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任务驱动教学法在《自动控制原理》“描述函数法”教学中的应用

来源:用户上传      作者: 杨艳丽 郭一锋 张国良 陈励华

  摘要:《自动控制原理》课程是第二炮兵工程大学测控工程专业一门非常重要的工程技术基础必修课,肩负着为后续武器系统相关课程打下坚实理论基础的任务。为了改变传统的以教定学的教学模式,在教学过程中采用任务驱动教学法。实践结果表明:该方法充分调动了学生的积极性和主动性,激发了学生的学习兴趣,培养了分析问题、解决问题的能力,推动了教学改革,提高了课堂教学的质量和效果。
  关键词:《自动控制原理》;任务驱动教学法;提高效果
  中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)18-0180-02
  《自动控制原理》是第二炮兵工程大学生长干部学历教育“测控工程”专业、“发射工程”专业、“导弹工程”专业和“电力工程及其自动化”专业的一门必修工程技术基础课程,肩负着为后续武器系统相关课程打下坚实理论基础的任务,可以说是任重而道远。其中,作为二炮军官四门技术基础课程之一的《导弹控制与制导原理》与本门课程的联系最为紧密,如果没有本课程作为先导课程,《导弹控制与制导原理》的教学可以说是寸步难行。显然,只有学好了《自动控制原理》这门课,才能顺利过渡到武器平台相关课程的学习,才能为部队的任职打下坚实的理论基础。该课程来源于控制工程的社会实践,又回到工程实际中去指导系统的分析和设计,具有浓厚的工程背景,理论性较强,公式较多,计算烦琐。如果按照传统的“填鸭式”方法组织教学,学生会觉得枯燥乏味,产生厌学情绪,教学效果大打折扣。因此在本课程的教学中贯穿任务驱动教学法,把相关知识点融入到各个子任务中,既能让学生切身介入本门课程的学习,自觉地感受到本课程在解决工程问题上的作用,自觉地走入理论联系实际的过程,又能产生浓厚的学习兴趣,将学习的知识与工程实际相联系,培养学生自主学习、分析问题、解决问题的能力,发扬团队协作精神。
  一、任务驱动教学法的内涵
  所谓“任务驱动教学法”就是在学习信息技术的过程中,学生在教师的帮助下,紧紧围绕一个共同的任务活动中心,在强烈的问题动机的驱动下,通过对学习资源的积极主动应用,进行自主探索和互动协作的学习,并在完成既定任务的同时,引导学生产生一种学习实践活动。“任务驱动教学法”是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学法。它要求“任务”的目标性和教学情景的创建,使学生带着真实的任务在探索中学习。在这个过程中,学生还会不断地获得成就感,可以更大地激发他们的求知欲望,逐步形成一个感知心智活动的良性循环,从而培养出独立探索、勇于开拓进取的自学能力。
  二、任务驱动教学法在《自动控制原理》课程中的实践
  “任务驱动”教学法最根本的特点是“以任务为主线、教师为主导、学生为主体”。它强调,学生的学习活动必须与任务或问题相结合,以探索问题来引导和维持学习者的兴趣和动机,创建真实的教学环境,让学生带着真实的任务学习,以使学生拥有学习的主动权。教师要在总体学习目标的框架上,把总目标细分成一个个的小目标,并把每一个学习模块的内容细化为一个个容易掌握的“任务”,通过这些小的“任务”来体现总的学习目标。因此,教师在设计任务时必须要面对学习对象,针对学生认知特点、接受能力的差异,要将学习目标分层次,针对不同水平的学生分别提出恰当的基础目标、发展目标和开放目标,在此基础上,设计具有一定容量、一定梯度的任务,要求所有学生完成基础目标对应的小任务,学有所思的学生接着完成下一个需要努力才能完成的发展目标对应的任务,学有所创的学生还应继续完成后面开放性的任务,最后教师做总结性发言并演示正确结果。
  (一)学习任务设计
  学习任务的设计是整个教学过程的关键,教师必须根据自动控制原理课程的教学内容,结合学生的兴趣爱好和特点,理论联系实际,制定切实可行的具有实际意义的学习任务。该任务既要涵盖基本知识点,又要有一定的拓展性。学生接受任务后,在求知欲望和浓厚的学习兴趣的推动下,产生积极探索的动力,使该任务做到服务教学,体现教学目标,达到良好的教学效果。在设计任务时,可根据课程各个章节之间的衔接关系、知识要点等,将一个综合任务划分为若干个相互独立又相互联系的子任务,每个子任务都包含一定的基本知识点、重点和难点。下面是作者在讲授线性系统的校正时设计的学习任务。
  1.学习任务描述。稳定是控制系统的重要性能,也是控制系统能够正常工作的首要条件。如何分析一个非线性系统的稳定性呢?时域分析(相平面)法虽然可以直观、准确地反映非线性系统的稳定性,但是应用时域分析法分析非线性系统的稳定性时可能出现求解困难甚至无法求解的现象,对于这类非线性系统该如何分析呢?不妨回顾一下线性系统,除了时域分析法还有频域分析法,对于非线性系统,自然而然联想到频域分析法,因此本节课的任务是将线性系统的频域分析法扩展应用到非线性系统中。
  2.学习任务分析。学习任务是将线性系统的频域分析法扩展应用到非线性系统中。线性系统的频域分析是建立在频率特性的基础之上的,因此必须首先找出非线性系统的频率特性;寻找频率特性,就需要给非线性系统加一个正弦波交流信号,观察非线性系统的稳态输出中与输入同频率的正弦波的振幅和相位与输入正弦波的关系,从而得到非线性系统的频率特性。在此基础上,应用频域分析法,写出非线性系统的闭环频率特性,根据曲线之间的相互包围关系来判断非线性系统是否稳定。
  3.学习任务实施。从提出问题到分析问题,接下来就是解决问题,完成任务。作者根据学生的自主学习能力和基础知识的好坏等因素,分成五个小组,每组设定一个组长。小组成员彼此互相合作,互相激励,积极主动地参与学习,完成学习任务。最后由组长汇报设计结果。一个完整的学习任务包含多个子任务,它们之间紧密联系,层层推进。笔者设计了以下几个子任务:
  子任务一:以常见的非线性系统饱和环节为例,给其加一个正弦波交流信号,观察其稳态输出,试图寻找非线性系统的等效频率特性。提示学生思考,如果非线性系统的稳态输出不是正弦波信号,但输出是一个周期信号,高等数学中有一个非常有效的分析工具,请学生主动思考,自主探索。
  子任务二:将线性系统的频域分析法加以扩展,在系统的前向通道中加入一个比例环节,并且比例环节是可调的,给出频域稳定性分析的结果。
  子任务三:经过结构图化简,将非线性系统表示为线性环节和非线性环节串联的典型结构形式,在闭环频率特性的基础上,得出非线性系统稳定性的结论。
  子任务四:对比非线性系统稳定性分析与线性系统稳定性分析的相同与不同之处,分析两者不同的本质原因。
  (二)学习效果评价
  通过在《自动控制原理》“描述函数法”课堂上采用任务驱动教学法,改变了传统的教与学的结构,使学生真正成为学习的主体,教师除了具有辅导者、引导者的身份外,不具备其他任何权威。在这一模式下,学生将可能通过查阅资料随时获取帮助,并随时成为“教师”。这种教学模式将完全改变传统的教学方式,使因材施教真正落到实处,让每个学习者将学习当作一种享受。从学生的角度来说,大大提高了学生学习的效率和兴趣,培养他们独立探索、勇于开拓进取的自学能力。当一个“任务”完成时,学生会获得满足感、成就感,从而激发他们的求知欲望,逐步形成一个感知心智活动的良性循环,减少学生们以往由于片面追求信息技术课程的“系统性”而导致的“只见树木,不见森林”的教学法带来的茫然。从教师的角度来说,任务驱动教学法将以往以知识传授为主的传统教学理念,转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学理念;将再现式教学转变为探究式教学,为每一位学生的思考、探索、发现和创新提供了开放的空间,激发了学生的学习兴趣,提高了学生学习的积极性和主动性,使课堂教学过程充满了民主、个性和人性,活跃课堂气氛,大大改善了教学效果。
  三、结论
  “任务驱动”教学法改变了传统的以教定学的被动教学模式,创造了以学定教、学生主动参与、自主协作、探索创新的新型学习模式。通过实践发现“任务驱动”教学法有利于激发学生的学习兴趣,培养学生分析问题、解决问题的能力,提高学生自主学习及与他人协作的能力,推动了《自动控制原理》的教学改革,提高了课堂教学的质量和效果。
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