四、教学手段的改革
“自动控制原理”课程的内容多,概念多,理论严谨,所以主要教学手段仍然以传统黑板教学授课为主,在一开始上课的时候,教师就先将课程内容、课程的教学重点、难点及学生易出错的问题,系统地一一介绍,让学生带着一点了解、一点疑问、一点期望去开始学习自控,从一开始就体会一些实质的学习方法。而后续授课中,也一定要把概念讲解准确,不可以模糊或者似是而非;理论推导严密紧凑,系统连贯;方法分析逻辑有序,条理清楚。这些也课堂授课。但是,正如前面所提及的自动课程内容繁多、涉及领域广泛,光靠黑板的讲解课时根本不够,效率太低,信息量不够。所以,当不需要严密的理论推导、需要用图表、实例等形象描述授课内容时就可利用多媒体。通过使用多媒体技术,有效解决了内容多、课时少的矛盾,提高授课效果。
在实验环节上,形成了适用于不同层次教学需求的、先进的实验体系。教学实验主要由四部分组成: (1)学生使用模拟电路的实验控制台,完成典型系统的瞬态响应、稳态误差和频率特性测量等。(2) MATLAB 软件的仿真实验。在建立典型环节、系统数学模型的基础上,编制相应的程序,通过调整参数来进行系统性能的分析和比较,由此验证课堂上所学的理论知识。(3)多媒体实验课课件、课堂直播系统、实验教学综合管理信息系统等构成了先进的实验辅助教学手段和技术新颖的实验环境。(4)直接参观模拟工业现场的过程控制实验装置,进行实际的现场调试和控制。
五、结束语
本文结合“自动控制原理”的教学实践,重新审视和剖析教学内容和授课角度后,探讨了提高教学质量必须从实质教学出发,切实提高教师专业水平,突破传统的教学模式,通过采用多种可行的教学手段和教学方法切实加强教学中的各个环节,加强学生基础和抽象思维的培养,强调其综合应用能力的提高,使“自动控制原理”作为技术基础课要与“按照研究型大学人材培养的要求”相适应。
参考文献:
[1]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京:科学出版社,2003.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:自动控制原理;教学内容;教学方法;教学手段
作者简介:徐维晖(1978-),女,河南获嘉人,华北水利水电学院电力学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:流体机械及工程。(河南 郑州 450011)
近年来,为了提高学生的全面素质,全国各高校都在调整教学计划和课程门类,优化课程体系以使学生的知识结构适应21世纪的人才需求。课程门类的增多必然使教学内容和教学质量产生矛盾。在华北水利水电学院电气自动化专业的课程体系中,“自动控制原理”课程是一门非常重要的专业基础课,它起着将基础知识运用于专业问题的桥梁与示范作用。如何充分利用有限的学时,并为后续课程打好坚实的基础,笔者结合教学实践,提出以下的构想。
一、教学内容的改革
“自动控制原理”是一门理论性较强、概念深的课程,学生普遍反映难学。它的先修课为“高等数学”、“线性代数”、“复变函数”、“离散数学”、“矩阵理论”和“电路”、“电子”等;后续课程有“过程控制系统”,“计算机测控技术与系统”,“控制系统计算机仿真”,“自动化仪表系统”,“自适应控制和模糊控制”等。我们将“自动控制原理”内容系统化、模块化、最优化,以解决课时少、内容多的矛盾。我们按其理论涉及领域,分为经典线性理论、非线性理论、采样系统和现代控制理论四个模块;按其研究的基本问题,将其分为系统的数学模型、系统的性能分析和系统的综合设计三个基本问题;按其课程的本质而言,直接分为控制系统的特性分析方法和控制器的设计理念。例如,采用了以建立基本概念和掌握基本技能够用为度的知识论述深度原则。基于现代计算机辅助分析设计技术大量应用的现状,减低了系统人工分析部分的比例和重心,节约课时,提高授课效果。
我们针对不同课时、不同专业、不同教学要求和学生的实际程度,按照教学大纲的要求,精选教学内容、灵活组织教学模块。并在以后的教学过程中,不断对讲稿进行修改和补充,以便更具针对性也更符合实际。如课程教学大纲为64学时,我们适当增加“非线性理论”知识模块。48学时,我们主讲“经典线性理论”模块。
二、教学思路的改革
作为教师,一定得有深入浅出、精益求精、与时俱进的教学思路。总体原则是:注重介绍控制学科前沿的最新发展,适当采用现代多媒体技术,使课程具有先进性和时代感;同时着眼实际,牢固学生专业基础知识,拓宽知识层面,加强学生提出问题的能力、分析问题的能力、解决问题的能力,始终本着负责、严谨、踏实的教学思想配合先进的教学理念让学生切实有效掌握专业知识的同时,提高综合应用能力,使学生能学有所获、学有所用,以扎实的专业知识去适应不同的就业学习环境,迎接更高的挑战和机遇。具体细节要注重:(1)强化基础教学,注重能力培养。教学过程中发现很多学生其实是被数学问题难倒,从而对继续学习产生了畏难情绪,影响学习效果。为此笔者认为,首先要明确“自控原理”课的教学目的:让学生建立控制理论的概念,学会控制系统的分析方法,为今后的专业课学习打下良好的基础,而不是仅仅会做题,因此在教学过程中应当“强调概念,淡化计算”。另外,在教学中要还可通过分析各种理论方法之间的关联,起到温故而知新的作用。(2)根据学生的程度、课时要求,适时适当增加教学内容。例如,数学模型一章中增加了状态空间模型,原来独立的校正设计一章拆散到几章中。系统分析方法讲完就讲设计技术,这样更趋合理和高效。(3)理论联系实际,强调工程背景。选取控制工程中的典型范例,学生通过这些范例可以感性地了解控制系统的结构、理论分析和设计技术,能更好的学习掌握自动控制的理论,并具备对简单系统进行定性分析、定量估算和动态仿真(模拟仿真和数字仿真)的能力,为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。
三、教学方法的改革
1.加强“教与学”动态联系、实质提升教学质量
如果借用自动控制原理中的基本概念,则教学过程始终都是一个闭环系统,如图1所示。
教师备课和上课依据于教学大纲(教学目标),学生听课做作业依据于教师的上课内容,学习的效果通过信息反馈渠道反映到教师那里,教师依据反馈信息,比较与教学目标的偏差,及时调整教案,改进教学方法,以获得更好的教学效果。这就是正常的教学过程,也是最本质的教学方法。所以,无论教学方法如何改进,都要始终坚持加强“教与学”动态联系。
“教与学”的动态联系中第一个环节就是教师教学过程,是整个教学过程中最基本最重要的。这一过程的主体就是教师,教师教学过程的好坏主要取决于三个因素,首先是教师的教学态度。踏实、严谨、稳重、认真的治学态度,不但督促教师的教学质量不断提高,还直接影响学生的学习态度。这种双方良性和积极的态度相互影响,相互感染,也是教师上好一门课、学生学好一门课最基本的条件。笔者多年来始终坚持这一点,无论教学环境、学生层次发生多大的变化,但是负责严谨的作风始终没变,不但赢得学生的尊重,也赢得自己工作的信心。其次是教师教学能力,这才是衡量教师教学的本质指标。教书能力第一强调就是教师的专业水平,教师应有“教到老,学到老”的思想,根据自控领域的不断发展不断提升知识深度,不断掌握最新技术。第二就是教学安排即备课、授课、课后辅导等环节。“自动控制原理”课程内容涉及数学、电子、机械学等多门学科知识,理论性强,概念抽象与工程结合密切。因此,内容准备要充分全面、理论内涵深浅兼顾、概念要系统精密,分析和设计方法丰富多样。在具体授课时,细致安排进度、合理取舍内容、做到因材施教。授课过程主要以课堂教授为主,讲课过程中注意思路清晰、层次分明、概念准确、知识系统。第三就是课上反馈,是一种即时了解学生听课情况的环节。最后就是教学手段,有良好的教学态度,具有很深的专业水平,再配以先进的教学手段,整个教学过程才显完善更具先进性。所以,采用灵活多样的教学方式,能够把控制系统的抽象概念、动态过程形象地表现出来,显著提高了教学效果。无论素质教育面临多少挑战,这三个方面始终是教师教学的实质,教师一定要将教学工作落到实处,形成教与学的积极互动,切实提高教学效果。
2.引入先进的教学环节、适应新的教学要求
将 MATLAB软件引入课程教学
MATLAB仿真软件是目前最流行的控制系统数字仿真软件。把MATLAB作为一种基本工具与教学内容有机结合,教学效果和效率均有明显提高。实践表明,将MATLAB引入“自动控制原理”课程教学中,会使课堂变得生动,给学生留下深刻的印象。
3.实施启发式教学
教师组织正常的课堂教学时应鼓励学生发表自己的见解,在教学的过程中要保持与学生的互动交流。课堂上可以采取讨论式的提问、做练习、随堂小测验;对教学中的重点和难点问题,采用集体讨论,观摩教学等形式;增设课外答疑、网站辅导等形式。这些启发式和互动式的教学方法,一方面使学生跟着教师的思路走、提高学生的学习兴趣,活跃学生思维,帮助学生掌握所学内容,并能随时了解学生的掌握情况,以便掌握好教学的进度,更重要的是培养了他们发现问题、分析问题和解决问题的能力。
4.将网络平台融入教学环节
把教学资源发布到具有BBS功能的课程网站。如学科介绍、教学大纲、授课教案、教学进度、学科发展最新动态、习题思考、参考文献、网上答疑和题库等信息,可以实现师生网上互动。
5.引入双语教学
在本科教学中开展双语教学,是教育部提出的在新形势下推进教学改革,提高教学质量的重要举措之一,也是全面素质教育的有益尝试。先后选用的英文教科书是Modern Control Systems(作者:Richard C. Dorf和Robert H. Bishop),已经被世界上400多所学院和大学选为工科类本科高年级学生的教材,也曾被选为没有控制工程背景的工科研究生的教材。英文教科书的内容与教学大纲的要求基本符合,但仍有部分内容与教学大纲差距较大,故部分章节仍选用中文教科书。另外,采用的双语教学中,教师的讲解仍是中文,黑板的板书却是英文的,所以利用多媒体课件可以采用中英文双语,这样比较符合学生目前的状况。虽然存在上述问题,采用双语教学仍是一个值得探索的方向。
四、教学手段的改革
“自动控制原理”课程的内容多,概念多,理论严谨,所以主要教学手段仍然以传统黑板教学授课为主,在一开始上课的时候,教师就先将课程内容、课程的教学重点、难点及学生易出错的问题,系统地一一介绍,让学生带着一点了解、一点疑问、一点期望去开始学习自控,从一开始就体会一些实质的学习方法。而后续授课中,也一定要把概念讲解准确,不可以模糊或者似是而非;理论推导严密紧凑,系统连贯;方法分析逻辑有序,条理清楚。这些也课堂授课。但是,正如前面所提及的自动课程内容繁多、涉及领域广泛,光靠黑板的讲解课时根本不够,效率太低,信息量不够。所以,当不需要严密的理论推导、需要用图表、实例等形象描述授课内容时就可利用多媒体。通过使用多媒体技术,有效解决了内容多、课时少的矛盾,提高授课效果。
在实验环节上,形成了适用于不同层次教学需求的、先进的实验体系。教学实验主要由四部分组成: (1)学生使用模拟电路的实验控制台,完成典型系统的瞬态响应、稳态误差和频率特性测量等。(2) MATLAB 软件的仿真实验。在建立典型环节、系统数学模型的基础上,编制相应的程序,通过调整参数来进行系统性能的分析和比较,由此验证课堂上所学的理论知识。(3)多媒体实验课课件、课堂直播系统、实验教学综合管理信息系统等构成了先进的实验辅助教学手段和技术新颖的实验环境。(4)直接参观模拟工业现场的过程控制实验装置,进行实际的现场调试和控制。
五、结束语
本文结合“自动控制原理”的教学实践,重新审视和剖析教学内容和授课角度后,探讨了提高教学质量必须从实质教学出发,切实提高教师专业水平,突破传统的教学模式,通过采用多种可行的教学手段和教学方法切实加强教学中的各个环节,加强学生基础和抽象思维的培养,强调其综合应用能力的提高,使“自动控制原理”作为技术基础课要与“按照研究型大学人材培养的要求”相适应。
参考文献:
[1]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京:科学出版社,2003.
(责任编辑:苏宇嵬)