金学波 张慧妍

摘    要：自动化类专业基础课教学面临着“教”与“学”之间诸多矛盾，针对这些矛盾，文章以“自动控制原理”为例，构建了由教学环节、练习环节及提高环节组成的“三维立体化金字塔型”教学模式，教学实践表明，学生在“自动控制原理”的学习中，理论和实践方面得到了不同程度的提高，在培养学生学习习惯、兴趣方法等方面取得了明显的实效。

关键词：教学方法;教学模式;自动控制原理;理论学习;实践学习

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）07-0071-03

随着高等教育的普及化和大众化，寻求高效、科学的教学方法已经是近年来教学研究的热点话题。对于自动化类专业来说，信息科学的发展对课程内容的要求越来越高，5G网络、物联网、人工智能等新技术更是要求自动化类专业学生具有较高的学科融合能力，利用多媒体技术、仿真工具的教学方法应运而生，在教学中起到了至关重要的作用[1-2]。然而，对于专业基础课来说，学生不动笔练习、教师在课堂上没有板书讲解并通过详细步骤演示习题的解法对学生学习带来极大的弊端：学生不具备灵活运用微积分、复变函数等数学基础知识解题的能力，造成“看看就会，其实不会”的现象，更为严重的是，造成了许多学生对基础理论的淡化意识，甚至厌烦、抵制学科基础理论的学习。

因此，专业基础课的教学既不同于基础课，也不同于专业课，在理论教学和实践教学两方面都需要加强，在教学方法、手段上既不能脱离多媒体等现代信息技术，也不能拘泥于这些方法，需要将传统的、现代的教学方法有机地结合起来，通过有效选择内容和方法，既可以快速传递大量的信息，对于核心理论内容还要“慢下来”“细下来”“沉下来”，以达到“既打下坚实的理论基础，又引导专业知识与兴趣”的目的。

针对自动化类专业重要的专业基础课，“自动控制原理”的教学方法研究一直是教学研究的热点话题，研究者对教学方法、教学内容、实践性环节及与其他课程的关系等进行了广泛深入的研究[3-6]。

本文立足于“自动控制原理”课程的教学方法研究专业基础课程的通用教学方法。与目前的立体化教学方法相比，本教学模式更注重从下至上的“金字塔”体系结构[7-9]，强调学习层层递进、相互支撑的关系，并着重培养学生的学习兴趣，关注不同类型学生的知识获取渠道和效果。

一、“自动控制原理”等专业基础课“教”和“学”中矛盾分析

在教学实践中，教师教学和学生学习之间的主要矛盾表现在以下几个方面。

（一）学时偏少但内容较多，学生掌握知识的深度不够

现代电子、信息技术的飞速发展给电子类专业的课程设置带来了新的挑战，课程内容较多，例如“自动控制原理”等专业基础课的内容涉及到时域分析、频域分析、复频域分析、状态空间分析等内容，在数学方面涉及到微积分计算、微分方程、差分方程的求解、复频域变换、拉普拉斯变换、Z变换等知识，还包括上述各内容的相互转换。“自动控制原理”课程内容与相应的数学课又有所不同，需要依托一定的应用背景进行实际系统的分析，如求解RLC网络的电压及电流输出、倒立摆控制系统、冷链物流系统控制等内容，课堂教学很难做到面面俱到，尤其是与实际应用结合，受学时及实验条件限制，往往只能涉及一小部分。这一共性问题引发了一部分教师的思考，对此进行了教学改革，方法值得借鉴[10-12]。

（二）课程难度大，学生缺乏兴趣

由于专业基础课程多具有一定难度和循序渐进的特点，因此在整个教学过程中，学生一旦在教师讲解某个关键理论时走神，则会衔接不上、贯通无效，就很难真正理解该课程的学习内容，进而也就无法对课程产生浓厚的兴趣，在做作业时得过且过不进行思考，无法掌握理论与实践知识，考试成绩不理想，分析实际问题的能力较低。

（三）教学资源丰富，但没有充分利用

目前，随着我国教学质量工程的发展，很多专业基础课都进行了国家、省级精品课程的建设。比如“自动控制原理”课程的国家精品建设课程为数众多，省级精品课程数目也不少，这些充足的网络资源为教师提供了大量的习题、教学方法等资料，也为学生提供了广阔的学习资源。然而，实践证明，學生远没有教师留心这些网站，受学生本身自学能力的约束，很多学生根本没有形成自己的学习体系，无法充分利用这些学习资源。

二、教学方法的探索——“三维立体化金字塔型”教学模式

针对上述矛盾与问题，在教学方法上可以进行以下几个方面的尝试。

1.课堂讲解抓住知识主线，介绍重点、分解难点，充分利用传统和现代科学教学方法，将视频、PPT、板书、实验相结合，保证学生能够掌握课程主要知识。同时搭建优秀的自学平台作为课堂教学的有益补充。

2.精心选择工程实例问题，激发学生的学习兴趣。“自动控制原理”等专业基础课的理论性很强，同时又与实际工程背景有极大的联系。然而，课堂教学无法给学生足够的思考时间，很多学生知道书本上的函数却无法将其与实际的信号联系起来，因此，工程实例的讲解介绍是必不可少的。另外，由于课堂时间有限，自学平台上也应包含一些工程实例，方便有兴趣的学生进行探索性学习。

3.形成系统化的教学方法框架，并有意识地培养学生科学的学习方法。我们认为，学生的学习动力来源于其内心的渴望，而学习的成效取决于科学的学习方法。因此，教会学生学习方法其实比教会其某一个公式、某一道习题更为重要。专业基础课教师不仅要教会学生掌握基础理论知识和培养他们将理论知识应用于实践，还要注重培养学生科学的学习方法，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。

基于此，笔者在浙江理工大学、北京工商大学教学期间对所在专业构建了“自动控制原理”课程建设小组，积极投身参与并指导、组织一线授课教师精心研究了“自动控制原理”等专业基础课的教学方法。通过在教学实践中不断地探索，构建了由教学环节、练习环节及提高环节组成的“三维立体化金字塔型”教学模式，如图1所示。

具体说明如下。

1.预习与思考环节。作为应用范围较广的一类理论课，“自动控制原理”具有严谨的逻辑性和复杂性。为了更好地实现教学目的，通过提问及布置后续需要复习、预习的课程内容引发学生思考、掌握以往应知应会的知识点辅助学生理解一些抽象、难懂的知识点。

如在学习“传递函数”之前，布置学生阅读以往学习过的“拉普拉斯变换”部分的内容;而在引入“谐波线性化”概念之前，通过回顾周期函数的“傅里叶级数分解”，方便学生理解第7章非线性系统分析这部分比较抽象的学习内容。

2.教學环节。课堂教学：广泛使用科学有效的教学方法和手段，包括课堂板书（针对习题、重点知识的推导等）、视频、PPT等教学媒介，将课程的范围、历史、新兴发展方向以及重点与难点以多种形式演示，使课堂教学内容形象生动，体现立体化“教与学”的特点。另外，针对“傅立叶变换性质”“拉普拉斯变换性质”等多而复杂，但难度不高的知识点时，可使用自学、课堂小测试、再讲解并引出相关性质的方法提升教学效果。

硬件实验教学：作为电子类专业的学生，“自动控制原理”的系统应以电子系统为主并辅助以其他系统为应用对象，因此实验教学不可将硬件系统抛弃不顾，那样会使学生脱离实际。同时，由于计算机技术的发展，有目的地引入与计算机结合较好的新型实验装置，对于继承传统、厘清发展脉络、培养与时俱进的发展观都是大有裨益的。

网上电子书：将教材、课件等教学内容放置到网上，引导学生利用先进的信息化手段进行预习与复习。同时给学生提供丰富的学习资源，如国家精品课程、省级精品课程的链接。此外，由于互联网技术平台的不断发展，还可以通过引入学堂在线课程资源进行混合式教学，统计学生上网次数、停留时间、测试学习成绩，有效地监控学习过程。

网上仿真实验：利用北京工商大学教务处购置的虚拟实验平台开发直观的仿真实验，包括时域特性、频域特性、系统的稳定性等。实验可以在校内实验室客户端进行，也可以在网络端进行，地点与时间比较灵活，方便学生，并辅助其加深对理论知识的理解。

3.练习环节。课后作业：不能抛弃传统的课后作业练习，但可以对部分优秀学生使用“只留知识点，不留具体题目”的方式，让学生自己翻阅参考书，选择并做出自己感兴趣的并与知识点相对应的经典题目，写出解题思路，总结解题步骤。实践证明，这种方法效果非常好，是培养创新型人才的一条有效途径。

网上自测与测试：学校购买的网上虚拟实验平台自带了部分习题库，习题库中的习题可以自行扩容、删除和修改。结合每届学生的基础与特点一学期更新一次学生可见的习题，要求学生每一单元进行自测并记录成绩，每学期进行一到两次的网上综合测试。

网络游戏学习：这部分内容是基于2020年新冠肺炎疫情期间，北京高校一学期没有线下授课，人工智能学院研发的模块。疫情期间，教师与学生心理压力较大，需要适当的疏解与放松，因此课程小组网络视频会议讨论后确定利用雨课堂、微信等平台开发网上学习软件，将知识点融入游戏中，并在游戏中设置关卡，放入相应题目，让学生闯关并记录分数。这项练习激起了学生极大的学习兴趣，学生之间互相竞争，而相应的分数也作为课程平时分数的一部分。

4.能力提高环节。MATLAB具有强大的运算功能，在科技应用软件的数值计算方面首屈一指。其主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。通过以上分析可知，MATLAB对于自动化专业具有极强的辅助与支撑作用。因此，将“自动控制原理”的知识与MATLAB有机地结合起来，运用1至2节课进行基本培训，对MATLAB的使用方法进行说明、演练。后续在网上有针对性地筛选出一些具有工程意义的实例，如火炮射击的随动控制系统、倒立摆控制系统、恒温箱控制系统等，其中部分提供参考答案，部分是开放式的，以供学生探索如何利用MATLAB编程、分析、求解一些学科、专业的科学与工程实践问题。

5.总结与归纳环节。“自动控制原理”课程内容逻辑严谨、概念多，若是不注意归纳总结，搭建知识点之间的“金字塔”，则很可能出现非系统化的一盘散沙状态。因此，学习过程中应及时地总结与归纳，注意将新学习的概念归入学生已有的知识体系，通过新旧知识的联通、互融，形成系统的知识体系，使知识不易遗漏或遗忘，对学生总体能力的提升具有促进作用。

三、取得的成效

近年来，通过不断地努力，笔者及课程建设小组研究并试行了上述“三维立体化金字塔型”教学模式的大部分内容，实践证明，大部分学生在理论、实践方面都得到了不同程度的提高，尤其是部分学生在该模式的引导下，掌握了立体化学习方法，在培养学生学习兴趣、工程实践能力等方面取得了明显的实效。

在同等试题难度下，期末考试平均成绩提高了10～15%，考取北京理工大学、北京交通大学等国内名牌大学研究生的学生数量大幅度上升，其中大部分学生选择考“自动控制原理”科目。另外，学生参加挑战杯、电子设计大赛等实践性活动的积极性大大增强，后续如“计算机控制技术”“过程控制”等课程的任课教师反映，学生对相关的基础知识掌握扎实，具有一定的探索精神，能够独立、有效地利用MATLAB及网络资源开展一些调研及仿真实验。

四、总结

本文针对自动化类专业基础课教学方法，具体以工科院校的自动化、电气及其自动化等专业的“自动控制原理”课程为例，论述了笔者及课程建设小组所分析、研究并实践过的目前条件下专业基础课的教学方法，提出了“三维立体化金字塔型”教学模式。实践表明，该教学模式可以解决当前学生人数众多、基础相对以往较薄弱、不当新媒介广泛存在这种新形势下教与学的矛盾，对促进学生牢固掌握基础理论知识，培养学生工程实践能力、热情及科学的学习方法十分有效。

参考文献：

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