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自动控制理论课程的教学模式浅谈

来源:教育教学论坛     2019-3-14 20:40:45      点击:

李敏

摘要:本文从教学目的、教学内容选择、教学内容次序安排、教学方法的设计和教学辅助手段等方面谈自动控制理论课程的教学模式,如何顺应学生的认知规律和逻辑思维习惯是建立教学模式的根本出发点。

关键词:认知规律;逻辑思维习惯;主线式教学;案例式教学

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2018)41-0167-02

自动控制理论是电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化以及相近专业的骨干专业必修课或选修课,是控制理论学科的首要基础理论课。这门课程具有抽象性、逻辑性、理论性强、内容多等特点,尤其与数学知识联系密切。它为后期的电力拖动自动控制系统、电力电子技术、运动控制,伺服控制等专业课打下坚实的理论基础。课程结束后,学生除了零星记得几个概念,会做几个题目以外,对这门课程缺乏一个系统的整体认识,更不知道学习这个课程有何意义。虽然课程的系统性、典型案例和研究意义,每个授课教师都会强调,但是教学效果却不理想。究其原因,传统教学模式与学生接受能力和接受习惯不对应,我们关注教师如何去教,却忽视了学生如何学这个问题。在杜威的“反传统”教学模式及国内同行探讨教学模式的综合熏陶下[1-4],所在教研团队多年的教学体会和实践使我们深刻认识到在安排课程的教学模式时要充分考虑学生的认知心理学和学习的逻辑思维习惯。本文围绕学生“如何学”作为教学模式研究的出发点,探讨自动控制理论的教学模式

一、明确教学目的

传统的教学目的是把尽可能多的学科知识传授给学生。课堂是满堂灌,大多数教材的编写也是把尽可能多的知识点和知识框架呈现给读者。在教学中,笔者发现教材没必要写得烦琐,课堂上也没必要讲那么多,只需把这个方法讲透彻了,总结的工作留给学生。学生觉得主线清晰,自己去做总结,很有成就感。

就自动控制理论学科而言,教师需要把学科的基本概念,基本原理和解决问题的思路方法传授给学生,过多的知识点探讨对于初次接触控制理论学科的学生是不合时宜的。

每一门课程都有自己的特点,或是算法,或是技术,或是理论方法。自动控制理论作为控制理论的入门学科,重要的是方法的引导,一切教学方式都以学生是否系统地掌握了被控对象的控制方法为目的。围绕这个目的,学生自然会对概念、分析被控对象所用的工具(原理)和控制器的设计原理感兴趣,我们也就按照思维习惯层层逼近地把基本的知识点呈现给他们。

二、教学内容的选择

明确了课程教学的目的,我们也就知道了如何对教学内容进行选择。对于自动控制理论而言,不同专业学时虽然不一样,但是对这门课程的要求是一样的,掌握控制被控对象的方法。我们可以根据学时多少来决定所介绍方法的多少和内容的深浅,但至少保证一种理论方法的完整介绍。需要强调的是,我们介绍原理是为方法服务的,过多的原理探讨影响学生对主体内容的把握。

三、教学内容次序的安排

教师讲授一门课程的目的和学生学习一门课的目的应该是一致的。《自动控制理论》是一门控制理论,它研究被控对象的建模、分析和设计,要求学生熟练掌握控制方法。为了完成这个目的,我们主要介绍三种方法:时域法,频域法和根轨迹法,实际对应被控对象的三种不同数学模型。传统教学是按照教材的章节来进行的,教材为了条理性是按照建模、分析和设计分开来书写的,但是学生的逻辑思维能力是无法在初步接触一本课程时,就能层层剥茧从中分离出解决问题所需要的知识体系的。我们的教学决不能囿于教材,我们要按照学生能够轻松接受的思维逻辑顺序来安排教学内容顺序。自动控制理论适合按照三种数学模型分别讲解对应的分析和设计的理论方法。教学顺序要依次解决学生的认知疑惑,符合学生的逻辑思维习惯。

四、教学方法的设计

我们期望学生能把握这个学科的“鱼主骨”脉络,唯有如此,学生才能系统地掌握这个控制方法。既然希望学生掌握“鱼主骨”,那么我们就按照鱼主骨的方式进行讲授,这是符合学生接受新事物的思维习惯的。众所周知,长期的熏陶远胜短时间的灌输,我们系统地去传授这个方法,学生才可能系统地掌握它。我们都有一种体会,刚接触一个新鲜事物时,我们不能把握它的细节,但是喜欢从宏观角度上去认识它,然后再去攻克它的细节。

传统教学一般采用章节式教学,优势是知识体系较为完整,我们所传授的每个知识点都是面面俱到的,导致了学生失去了探索的兴趣。并且大而全也容易将主线湮没了。每一章结束处的举例教学缺点在于为了和当前一章的知识点对应,所谈到的应用一般是支离破碎的,这严重影响了学生的全局意识。

我们采用主线式教学和案例教学交互方式开展教学,收到良好效果。

主线式教学是以简单案例引入研究对象,给出其中一类数学模型对应的建模过程,其次给出分析问题时所使用的方法及其所涉及的理论原理,最后讨论设计时所采用的原理和相应的步骤等。主线式教学易使学生从宏观角度看待问题,抓住解决问题的本质,然后再去攻克小问题的处理方式。

每一种控制理论方法都采用主线式教学。每一种控制理论方法的综合应用采用一个复杂的融合了主要知识框架的案例教学。案例教学的优势是密切联系实际,了解问题的工程背景,从实际问题中找到模型的对应模块,是一个从工程背景资料中学会抽象建模的过程,确定任务目标,然后运用系统分析的原理进行分析,最后运用校正设计的原理进行设计,并做仿真或实验进行验证。

主线式教学和案例教学从课堂上实现了理论与实践的初步结合。两种方法是相铺相成的。例如,在频域法的案例教学中会时域性能指标,这时需要回到主线把时域和频域的联系补充完毕,才能把案例问题解决。总之,教学方法的采用与思维发展顺序密切相关,采取水到渠成的思路教学易被学生接受。

五、教学辅助手段

为了知识体系的系统性和简洁性,在主线式教学中必然要去除教材中部分内容。但是为了学科知识的完整性,还需要学生去了解或者掌握,这些内容在有限学时内是无法完成的。例如,时域分析法这一部分,典型研究对象是二阶的,对于三阶被控对象的分析和设计无法在课堂上完成。为了完成这部分内容的教学目标,设计思考问题和作业引导学生课下完成自学。国外大学课后作业需要学生自学,查阅大量资料,才能完成,也是这个原因。

为了提升学生对三种控制控制方法的掌握程度,设计一个综合的课程设计专题,包括仿真和电路实验,考察学生灵活运用三种控制方法的能力以及是否能够区分它们的联系和不同。

六、考核方式

本文提到的教学模式有利于学生从全局把握学科,但是深入学科的程度靠学生课下完成。为了提高学生自主学习积极性,平时成绩所占比例大大提高,占到60%,包括平时作业成绩占20%,课堂表现成績占20%,课程设计成绩占20%。

综上所述,本文所探讨的教学模式对应了一句谚语“师父领进门,修行在个人”。根据笔者多年的个人科研经历和教学体会,深刻认识到,每个学科进门是不容易的,需要花大量时间才能把握这门学科的思想和方法,现在我们的大学教学就是应该把脉络清晰的“鱼主骨”呈现给学生,如何进入各个通道的方法传授给他们。自动控制理论作为一个基础学科,首先应该做一个通识教育,激发他们的钻研斗志,为后期的控制理论课程打下了坚实的方法论基础。

参考文献:

[1]朱虹,王栋,邢楠.论工科大学专业课的引导式教学模式的探索[J].教育教学论坛,2016,(2):151-152.

[2]郭南芸.提升本科学生研究能力的教学模式探索——兼论《产业经济学》课程创新[J].高教论坛,2010,(9):53-55.

[3]杨飒.“自动控制原理”课程的任务驱动教学模式探索[J].广东第二师范学院学报,(2013),33(3):49-52.

[4]姚凤麒.《自动控制原理》教学模式探索与实践[J].实验科学与技术,2014,12(3):159-160.


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