肖萍萍，李曉光

(長(zhǎng)春大學(xué)光華學(xué)院信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130117)

“自動(dòng)控制原理”課程主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和方法，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程及從事工程實(shí)際工作有著重要的影響。該課程具有理論性強(qiáng)，概念抽象等特點(diǎn)，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、專業(yè)理論及工程實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，提高教學(xué)質(zhì)量是進(jìn)行課程改革的目的。

認(rèn)知心理學(xué)是以信息加工為核心的心理學(xué)，它吸收了信息論、控制論、系統(tǒng)論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等當(dāng)代最新理論和科技成果的精華，用實(shí)驗(yàn)方法和信息加工觀點(diǎn)研究心理過程［1］。

經(jīng)過幾年的探索，我們從學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)和規(guī)律出發(fā)，建立一套以互動(dòng)—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新為主線的教學(xué)模式，在完成課堂教學(xué)的同時(shí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)工程應(yīng)用型本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

1 形象化教學(xué)手段

1.1 動(dòng)態(tài)教學(xué)能激發(fā)學(xué)生興趣

在本課程的緒論部分，重點(diǎn)介紹自動(dòng)控制在空間技術(shù)、科技、工業(yè)、交通和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。由于學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的概念沒有感性認(rèn)識(shí)，更沒有機(jī)會(huì)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)親身體驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)過程的機(jī)會(huì)。我們?cè)谥v授過程中，以Flash動(dòng)畫、實(shí)物圖以及幻燈片的方式，將一些典型系統(tǒng)，如溫度控制、液位控制和車輛控制等工程實(shí)踐過程以動(dòng)態(tài)的方式展現(xiàn)出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行分析。圖1所示為采用動(dòng)畫方式演示液位控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)手動(dòng)控制(a)和自動(dòng)控制(b)的過程［2］。

圖1 液位控制系統(tǒng)

1.2 強(qiáng)化復(fù)述可加深學(xué)生記憶

根軌跡的繪制方法是本章的重點(diǎn)，它主要包括了根軌跡的起點(diǎn)、終點(diǎn)、分支數(shù)、實(shí)軸上的根軌跡、分離點(diǎn)、匯合點(diǎn)以及漸近線等步驟。我們將繪制步驟的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，采用板書的方式進(jìn)行講解。同時(shí)，按照繪制步驟在課件中設(shè)定動(dòng)畫的順序和效果。在每一步驟完成后，演示出其結(jié)構(gòu)，在最后一頁(yè)幻燈片中將完整的圖形繪制出來(lái)。這樣將較抽象的內(nèi)容形象化，體現(xiàn)教學(xué)思路，可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的掌握。

1.3 利用虛擬仿真提高學(xué)生思維

在講解時(shí)域分析法、頻率法和系統(tǒng)校正等內(nèi)容時(shí)，其手工繪圖精度較低，分析質(zhì)量差。我們引入Matlab/Simulink作為控制系統(tǒng) CAD［3］。在課件中適當(dāng)?shù)夭迦胗蒑atlab編程實(shí)現(xiàn)的各變換域分析結(jié)果，利用虛擬仿真對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，從而使抽象的概念形象化，避免計(jì)算和繪圖的錯(cuò)誤。作為某控制系統(tǒng)的仿真實(shí)例，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入信號(hào)作用下，速度穩(wěn)態(tài)誤差ess≤0.1，開環(huán)截止頻率 ωc≥4.4弧度/秒，相位裕量 γ≥45°，幅值裕量h≥10dB，采用無(wú)源串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正仿真，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)校正前后的Bode圖

2 多種教學(xué)方法

我們研究學(xué)生的認(rèn)知心理和思維特征，結(jié)合本課程的專業(yè)特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)課堂各個(gè)環(huán)節(jié)及其實(shí)施過程的策略，采用了如下多種教學(xué)方法［4］。

(1)預(yù)習(xí)式和關(guān)聯(lián)式相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)條件化。在課堂內(nèi)容進(jìn)行到某一階段，學(xué)生對(duì)要講授的課程內(nèi)容有一定基礎(chǔ)后，通過布置思考題的方式，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)下節(jié)課要講授的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并鼓勵(lì)學(xué)生課后查閱相關(guān)資料和素材，接觸本課程、本學(xué)科的新知識(shí)和新技術(shù)。在授課過程中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容有針對(duì)地補(bǔ)充相應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)和工程背景，有意識(shí)地將學(xué)科的最新進(jìn)展，以及本課程與其他課程的聯(lián)系傳達(dá)給學(xué)生，在開闊學(xué)生的視野的同時(shí)，幫助學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)完備化。

(2)導(dǎo)入式和問題式相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)條件化。根據(jù)課堂的教學(xué)內(nèi)容、特點(diǎn)，注意圍繞教學(xué)重點(diǎn)精心設(shè)計(jì)一些具有啟發(fā)性和指導(dǎo)性的問題穿插到教學(xué)內(nèi)容中，強(qiáng)化其焦點(diǎn)注意，有利于學(xué)生選擇引入的信息。例如在講解線性系統(tǒng)離散分析時(shí)，由于學(xué)生已經(jīng)掌握時(shí)域分析和頻域分析的方法，教師可以將時(shí)域和頻域的分析方法進(jìn)行比較總結(jié)作為引子，激發(fā)學(xué)生已有的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)與其使用條件結(jié)合起來(lái)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生自己考慮在什么條件下使用離散分析。教師提出離散系統(tǒng)分析的重點(diǎn)，以問題的方式啟發(fā)學(xué)生自學(xué)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

(3)研究性學(xué)習(xí)和自我展示相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)化。我們發(fā)現(xiàn)通過書面作業(yè)和口頭回答問題的形式，很難了解學(xué)生認(rèn)知過程中存在的問題。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們將每班學(xué)生分成幾個(gè)小組，由教師預(yù)先將不同設(shè)計(jì)目標(biāo)分配給每組協(xié)作完成。組內(nèi)學(xué)生根據(jù)分工認(rèn)真查閱相關(guān)資料和素材，讓他們自己進(jìn)行思考和研究并為其自我展示創(chuàng)造機(jī)會(huì)。例如，在課堂討論時(shí)，由每組派一名學(xué)生上講臺(tái)介紹設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法，其他學(xué)生和教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)［5］。通過學(xué)生設(shè)計(jì)思路的講解，對(duì)師生的思路差異進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生從認(rèn)知結(jié)構(gòu)中尋找缺陷，改善本組設(shè)計(jì)中的不足，拓寬設(shè)計(jì)思路。

以上三種教學(xué)方法彼此之間相互關(guān)聯(lián)且相互滲透。針對(duì)不同教學(xué)內(nèi)容，可以使用不同的教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

為了適應(yīng)素質(zhì)教育對(duì)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的需求，獲得良好的教學(xué)效果，我們結(jié)合學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)方法和教學(xué)環(huán)節(jié)等方面做了一些改革的嘗試。我們將教學(xué)內(nèi)容以圖形和聲音等現(xiàn)代教育技術(shù)手段表現(xiàn)出來(lái)，有機(jī)地將本課程連接成一個(gè)整體，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量。

［1］ 王志堅(jiān)，認(rèn)知心理學(xué)的學(xué)習(xí)理論對(duì)課堂教學(xué)的啟示［J］.北京:中國(guó)教育學(xué)刊，1997，第02期

［2］ 劉大年，史旺旺，孫貴根，吳桂峰，“數(shù)字信號(hào)處理”課程的形象化教學(xué)方法探索［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(4)，104-111

［3］ 岳舟，羅良才，曹鋒等，“自動(dòng)控制原理”教學(xué)改革的研究與探索［J］.合肥:電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，Vol:6(20)，5537-5538

［4］ 張學(xué)敏，“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革實(shí)踐［J］.北京:中國(guó)電力教育，2009(2)，140-141

［5］ 金鑫，謝昭莉，盛朝強(qiáng)等，“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新與實(shí)踐［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009.31