新时代背景下“自动控制理论”教育方法的探讨
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作者:刘栋博 房玉 黄永茂 郭奕 王维博 王海滨
摘 要 目前社会处在技术飞速发展的新时代，“自动控制理论”作为机电专业、自动化等相关专业的理论基础课程，是一门工程性比较强的专业理论课程。本文针对“自动控制理论”课程在教育教学方面的现状进行思考，从理论教学及学生学习的双重角度探讨新时代下“自动控制理论”课程的教学内容与方法，提高学生在新背景下实践应用所要求的能力及“自动控制理论”课程的教学质量，
关键词 自动控制理论 新背景 教学 方法
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.01.033
On the Educational Method of "Automatic Control Theory" in the New Era
LIU Dongbo， FANG Yu， HUANG Yongmao， GUO Yi， WANG Weibo， WANG Haibin
（School of Electrical Engineering and Electronic Information， Xihua University， Chengdu， Sichuan 610039）
Abstract At present， the society is in a new era of rapid development of technology. "Automatic control theory"， as a theoretical basis course of mechanical and electrical specialty， automation and other related majors， is a professional theoretical course with strong engineering. Based on the current situation of "automatic control theory" course in education and teaching， this paper discusses the teaching content and methods of "automatic control theory" course in the new era from the perspective of theory teaching and students' learning， so as to improve the ability of students' practical application in the new background and the teaching quality of "automatic control theory" course.
Keywords automatic control theory; new background; teaching; methods
“自動控制理论”作为工程背景专业下特别是自动化专业的学生必修的一门专业基础理论课程，在整个专业培养体系中都有着非常重要的意义。随着自动控制技术的迅猛发展及运用，“自动控制理论”课程的不断发展和深入有利于将很多分散的学科问题融合在一起，并运用于同一种问题上，主要是使相关专业的学生对自动控制系统的理论原理能够有基础的认识，掌握解决实际技术问题和控制设计的基本思想，深化学生对控制原理的理解，从而提升学生的专业能力，并为后续的专业课程提供理论基础。
1 教学内容的改革
结合目前“自动控制理论”课程的教学内容，主要是讲解传统控制理论中各种线性系统模型的建立及性能分析的方法。由于自动控制课程属于专业理论基础课，需要围绕系统模型建立及分析进行教学，课程中有着大量的如微分方程、传递函数等数学模型及理论推导，同时也需要学生掌握传统控制理论中根轨迹、伯德图等图形化的分析方法，再学习通过时域及频域进行综合性能的分析及设计。
理论讲解的过程需要研究抽象的传递函数，学生往往很难建立起抽象模型与实际对象之间的概念，对于本课程的教学质量及效率有着很大的影响。从本门课程自动化专业的学生来看，往往缺乏实践教学内容背景下分析原理、解决问题、处理问题的相关能力，因此针对教学内容的优化与更新就非常重要了。
1.1 理论教学内容的更新
学生首先需要从整体上掌握自动控制理论这门课程的主导思想，从这方面考虑，需要对原有理论教学内容进行充实与改革，明确学生需要掌握的内容，重点分析控制系统与控制模型之间的联系，解决问题的思维方式。在学习这种思维方式的基础上，掌握相关的基本原理、方法和概念，并加强教学力度，从而能将本门理论基础课程的思想方法进行发散，充分发挥学生的潜力并提高学生的能力。
1.2 理论与实际结合的内容创新
同时也要结合培养计划，将理论教学内容与实践背景结合的更加紧密。面向实际的专业工程与实际项目的问题，在教学内容中将实际例子与理论教学结合起来讲解，不仅能提高学生全面分析问题，综合设计的能力，更能提高学生对于自己专业课程浓厚的兴趣。新时代背景下自动控制科技发展日新月异，在实际问题的分析与教学当中，更要与时俱进，面向新型的技术问题，结合实际的理论基础，增强学生理解和学习内容的效率，从而提高“自动控制理论”课程的教学质量。结合具体的专业项目背景，突出以学生为中心，通过理论与实践结合的方式，以学生 “学会了什么”，“学好了什么”的具体学习效果为中心。在新工科时代背景下，对于学生的培养模式与内容不断改进，不仅要培养学生学习“自动控制理论”的成果，更要在教学内容上建立一种持续改进的学习机制和培养模式。 两者紧密结合，从而促进本门课程教学内容的改革，对教学内容进行更加科学与灵活地调整安排。
2 教学方式的改革
虽然目前对于学生的教学方式仍是以课堂教学的方式方法为主，但是由于信息化时代的飞速发展，学生获取知识的途径和方法已经不仅仅是来源于课堂的教学，学生可以通过各种网络资源来获取想要的知识。在信息化时代的背景下，如何将学生的注意力吸引到课程教学中来，并提高课堂教学的效率是我们在“自动控制理论”的课程教学中需要解决的重要问题。在新工科时代背景下应将知识能力与工程素质进行有机结合，培养学生解决复杂工程问题和高级思维的能力。随着教学方式方法的进一步深入，为了提高教学质量，设计反应时代技术前沿性的内容，需要对原有的课堂教学方式进行改进。
2.1 课堂教学方式的改进
在课堂教学中，需要由过去的“被动学习”为主的方式转化为“主动学习”为主的教学方式。“被动学习”主要是单纯的讲授专业理论知识，进行示范，学生以视听结合的方式进行被动学习，学习的效率随着时间会逐渐下降。而结合“主动学习”的教学方式，可以通过学生分组讨论，使面向实践问题进行分析，对所学内容进行立即的运用，达到提高课堂教学效率的目的。
2.2 教学演示效果的优化
由于“自动控制理论”课程知识面比较广，理论知识多，技术更新快。在课堂教学过程中，学生对于抽象的理论知识理解起来比较困难，例如在频率响应法这一重点章节中，奈奎斯特图与伯德图的暂态分析、稳定性分析的理论知识往往需要通过抽象的数学知识进行理解。针对这一问题，可以通过软件仿真的方式，进行图形的演示，从而能够使学生有着更加直观的认识，在理论教学的过程中，一遍理论教学，一遍让学生观察演示图，感受调节参数，对于自动控制系统中暂态过程、稳态过程及各种频率分析图形的影响，从而增强了教学方式的灵活性。
2.3 现代教学工具及平臺的运用
将现代化的教学工具运用到“自动控制理论”课程当中，充分调动现代学生的积极性。由于手机已经是生活中必备的一种工具，在现代课程的教学中，可以利用“微信”等平台将学生与老师联系起来，也可以通过诸如“雨课堂”等教学辅助平台帮助互动答疑、作业管理工作。现代化的工具不仅能提高学生的兴趣，更能辅助老师进行更好的课堂教学。
多样化的教学方式方法的转变，能够提高学生对于理论课程的学习兴趣，调动学生学习的积极主动性，加强师生课堂的有效互动，能够帮助学生更加直观的掌握自动控制系统分析和解决问题的方法。
3 教学实验的改革
实验教学作为“自动控制理论”课程中必不可少的环节，主要是培养学生的实践能力，提高学生创新思维及设计能力的重要途径。自动控制理论实验教学着重于培养专业学生的创新思维，启发学生的思想，激励学生对实验实践环节的兴趣以及在实践中的动手能力。需要在保证学生有着基本理论支撑的前提下，建立完善且全面的“自动控制理论”课程实验教学体系，研究提高学生综合能力的实验教学内容。
目前的“自动控制理论”课程中的实验环节主要是针对课程中理论知识的观察及验证，略显薄弱，难以培养学生创新思维及解决实际问题的综合能力。自动控制理论课程的理论性较强，有着大量的抽象问题有待分析和解决，在实验教学中，学生往往只是通过实验指导书的步骤去完成要求的实验内容，这种传统的实验教学方式，往往在很大程度上限制了学生在实践上的创新思维，缺乏主观能动性，束缚了学生的创新能力，学生对于实验的热情及积极性也不高。因此本门课程的实验教学环节的改革也就显得尤为重要了。
为了提高学生的实验主动性及综合实践能力，需要对传统的教学实验内容进行调整。首先需要增加实验的多样性，包含验证型基础实验、研究型实验和综合设计型实验等多个方面的实验内容。在实验过程中，可以让学生尝试同时进行仿真型实验和动手型实验，主要帮助学生去观察巩固所学的理论知识。综合设计型实验可以让学生真正参与其中，培养学生对于实际问题的创新意识，从而提升学生在实际处理过程中解决问题的综合能力。
其次在学生培养方面，也可以通过开展一些适当的设计实验竞赛活动，提高学生实践能力的热情。这样，不仅能够加深学生对理论知识的理解，充分调动学生的积极性，更能提高学生综合的实践创新能力，有效地推动这门课程实验教学质量。
4 结束语
随着新时代背景下自动控制技术的飞速发展，“自动控制理论”课程的教学方法需要更进一步的深入研究。本文主要从课程教学的内容，新教学方式的改进及教学实验的环节进行了积极的探讨，加强专业学生对实际应用综合能力的培养，希望对“自动控制理论”课程的教学质量的提高、复合型专业人才的培养有促进意义。
基金项目：西华大学高等教育研究中心2019年开放课题“云教学与大数据技术在高校课程教学管理中的应用研究（GDJY2019- 020）”;西华大学2017年校级教学团队“信息与通信工程教学团队”建设项目;2018-2020年四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目，“以能力为核心，构建学科融合与多元协同的电子信息类人才培养体系”;教育部产学合作协同育人项目，项目名称：交叉专业的数据科学基础课程资源建设，201802151017、新工科下信息通信专业核心课教学改革研究201801129114
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