自动控制原理教学应用改革探析

作者:未知

  摘    要:新时期,科技发展与社会进步给传统学科课堂教学带来了新的问题。为了促进学校双一流学科建设,本文以“自动控制原理”课程为教学研究与实践对象,探析了现有教学存在的问题,引入模型化教学思维、主动学习促进策略、集成化项目工程教育教学理念,从课程内容、习题教学、理论实操等方面提出优化自动控制原理教学的策略。旨在通过教学改革引导学生深入领会课程的知识结构,改善本科教学中常见的基础知识掌握不牢现象,进一步提升学生运用自动控制理论解决实际工程问题的能力。
  关键词:工程应用学科;教学改革;自动控制原理
  中图分类号:G642.0          文献标识码:A          文章编号:1002-4107(2019)12-0012-03
   随着智能科技的广泛普及和快速发展,传统学科教学迎来了新的挑战,也因此诞生了新的标准和要求,教学手段也向多样化发展。同时,现代社会对学生的要求不仅满足于熟知理论,还迫切要求学生能够将课程原理与生产生活中的实际问题联系起来,具有分析设计能力和工程实践能力。为推进我国工业现代化,自动控制原理因其课程理论的普适性及重要性,已被列入自动化、电气专业、机电专业等本科工程专业的必修基础课程[1]。
   近些年来,虽然学生综合素质不断提高,但学风浮躁、课程钻研精神不足等群体现象导致学业整体水平下降。为更好促进双一流学科建设,“自动控制原理”课程中原有的教学体系、课程内容等方面需要进行优化改革。因此,为让本科生教育能够紧随时代发展潮流,本文结合国内高校现有的教学条件,联系教学实际探析工程基础学科教学的改革之道。
   一、“自动控制原理”教学现状
   “自动控制原理”课程以复变函数与积分函数为基础,要求学生全面掌握控制系统组成原理以及系统分析。学生在课堂中普遍反映课程内容难以掌握,经过调查,发现教学体系中存在以下问题需要改进。
   第一,学生数学基础较为薄弱。“自动控制原理”课程由于开课次序及学时设定等原因,使得学生在学习过程中出现知识遗忘或先修课程掌握不透彻等现象,导致数学基础薄弱,不能深入理解相关时域、频域的知识。例如在课堂上推导控制系统的数学模型相关内容,学生需要理解大量的公式推导。再加上该部分趣味性不足等原因,基础较差的学生在面对不熟悉的知识点时就会出现跟不上学习进度的情况。在课程初期听不懂,学生就会丧失对课程的兴趣,并在大脑中将其错误定位为纯理论性学科,导致对课程实用性认知模糊不清,直接影响到后续教学和学习效果[2]。
   第二,教学效果反馈滞后。本科教学知识和内容逐年增加,以及教学时长进一步压缩,两方面因素造成教师难以及时得到学生对知识理解程度的真实反馈。现有教学体系往往通过随堂练习、课堂提问讨论、课后习题等方式来了解学生学习情况,经过调查,课堂效果并不理想。课外教学效果的巩固应当以习题作为媒介,但现有的“课堂讲解原理—典型例题讲解—布置课后习题”这一教学模型尚有改进的余地,面对习题计算量大、控制理论分析方法多、各章节内容相互联系的现状,学生并不能及时掌握课堂教学内容,课后并不积极进行课程内容复习与解疑。学生对先修课程内容理解不透彻,从而导致不能够掌握该种问题模型的分析方法,导致教师不能及时学生对重难点内容的反馈。
   第三,课程教学内容缺乏整体观念。如今高校应试教育氛围浓厚,学生在学习过程中往往流于对方法论的学习,忽略了对该门课程内容整体观念的理解。从历史角度来看,自动控制原理具有深厚的历史积淀,目前公认的第一篇理论论文,即1863年J.C.Maxwell发表的“论调节器”,其距今已有两三百年。因此自动控制原理是前人在遇到难以解决的控制系统问题基础上,经过不同时代对社会生产需求的历练,逐步完善的经典控制理论。当今教育环境衡量教学成果看重应试成绩,学生以取得高分为目标,这就导致教师的教学重点向单纯讲述解题方法倾斜,忽略了自动控制原理是一套体系化理论。
   第四,与 “倡导工业化与信息化结合”的时代政策联系不紧密。课程体系规划伊始,计算机尚未普及,信息工业化技术远没有现在发达。随着学生学习方式和设备的多样化,知识可承载媒介更丰富,实现多种角度教授和学习知识的条件比以往更加充裕。授课内容不再仅仅停留于纸笔,控制系统的数学模型及其分析方法已经可以通过多媒体设备,利用MATLAB等平台进行仿真,并且复杂性较低,学生更容易理解。在信息化高速普及的今天,现有教学体系还未涉及到学生可以通过编程实现工业场景的建模与数学模型的仿真。这一方面的教学有益于学生个人能力的培养,应该早日同“工业化与信息化结合”的国家政策紧密结合起来。
   第五,课程实践仅仅依附于单门课程。2016年6月2日,中国加入《华盛顿协议》,同年明确了本科工程教育的基本定位是培养学生解决复杂工程问题。所谓复杂工程问题,是指具有较高的综合性,包含多个相关的子问题且涉及多方面技术、工程和其他因素的综合性问题[3]。自动控制理论课程与众多学科相互联系,同时自动控制理论应用于不同的就业及专业背景,能够结合电子电路和通信、设备设计等多方面内容进行实践。学生通过运用控制数学模型能够解决大量工程实际中的问题,大大提升了解决复杂工程问题的能力。而现有的相关实践教学仅仅涉及单门课程的原理性实践,没有结合多门课程,并且课程实践的“碎片化”严重阻碍了学生解决问题能力的培养[4]。
   二、教学优化的指导思想
   课程教學改革中的常见措施是积极把教育领域的主流与前沿思想融入到教学实践中来,结合教学中出现的问题对现有授课体系进行优化改进。通过分析近年来教学改革目标相关文献研究,综合多项教改经验,在先进的教学思想基础上,探讨教改应用手段方向。    (一)运用模型化教学思维
   模型化思维是指从科学认识的角度出发,将知识内容进行抽象、简化和纯化[5],建构出能反映原型本质关系的模型。这种高度抽象化的模型能够将自动控制原理中的细枝末节联系起来,有助于学生构建知识体系,更加深入地理解控制理论的本质。在教学过程中,经验丰富的教师能够自觉或不自觉地引导学生从复杂的知识架构中抽取出数学精髓,并构建出理论框架体系[6],同时用浅显的数学知识辅助学生理解复杂的时域、频域分析方法,避开需要深厚数学功底才能够理解的推导过程。模型化思维在目前“自动控制原理”课程教学中有所应用但不够系统科学化。
   模型化教学思维不仅要引入到课堂中,还要求能够与现有教学体系紧密结合。对此,钟媚[7]等学者从哲学科学理论产生本质出发,将教学过程与模型建构与修正联系起来,引导学生在实践过程中建立学科知识的数学模型。付伟[8]等提出将理论、实验、素质拓展等教学节点分别建立教学模型,在强调专业知识教学同时也兼顾个人兴趣及工程应用发展方向,因材施教并循序渐进地培养学生的专业素养。这些研究启发本门课程在进行实践教学时,汲取经验丰富教师的授课方式,从宏观上全面构筑好学生的理论体系,并在实践中对理论知识体系进行完善,逐步、分层次的以多重指标来让学生掌握统化的课程知识结构和内容。
   (二)实施主动学习促进策略
   随着网络的普及和学生对传统科学理论重视程度的淡化,使用线上与线下、理论与实际结合的主动式学习策略开始被高校教学所接纳。主动学习、合作学习、探究学习已经广泛应用在社会、人文等学科的教学上,但是在工程学科中的应用尚不常见。工程学科由于课程内容指向性明显、主动学习效果不能得到保证等方面原因,仍然需要沿用传统的教学方式。随着学生获取知识渠道越来越多元化,传统的知识单向流动式教学逐渐显现出局限性,学生的学习兴趣和主动学习的想法也越来越淡。以学生为本,促进学生面向未来工程需求的主动学习势在必行。
   清华大学电机系尝试将主动学习促进策略引入到传统学科“电路原理”的教学模式中[9],配合互联网资源,引导学生在课下主动学习,教师在课堂上进行答疑解惑、引导学生讨论。这种学习模式可以自由穿插在授课过程中,教师也可以根据课程需要灵活运用。“自动控制原理”课程特征与电路原理类似,因此可以仿照清华大学将该思维引入到学科教学中。引入过程中需要根据实际情况,在课堂上对学生进行引导。课堂的时间以教师为主,但可以在讲授理论的同时活用多媒体教学。通过进行实例仿真演示,运用计算机软件如MATLAB、AMESIM进行辅助教学等方法,将信息化技术与经典理论结合起来,形象生动地展示不同数学模型下的仿真求解过程。在课程授课难点上,教师可将课堂内容交还学生主动学习,将重心放在上课指导从而加深学生理解。
   (三)加强集成化项目工程教育
   工科知识来源于工程。近年来,“让工程教育回归工程”的理念从麻省理工学院被迅速引进国内。1996年,国家教委组团考察美国工程教育后,撰文阐释其核心内涵为:加强工程能力的培养,将过去过分重视工程学科转变到更多重视工程系统及其应用背景上,并强调使用“集成”的思想促进课程实践向综合化、整体化方向发展。工程实践对培养应用型人才的重要性无需赘述,现有教学方法在提出工程问题后直接讲授答案,学生无法培养探索与主动解决工程问题的能力。为解决这个问题,利用整合多门学科的项目进行集成化工程项目教学,是我们强化学生应用创新能力的必由之路。
   在项目教学方法中,刘云龙等提出将自动控制原理与现代控制理论进行整合,在教学内容之外,相应地设置项目实施环节来培养学生的实践能力。经过整合课程设计在锻炼学生的同时,实施过程与教学评价系统也更为合理科学。在实际应用中,自动控制原理还可以与智能控制理论、机械设计、电子电路、通信等学科进行综合,依据真实性、综合性、探究性原则开展基于不同专业的集成化工程项目教学,使学生在实施项目过程中,能够掌握根据需求搜集所需知识并进行知识体系集成与建构的能力。
   三、优化教学的实施策略
   授课体系的优化主要依据学生反馈教学情况,对授课体系进行优化。在顺应社会发展对应用型人才需求变化的前提下,继承学校历年来优秀的教改成果和经验,融合本科生教育领域优秀的思想。借此达到提升学生课堂兴趣、引导学生充分利用教材、构建学生知识应用体系的效果。从而进一步丰富和完善现有教学体系,培养出应用型人才解决复杂工程问题的能力。
   (一)使用习题模型进行反馈式教学
   习题是理论的实际应用,为抽象出的数学模型。反馈体系有助于教师及时掌握学生学习情况,并根据反馈来增加教学内容来更好地辅助学生理解课堂内容。建立在数学基础上的学科离不开计算实践,只有积极进行计算才可以更深刻理解并运用知识点。现有的教学反馈信息获取具有滞后性,因此可以利用超前补偿的思想对现有的习题反馈体系进行扩展,倡导学生在课堂教学前完成教材例题进行知识点预习,在课堂上在进行针对性的讲解,下节课堂开课前,巩固该课堂例题。在“发现课程问题—课程中理解问题—完整理解知识点—螺旋式巩固例题”这种教学模式中,使学生在课堂上有针对性的听讲,提高了课堂效率。
   (二)利用计算机调动主动学习热情
   利用计算机资源主动学习。一方面指利用MOOC平台、爱课程等教育平台巩固课堂教学,另一方面指利用软件平台进行仿真实验。学生可以在课后自学课程教材中的选学章节,尝试将信息化、工业化与课程原理结合,把计算机辅助设计融合到自动控制理论中,也可以将MATLAB作为辅助教学软件推广开来。达到能够根据教材具体实例,并结合电气、热能工程、自动化等专业电力背景,利用软件解决自动控制原理范围问题的目标。
   (三)组织实践项目培养综合能力
   科研项目是丰富的教学资源。教师在授课时可以适当穿插控制系统项目,带领学生观看项目视频或实际演练。项目实操部分包括使用计算机来仿真基础的控制系统模型,如倒立摆、运动控制系統等实际应用模型。当学生具备基础的工程应用能力后,通过参加大学生控制系统方面的创新创业实践活动等方式,以比赛项目带动学生在应用中自己构架自控应用知识体系,培养自动控制原理与相关学科结合的思想,提升利用反馈、控制系统等知识解决实际问题的能力。    综上所述,在建设双一流学科中,“自动控制原理”课程要将“模块教学+主动学习+集成项目”引入现在的教学体系中,改革构建出新的教学体系。自动控制理论作为基础学科,教师在把握社会动向的同时,将传统的理论知识与社会应用实际接轨,在教学中协助学生建构坚实、深厚的知識基础。要求教师在沿用优秀的传统教学体系的同时,务必结合国家对本科生人才的新标准、新要求,只有这样才能够培养出专业素质过硬的工程人才。与此同时,教学体系必须及时将现代化科技应用于教学课程,这样才能够引导学生主动学习、主动应用,让学生能够通过多种媒介更加深入地理解控制理论的本质。教师应当充分发挥项目经验丰富的优势,把课程讲解与强化理论联系实际,同步注重学生的编程能力,由此不仅能培养学生的综合学科知识能力,更能够培养解决实际问题能力。
  参考文献:
  [1]徐颖秦,潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与    实践[J].电力系统及其自动化学报,2012,(2).
  [2]沈国江,杨曦,王万良.基于“问题导向”的课程教学改革    ——以计算机专业《自动控制原理》课程为例[J].浙江    工业大学学报:社会科学版,2014,(2).
  [3]蒋宗礼.本科工程教育:聚焦学生解决复杂工程问题能力    的培养[J].中国大学教学,2016,(11).
  [4]沙鑫美.应用技术型大学学科专业建设的三个基本问题    [J].中国大学教学,2016,(12).
  [5]周瑞平,易光明.模型方法——现代科学研究的重要手段    [J].武汉交通科技大学学报:社会科学版,2000,(3).
  [6]付伟,冯佐海,康志强,等.基于模型教学思维的大学专业    课程教学研究[J].中国大学教学,2018,(4).
  [7][8]钟媚,苏咏梅.模型建构式探究:科学教学改革的新    路向[J].外国教育研究,2012,(10).
  [9]朱桂萍,于歆杰.基于翻转课堂的主动学习促进策略[J].    中国大学教学,2018,(5).
  收稿日期:2019-04-20
  作者简介:孙建平(1962—),男,山东牟平人,华北电力大学控制与计算机学院自动化系教授,主要从事自动控制原理
  教学、故障诊断等研究。
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