自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践

徐颖秦，潘 丰

（轻工过程先进控制教育部重点实验室，江南大学物联网工程学院，无锡214122）

“自动控制原理”是自动化及相关专业的主要基础课。该课程不仅对工程技术有较强的指导作用，对培养学生辩证思维能力、综合分析和解决问题的能力、建立理论联系实际和团队协作的科学观点都具有重要的指导作用，现已成为江南大学十多个专业层次普遍开设的专业基础课［1］。

为适应不同层次和复合型人才的培养以及现代化教学的需求，总结多年来的教学改革经验和成果，尤其是进入新世纪以来的不断探索，在优化课程体系、创新教学方法和教学平台、创建多功能教材等方面均取得了显著的成果，形成了自己的课程特色和教学理念，逐步创立了自动控制原理立体化教学新体系，其组成见图1所示。

图1 立体化教学体系Fig.1 Sstereo teaching system

1 多层次课程体系

1.1 课程体系的设计

根据培养不同层次人才的需求，对于不同层次的专业方向，设计了不同层次的课程体系，如表1所示，以优化教学内容，优选适用教材，提高教学质量。

如对控制理论要求较强的自动化和电气工程及其自动化专业，要扎实而细致地学完自动控制理论的全部内容，选用本校课题组主编的精品教材《自动控制原理》，该教材具有前瞻性、系统性和理论性强。

对侧重于信号处理的电子信息工程和通信工程专业，则注重学习控制系统的信号分析和处理方法，选用黄坚教授主编的国家“十五”教学研究成果教材《自动控制原理及其应用》。

对于机械类专业，在学习基本分析方法的同时，注重控制理论在机械系统中的应用，选用浙江大学邹伯敏教授主编的国家级“十一五”规划教材《自动控制理论》，其特点是注重“三基（基本概念、基本理论和基本方法）”，工程应用性较强。

对于全校工科公选的学生，采用课题组自编的《控制工程基础》，注重于控制论思想和方法的学习。这样，虽然是同一门课，但对不同的专业灵活采用不同的课程体系，达到了培养各类不同层次人才的真正目的。

表1 多层次课程体系Tab.1 Multi－level curriculum system

1.2 课程内容的优化

课程内容的优化设置，是课程教学的关键。课程体系中，对于不同的专业方向，根据其特点和要求，分别进行了不同侧重点的内容安排。如对于自动化和电气工程及其自动化专业，《自动控制原理》课程内容组织如图2所示。

在讲授时，除每一块基本内容外，重点还结合习题精解、物理实体（实验室直流电机调速系统和双容水箱的温度、流量、压力等控制）和教师自己的科研项目，进行实际演练，使学生能够真正掌握本课程的实质和应用。

图2 自动控制原理教学内容的组织Fig.2 Teaching contents organization of automatic control principle

2 全方位教材体系

教材是体现教学内容和教学方法的知识载体，是深化教学改革、培养创新人才的重要保证［2］。江南大学一直注重教材建设，先后编写过多本自动控制原理教材。进入新世纪后，除不断改革传统教材，编写能反映学科发展前沿的精品教材，同时为便于学生自学、复习和考研，还组织编写了《自动控制原理学习辅导与习题解答》、习题集及解答，与教育资源网联合开发了教学软件“自动控制原理试题库和考试管理软件”等，初步形成了全方位的教材体系。其组成如图3所示。为教与学提供了帮助、拓宽了思路。

图3 全方位教材体系Fig.3 All－round teaching material system

3 多元化教学方法

为适应不同专业的特点，做到以学生为本，加强能力培养，教学体系中对十个不同专业分别设计了灵活多样的教学方法，如重启发的探究式教学、重基础的专题式教学、重应用的合作式教学等。

探究式教学是基于反馈控制的基本思想设计的，主要用于自动化和电气工程及其自动化专业。其特点是师生双方共同参与的一种“双主式”教学，注重过程和能力培养。方法是在教师的启发引导下，以学生独立思考和合作讨论为主，在“发现提出问题 －思考分析问题 －初步解决问题 －反馈解决情况 －完整解决问题”的闭环探究过程中，通过师生之间的合作与互动，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观念等方面培养与提高学生的科学兴趣和主动探究能力。对应的结构及流程如图4所示。

图4 探究式教学法结构和流程框图Fig.4 Structure and processes of inquiry teaching method

专题式教学［3］是基于自动控制原理课程的自身特点，针对学时较少的弱电类专业而采用的。其特点是教学基本内容以教材为主，但不拘泥于课本，是一种讲座式教学。将课程内容糅合编制成几个专题，每个专题包括：一个或几个核心内容（观点）→目前国内外发展及研究热点（包括对本学科有重要贡献代表人物的典型故事）→在实践中的应用→提出需思考的问题和学习奋斗的目标。如对“自动控制原理”的教学，可分成自动控制原理概论、控制系统数学模型、控制系统分析方法、控制系统综合方法、控制与自动化展望等五个专题进行。在教学时注重每个专题的完整性和各专题之间的紧密联系，使整个课程内容紧密衔接，增强了控制理论的系统性。

合作式教学主要是用于不同专业而坐在同一课堂的公共选修性课程。其特点是教师能灵活掌握教学内容，紧紧抓住学生心理，针对不同专业学生对同一问题的不同理解，解析自动控制理论的基本含义和在不同专业中的应用，使学生能从不同的专业角度理解和掌握自动控制系统中所存在的共同规律，并学会用控制理论的思想解决工程中的实际问题。

4 多功能教学平台

教学和学习软环境的建设是提高教学质量的必要保证，是建立现代教学模式的前提和基础，是传统教学的有益补充。

随着信息化技术的不断发展，多功能网络教学平台的建设不但是课程建设的核心内容之一，而且在正常的教学中已必不可少。江南大学《自动控制原理》交互式网络教学平台以图文并茂的形式提供了丰富动感的教学信息，形成了一个集教学、学习、答疑、讨论、实验、设计、研究、考研辅导、信息交流等于一体的网络化教学平台，实现了教育资源共享，形象地反映了专业知识模块的结构，拓宽了学生的思维空间，充分显示现代教育技术的优越性。调查证明，将板书、多媒体课件及网络教学相结合，会使得抽象的理论学习变得形象而生动，教学效果相益得彰。

5 多形式实验模式

实验是“自动控制原理”课程必不可少实践性环节［4］。为突出培养学生实验技能，提高设计能力，开发创新思维，将原来单一的模拟验证性实验模式改革发展为“实验箱模拟实验＋Matlab仿真平台实验＋以实物为对象的研究性实验＋网络在线虚拟实验”等多种形式并存的实验模式。

5.1 实验室实验

实验室实验包括模拟实验、仿真实验、以实物为对象的研究性实验。为扩展实验功能，提高实验的灵活性和有效性，引进了天煌教仪最新设备“THKKL－6控制理论实验仪”。该设备在传统实验的基础上，增设了实物控制单元，配备了独立的数据采集卡和USB2.0接口，直接与计算机相联，上位机软件集中了虚拟示波器、信号发生器、扫描输出、数据存储、LabVIEW直接控制和Matlab仿真等多种功能于一体。基于此，对实验内容进行整合，形成了适用于不同层次的实验模式，包括以电路单元搭建模型的模拟实验，基于Matlab的仿真实验，以温度控制单元、直流电机转速单元和双容水箱等实物为对象的研究性、创新性实验；在响应曲线显示方式上采用虚拟示波器和真实示波器联合使用，可以对虚拟实验和真实实验结果进行对比分析。教学手段采用实验课教学和自主开放教学相结合，形成了时间、空间、内容“三维”开放的自由机制，满足了不同个性、不同水平学生的需求，使他们在实验室体验到研究的乐趣，自觉地开展研究性学习。

5.2 网络虚拟实验

Matlab是一套高性能的数值计算、信号处理和图形显示的可视化软件［5］。在自主开发的基于Matlab／GUI（graphical user interfaces）／simulink工具箱设计的《自动控制原理》虚拟实验平台［6］，使用方便灵活，交互性好。通过点击任务栏中的实验序号，可随时调用该课程的所有实验，了解实验的过程和细节，寻找有关参数的调节范围和规律。通过虚拟平台实验，不但能够避免传统实验的盲目性和可能出现的硬件电路损坏等问题；同时也可用于实际系统的分析、综合与研究开发，使学生对科学研究产生浓厚的探索兴趣，是对传统模拟实验的有益补充。

6 结语

实践证明，通过建立复合型多层次的课程体系、多功能教材体系、多元化的教学方法和软、硬件相结合的全方位教学和实验平台，以及理论与实践相结合、传统与现代相融合、虚拟与现实相补充的教学手段，构建的立体化教学新体系，能够全面提高教学质量，培养学生创新能力，达到教学的真正效果。教学改革是提高教学质量的基石，只有不断探索，不断创新才能达到与时俱进，才能使基本教学适应飞速发展的科技和人才需求，才能培养出创新型国家所需要的创新型人才。

［1］ 潘丰，徐颖秦.自动控制原理［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［2］ 周范林（Zhou Fanlin）.浅谈高校精品教材建设（A few words on the construction of exquisite teaching materials of university）［J］.中国大学教学（China U－niversity Teaching），2009，（9）：93－94.

［3］ 徐颖秦（Xu Yingqin）.改革宽口径专业课程教学模式培养适合WTO的复合型人才（Reform broad caliber specialized curriculum teaching mode and train suitable WTO compound talents）［J］.电气电子教学学报（Journal of Electrical ＆ Electronic Education），2003，25（Auto.Issue）：25－27.

［4］ 周武能，石红瑞（Zhou Wuneng，Shi Hongrui）.自动控制原理教学改革与实践（Teaching innovation and practice for course of Automatic Control Principle）［J］.教学研究（Research in Teaching），2010，33（1）：63－66.

［5］ 宗晓萍，王霞，唐予军（Zong Xiaoping，Wang Xia，Tang Yujun）.基于 MATLAB的"自动控制原理"CAI教学设计（CAI designs for"automatic control theory"under MATLAB environment）［J］.中国教育技术装备（China Educational Technique ＆ Equipment），2009，183（30）：130－132.

［6］ 王焕然，徐颖秦（Wang Huanran，Xu Yingqin）.自动控制原理虚拟实验平台的设计与开发（Designing and development of virtual laboratory ppatform for principle of automatic control course）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（4）：157－160.