基于角色互换的自动控制原理五步教学法
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.04.036
Five-step Teaching Method of Automatic Control Based on Role Exchange
LIU Yumin， SHAO Keyong， LI Yanhui， HUO Fengcai
（School of Electrical Engineering & Information， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318）
Abstract The principle of automatic control is a professional basic course of engineering is very general， theoretical and practical， abstract concept， interdisciplinary knowledge， basic mathematics requirements， make students learn with a certain degree of difficulty. In view of this problem， this paper analyzes the students' psychology， and swaps the traditional "teaching" and "learning" roles， and adopts the five-step teaching mode of "talk， demonstration， practice， reflection and summary". Compared with the traditional teaching model， the model can stimulate the students' learning motivation and active participation. In higher education， we should actively try to explore， in order to achieve better teaching effect， training to adapt to society， the needs of the times of comprehensive talents.
Keywords： principle of automatic control； role changing； five-step teaching
“自?涌刂圃?理”是一门理论性、工程性、综合性和实践性都很强的一门课程。它是自动化专业非常重要的一门专业基础课程。随着自动控制技术在国民各领域的应用及发展，机械电子、化工设备、能动等诸多专业也逐渐将自动控制原理作为一门非常重要的专业课来讲授。对于课程本身来说，首先理论性相当强，学生需要有良好的理论功底――尤其是数学功底才能学会理论知识，其次要想将理论联系到现实生产和实践，只能通过大量的实验和工程实践，否则所有的理论都将是纸上谈兵。那么作为课程教学的重中之重，就是教师该如何安排和讲好这门课程。
1 了解大学生学习状态
学生是教学工作的唯一对象。作为教师，了解学生的学习心理和学习状态是合理安排教学活动的前提条件。当前的大学生几乎都是90后，而且都是家中的独子。在经历了3年刻苦的高中生涯之后，终于脱离繁重的学业和父母的庇护，他们急于解放自己――忙社团，玩游戏，交朋友等等，导致学习精力分散，学习兴趣不强。现在大学生中很多人认为“学习无用，学习好不一定能找到好工作；大学学的内容，在工作中根本用不上”。等等这些说法都导致现在大学生学习动力不足。同时一些学生对大学生活感到迷茫，对将要面对的社会感到恐惧，他们不知道该学什么，怎么学。这就导致了学习的计划性不强，目标不明确。那么作为大学教师，我们不要总是埋怨大学生现在不爱学习，首先应该是学生的人生导师。我们不要抑制学生的天性，也不要过多的说教，要利用教学之余与学生多沟通，了解当代学生的心理，给学生讲一些身边发生的成功与失败的实例，用正能量的例子去启发他们正确思考自己的人生。毕竟大学生还没有正式走向社会，他们对社会对未来的认知，很大一部分就是从周边的人口中得知的。学生只有从心理真正认为学习很重要，他才能真正好好学。
2 合理安排课程教学
2.1 课程体系
该课程教学的目标主要是：使学生能够掌握自动控制系统的基本概念；能够分析、设计和校正线性控制系统；具有分析和处理技术岗位的一般技术问题的理论基础；为后续的专业课学习以及毕业后工作奠定必要的理论基础。课程内容主要包括系统建模（微分方程、传递函数、结构图与信号流图），系统分析（时域法，复域法、频域法），系统校正（串联校正、反馈校正、复合校正）。其中控制系统微分方程的列写、指标计算、根轨迹画法及其分析、波特图画法及奈奎斯特判据等内容是相对的重点内容，而控制系统的校正是相对的难点内容。 2.2 教学方式设计
（1）作好“开门红”。所谓的“开门红”指的就是一定要精心设计好课程的绪论部分。有些人认为绪论没有具体的理论要点，一带而过即可。可是对于一个没有接触到任何社会实践的大学生来说，突然让他去学习一门他都不知道有什么用的专业课，这无疑不会使他产生任何兴趣，甚至是一些迷茫。所以教师应该先把课程的绪论讲好。在绪论中要交代课程的理论体系、发展现状和理论应用领域。尤其是应用介绍，要通过大量的实例和图片，演示给学生自动控制理论从古至今，从军事到民生，都有着广泛的应用和重要的地位。甚至可以为课程留下伏笔。比如绪论中，当讲到经典控制理论的基本方法时，会提到PID，那就可以举例：在化工企业中，可以实现储罐液位的PID控制，现在的仪表操作人员每天都要和PID参数打交道。那具体是怎么实现的呢？课程的第六章会详细讲解。这样通过绪论的大概讲解，学生会对这门课产生期待，不会觉得这门课无用。
（2）改变“教”和“学”的关系。传统教学的模式是“单纯的老师教，学生学”。导致学生主观能动性差，对课堂教学兴趣不高，学习效率低下，对知识死记硬背，缺乏独立思考和解决实际问题的能力，缺乏创新能力。经过大量的调研和实践，提出以下教学模式（图1）：
图1 “教”、“学”互动模式
该模式中，首先由教师选取难度适当的知识点；同时将学生分成小组，小组同学针对题目，查找资料、准备PPT，准备过程中可以随时寻求教师指导；课堂教学主要由学生完成，学生换位成老师；最终教师对学生的教学进行点评，对教学中的某些遗漏进行补充。这种模式的教学，学生成为了课堂的主体，发挥学生主观能动性，变“要我学”为“我要学”，师生有效互动，充分发挥教学中教师的启发性。倡导师生共同探索、发现和研究，使学生增长知识、开阔视野的同时，也提高了教师的业务水平。
这种模式的教学关键是教师要选择好题目。不是所有的题目都适合这样的讲解，教学中的重点、难点部分还要由传统教学来完成，可以给学生一些了解性的知识点作为题目。同时教师也不要将这类课程的比例安排过多，要发挥课程教学中的指导作用，否则容易造成课程松散的现象，反而达不到效果。
2.3 “讲―演―实―反―结”五步教学法
结合课程的基本特点，该课程的一些教学内容可以采用“课堂讲授、动画演示、实验教学、学生反馈、教师总结”这五步来进行。
课堂讲授：对于理论性比较强的知识点，还是要以教师课堂讲授为主。自动控制原理课程中，很多环节涉及到理论推导。建议在理论推导时，采用板书的形式而不是PPT，总是有学生反映，涉及到理论推导时，他们还是喜欢老师在黑板上进行讲解，因为在PPT上，讲解的速度太快，一些环节还没反应过来就翻篇了。如果在黑板上一步步推导，可以放慢速度，学生能够紧跟教师思路。
动画演示：针对一些案例可以通过生动的图片、动画、视频资料来增强学生的感性认识，以便加深学生的理解与印象。例如讲授开环与闭环控制，在介绍两种控制系统的区别、优缺点之后，以十字路口交通灯为例，通过两个flash动画演示该控制系统的开环、闭环工作动态过程。当开环控制时控制信号的绿灯时间已经预先设定好，按照一定的周期进行控制，开环控制成本低，结构简单但不灵活，车流量较多的方向堵塞问题不能得到明显解决。当闭环控制时通过埋在地下的感应线圈测量车流量，使控制信号的绿灯时间按照车流量进行配置，而不是按照预先的设定值，闭环控制成本提升，系统复杂但交通堵塞的问题得以明显改善。这样通过案例就可以使学生容易理解开环控制和闭环控制的区别，以及二者的优缺点。
实验教学：我校采用两种形式进行实验教学。（1）“ACCC-III自动控制理论及计算机控制技术实验装置”。该实验装置由试验台进行线路搭接，由电脑显示实验结果，可以完成很多验证性和综合性的实验，如：典型环节的电路模拟与软件仿真研究、典型系统动态性能和稳定性分析、典型环节（或系统）的频率特性测量、线性系统串联校正等。（2）“MATLAB”仿真实验。MATLAB软件可以通过编程形象直观地进行实例仿真，比如响应曲线显示、根轨迹绘制、BODE图绘制、系统设计搭建等。通过实验环节，增强了学生的动手能力，使课程内容印象深刻直观、课程抽象性减弱、关键结论牢记，达到了事半功倍的教学效果。
学生反馈：每一章结束之后，复习之前，要求学生对章?学习状况进行反馈。要求学生写出这一章节中的学习难点在哪里，还有什么困惑，课堂上哪一部分内容没有消化理解。学生通过书面方式，向教师反馈。教师针对反馈意见，对该章节进行查缺补漏。
教师总结：无论采用何种教学模式，教师始终要对课程进行整体的把握，这就是总结。教师要帮助学生给课程穿成一条线。在每一章结束之后，要把这一章与前后章节的关联提炼出来。在课程总体结束之后，这条线也就出来了。这样便于学生对课程整体把握，也便于学生复习。
3 总结
本文在分析学生心理的前提下，互换传统的“教”、“学”角色，给出了“讲-演-实-反-结”五步教学模式。这种方式充分给予了学生参与教学的权利，将实践教学融入理论教学中，调动了学生的主观能性，增强了学生的学习兴趣，锻炼了学生的实际动手能力，达到了良好的教学效果。
基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目（编号：JG 2014010636）
