自动控制原理对于高职高专学生来说,因为许多数学公式的抽象性往往成为他们的学习障碍。我们在设计教学方法时,按照“淡化计算,注重应用”的原则,力求找准高职学生的思维节奏,多角度全方位的建立自动控制原理的思维模式。
一、在理论教学中,以增加学生可接受度为目标,改革传统的讲授方法,比较典型的方法有:1、感性化的基本概念。在介绍基本概念时,均不以严格“定义”的形式出现,而是通过实际控制系统直观感性的描述,辅以各种背景材料,顺势引入,减少基本概念的抽象感。例如:在讲述“稳定性分类”概念的时候,以圆锥体锥尖向上、锥尖向下、锥尖向右摆放,顺势引入稳定、不稳定、临界稳定概念。2、抽象基本原理的形象化描述。尊重学生的习惯性和情理性思维,对基本原理注重用形象生动、通俗易懂的语言去演绎。例如:在讲解“PID校正”微分作用时我们用“根据偏差的变化趋势进行调节,把偏差消除在萌芽状态”这种通俗易懂的语言去描述。3、典型案例层次讲学。对于基本概念,基本原理等内容,注重从典型的工程案例中引出,结合实验和任课教师自己的科研项目、参赛项目讲解内容,向学生提供解决实际问题的方法,逐步地建立模型、落实算法,引导学生思考得出相关的结论,让学生有一种“水到渠成”之感,这样一方面使学生加深对理论知识的理解,另一方面使学生获得了解决问题的思维途径。例如:在讲述劳斯稳定判据、胡尔维兹稳定判据时,我们结合自己的最新研究的基于控制理论的主动队列RED稳态分析,首先将希望队列长度和扰动作为系统地共同输入,瞬时队列作为系统输出,构建了单位反馈RED主动队列控制系统的数学模型;然后基于该系统模型的特征方程,依据稳定判据计算出系统的稳定条件;最后分析系统结构参数对稳态性能的影响。如此,不仅增加了学生对本课程的兴趣,而且提高了学生实际分析问题和解决问题的能力。
二、引入MATLAB语言,对于繁琐的公式和数学推导,采用简单易学的MATLAB语言进行编程,使自动控制原理中的一些数学推导化繁为简,让学生感到自动控制原理这门课程简单易学。例如:在讲解二阶和高阶系统瞬态响应性能这一章节内容时,我们利用MATLAB语言编程,仿真出高阶系统及其等效简化系统的响应性能曲线,让学生比较两种响应曲线,非常容易判断等效是否有效,起到事半功倍的教学效果。
三、实践教学方法的改革。我们自主研发具有先进水平的自动控制原理课程的虚拟实验仪器,建立了专用实验室和开放实验室,全天候面向学生开放,有专职实验室教师进行指导,实验装置采用挂件组合结构,配备了足够多的实验元器件设备,学生可以根据不同的实验目的选用不同的控制系统进行自由组合,并通过实验加以验证。例如我校学生在连续两届参加全国大学生电子设计大赛中,参赛的滴流瓶自动控制系统(用于改变点滴速度,并带有通讯和显示)和恒流源自动控制装置就是在这个开放实验室设计制作完成的,并且均获国家一等奖。如此的开放实验既激发了学生自主学习的积极性,又培养了学生的实践能力和创新能力。
四、教学手段的更新。该课程在教学实践中实现了从传统教学到大屏幕投影配合教学再到网络辅助教学的转变。课堂教学中应用多媒体课件,并且提高多媒体的教学效果,在多媒体教室上课,往往学生的注意力被大屏幕吸引,但我们注意与学生的沟通,适时让学生的注意力从大屏幕转向教师,通过提问或适当的板书引起同学的思考和讨论,并给同学留出记笔记的时间。对于逻辑推导、证明等需要学生在过程中思考的内容我们采用“计算机+大屏幕投影”与“粉笔+黑板”复合教学模式,而对于一些在黑板上难以表现的内容,我们采用多媒体技术进行动态演示。建立了自动控制原理网站,网上有本课程的全部资料,包括授课教案、习题指导、疑问解答等鼓励学生上网查询。学生未能在课堂上解决的问题,网上都能查阅到。对于一些有意深入思考的优秀学生,通过网上互动论坛,更是受益非浅。把“学生把课堂搬回宿舍,教师把课堂搬回家庭”的教学模式作为课堂教学的补充。
五、充分应用启发式教学来调动学生课堂教学的参与性。由于自动控制原理课程的理论性和抽象性,我们在教学中充分发挥学生的主观能动性,让学生自觉地获取知识,适当采用提问回答法,讨论法等启发式教学方法,提高学生的参与意识,调动学生学习积极性,激发学生的求知欲望,给学生思考、联想、创新的启迪。例如在引入传递函数这个概念时,我们先总结上一讲建立系统微分方程模型的方法,提问:对于一阶微分方程求解是比较容易的,然而如果系统模型是高阶微分方程,那么它的求解就比较困难,再提问:有什么方法把微分方程变成代数方程(答案是拉氏变换),再提问:控制系统与控制元件有什么关系(答案是控制系统是由许多控制元件有机组成的),陈述:把每一个元件的输出变量的拉氏变换与输入变量拉氏变换之比得到的表达式,按照信号的传递方向依次相联,即可得到有关系统输出变量拉氏变换与输入变量拉氏变换之比的函数。给出传递函数定义:在零初始条件下,线性定常系统(或环节)输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变量式之比,再提问:从这个定义中能读出什么信息(答案是1、线性定常系统;2、零初始条件;3、输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比)。如此一步一步地把学生引向活跃思维的境地,从而取得优秀的课堂教学效果。
六、突出重点,重视难点。教学实践中,对重点内容及重要的基本概念多花点时间来讲解,力求讲透,并且适时宜地加以回顾,以使学生对重点部分经常保持清晰的印象。例如,在讲解系统结构参数对系统稳定性的影响这一章节时,先回顾相关重要概念,如系统稳定性定义、稳定的充要条件、稳定判判据等,从而让学生进一步加深对有关稳定性分析这一章节重要基本概念的理解。对一些难点,注意逻辑性,以一条清晰的思路来引导学生,注重前后知识的连贯性,用前面的知识点为后面难点的化解作铺垫,如课程难点之一:用根轨迹法设计系统,其难点在于系统零、极点在s平面分布对系统输出响应的影响和根轨迹的准确画法。为解决这一问题,我们在前面章节讨论一、二阶系统的时域分析时就引出极点在s平面的分布对系统性能指标的影响,这给用极点配置设计系统打下了一定的基础。其次在根轨迹这一章里也特别强调零、极点在s平面的分布对系统响应的影响,最后可以用MATLAB画出准确的根轨迹,这样就可以用根轨迹方法设计系统了。
七、在教学实践中适当应用“双语教学”。一方面采用部分英语课件,提供给学生本课程的外语参考文献,另一方面在课堂上适时引用该课程的英语关键词。这样既提高了学生的外语水平,又提高了学生的学习兴趣。
八、对于作业和考试我们也采取了改革措施。每堂理论课均有作业,每次实验不仅要有实验数据结果而且要有实验过程提交作业,课程设计均以实物提交作业,实物以外的作业均以电子文档在网上提交。每次作业均有成绩记载,作为课程考核的成绩依据之一(理论作业占20%)。由于这门课的数学公式比较多,高职高专学生对于大量的数学公式总是心有余悸,为此我们在考试之前发动学生投票评选出最不容易记忆的5~10个公式,把评选出的公式印在试卷上供学生查用。学生有了这个发言权,学习热情提高了。评选之前就必须对学过的公式与相关的知识进行梳理和比对,起到了复习巩固的作用,同时减少了死记硬背的成分,取得了较好的效果。实验成绩考核办法实验成绩按实验学时所占课程总学时的比例,目前为20分。每次的实验成绩由3部分组成:1. 实验准备与实验数据测取实物部分占40%,由实验室教师给出; 2. 实验结果分析及思考题回答占40%,由授课教师给出; 3. 实验报告占20%,由实验室教师给出。 最终的实验成绩为各次实验成绩的平均值
九、注重学习能力培养,交给学生“点金术”。我们总结了自动控制原理这门课程的学习方法,并且印发给学生让学生在学习过程中体验。
自动控制原理是一门理论性较强的课程。作为电气信息类各专业的学科基础课,它既是基础课程向专业课程的深入,又是专业课程的理论基础,是新知识的增长点。在该课程的学习中必须注意以下要领和环节:
? (1)抓住重点——掌握基本概念
《自动控制原理》引入了一系列互相关联的基本概念,如稳定性、准确性、快速性,输入与输出,动态与稳态,反馈与前馈等,这些基本概念形成了本课程的知识要点,是学习理解的重点。要掌握好基本概念,首先应该从实践案例中的这些抽象概念的建立过程加深对其理解,建立概念与其反映事物间的联系,搞清概念与相关概念之间的联系和区别,然后再到实验实训应用中加深对其的认识。
(2)认真思考——提高抽象思维能力
《自动控制原理》的理论性较强,抽象程度较高。因此,要充分了解抽象的基础,认真掌握有关的概念,在实际应用中反复体会抽象概念的意义,如控制系统中反馈的实质,控制的基本方法等,在学习中不断提高抽象思维能力。
(3)抓住主线——建立不同方法间的联系
稳定性、准确性、快速性是对控制系统的基本要求,也是系统性能的重要指标。稳、准、快贯穿了时域分析、根轨迹分析和频域分析方法的始终,也是系统综合设计要满足的性能要求。在本课程的学习中,以稳、准、快为主线,建立各种系统分析与设计方法之间的联系,有助于对课程内容的理解和掌握。
(4)提高综合分析能力
《自动控制原理》既是专业基础理论课程,又是一门科学方法论。研究的内容既有一定的复杂性,又有一定的普遍性。因此,在学习中不仅要掌握教材中的结论,更要掌握其中体现出来的研究方法,培养系统的观念,提高综合分析问题的能力。
(5)学会自学——培养阅读能力
要善于在学习中提出问题,解决问题,学会探究式学习方法,广阅参考书,拓宽视野,从更多控制系统的实例分析中,提高分析问题和解决问题的能力。
(6)重视掌握实验技术
实验是人们认识客观世界的最重要的手段之一。认真做好实验,掌握实验技能,不仅有助于学好本课程,而且可以培养科学思维的能力和动手能力,养成良好的科学习惯。因此,在学好本课程的同时还要认真完成实验,做到先预习后实验,细致准确地观察实验过程,正确掌握各项实验技术。
(7)注重理论和实践相结合
反馈的现象比比皆是,反馈也是控制的精髓。在本课程的学习中,结合生产、生活实际,观察反馈系统的构成,将有利于对反馈的深入理解和认识,并自觉地将反馈理论应用到各种实际系统中去,学以致用。