基于案例教学法的自动控制原理课程教学

     肖 敏， 林金星 ， 王晓玲   

(南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院 江苏南京 210023)

[摘  要]高等教育教学事业开始向创新化、技术化方向发展，促进专业人才实践能力的培养。自动控制原理课程受到学科特征的影响，理论教学与实践探索联系程度受到限制，阻碍了学生思维的进步与学科知识的掌握。根据自动控制原理的课程性质，提出可以有效缓解传统教学不足的案例教学法。本文主要从分析自动控制原理课程性质出发，论述课程在实际教学环节中存在的问题，以案例教学方法为依托，以创新、创造思维为支撑，改进自动控制原理课程实际教学效果，全面提高学生知识理解水平。

[关键词]自动控制原理；案例教学法；课程性质；实践能力

[基金项目] 2017年南京邮电大学校级教学改革研究项目“面向创新教育的《电气控制与可编程控制器》小班化研讨式教学研究”(JG00517JX76)。

[作者简介] 肖 敏(1977--)，男，江西萍乡人，博士，南京邮电大学自动化学院、人工智能学院教授，博士生导师，主要从事非线性控制理论研究；林金星(1978--)，男，江苏涟水人，博士，南京邮电大学自动化学院、人工智能学院教授，硕士生导师，主要从事切换系统研究；王晓玲(1987--)，女，安徽安庆人，博士，南京邮电大学自动化学院、人工智能学院副教授，硕士生导师，主要从事多智能体系统研究。

[中图分类号] G642.0     [文献标识码] A   

工程学科自成立至今，一直被人们广泛关注着。工程学科实用性非常强，自动控制原理是电气信息类、机械类等专业基础性比较强的高等教育课程。根据学生知识掌握程度与实践熟练水平，引入案例教学法，为自动控制原理课程教学输入新鲜血液。

一、自动控制原理课程的概述

任何一门课程的开展与进步，都需要利用专业化的手段与技术实现其创造性改革。自动控制原理课程是工程理论教学的基础，是学生开展学习活动的重要前提与着力点。

（一）课程含义

自动控制原理课程是电气信息类、机械类专业开设的一门非常重要的基础性学科，课程内容要求脱离人的直接参与性，利用外界的机器与设备，完成既定操作实践任务。自动控制原理课程理论基础非常深厚，课程目的是通过专业基础理论知识进行重新改造，构建出完整的控制系统，提升专业设计与分析能力。

（二）课程特点

自动控制原理课程理论要求比较高，实践操作性比较强。自动控制原理课程具有明显的理论性特征，课程教学内容抽象化。自动控制原理课程经过长时间实践探索与技术发展，传统的教学方式是根据具体分析对象特征，开展数学抽象操作。建立数学模型，再根据其特点，使用不同的数学工具与数学方法分析其性能。自动控制原理课程构建数学模型时，需要大量能够代表数学思维的图形等形式，进行数学模型的思考与分析。

二、自动控制原理课程现有教学存在的不足

本部分主要从四方面出发，论述自动控制原理课程教学不足的具体表现形态。根据这些不足产生的原因，总结出有利于教学的有效性意见与建议，实现自动控制原理课程高质量发展。

（一）授课效率低下

高等教育院校在开展自动控制原理课程过程中，由于课程强调理论性建设，课程内容综合性相对来说比较强。教师在开展专业课程讲授时，过于强调理论知识的讲解与论述，讲授方法脱离学生实际掌握水平，容易出现教师讲授效果不理想，教学方法存在滞后性。教师重视课程相关原理与数学概念的讲解，出现授课效率低下的现状。学生没有充分理解课程内容表达的含义，甚至是出现理解偏差的情况。数量众多的原理、概念会增加学生的学习压力^[1]。授课效率低下使得基础薄弱的学生，找不到正确开启自动控制原理的“钥匙”。

（二）脱离工程实际

自动控制原理课程实际操作的设置，是以培养工程型人才的为目标，理论基础与实践基础联系密切。打好理论基础最终要服务于工程实践。强制、人为地割裂课程理论与工程实践之间的联系，采用学习数学运算与图形绘制相关知识以后，再开展上机实践演练。理论学习禁步于实际操作，造成两者不同步的情况，脱离工程实际，不利于知识转换率的提高。

（三）多媒体应用低

自动控制原理已经走出实验室进入高等教育的课堂，自动控制原理课程需要讲授大量的原理与概念，构建实际系统的数学模型，进行缜密的的推演与计算，需要高度注意力与准确判断力^[2]。因此，简单幻灯片演示形式的多媒体课程文件，不能满足自动控制原理课程教学的实际需求。教师必须加强引导意识，与学生实现近距离沟通，甚至是直接指导学生操作。

（四）成绩考核固化

高等教育院校在开展“自动控制”具体实践教学过程中，会采用多种考核方式，检验学生的学习效果^[3]。自动控制原理课程的成绩考核方式与其他学科相比较，具有明显的相似性。成绩组成包括平时成绩、实验成绩、考试成绩三部分，所占比重各不相同，考试成绩占据主导地位，是构成自动控制原理课程考核的重要因素。平时成绩具有表面化特征，主要是根据学生的出勤率与作业情况，给出平时成绩。实验活动具有继承性，实验题目与其他年级实验任务类似，学生可以查找往年类似实验报告范本，实验结果会出现空想性。

三、案例教学法在课堂教学中的应用

课程重视理论学习，忽视实践探索，不利于学生更好地掌握与应用课程知识。在具体教学实践中进行有益化尝试，发挥案例教学法的积极促进作用。

（一）案例教学实际化

自动控制原理课程理论化程度高，对于基础薄弱的学生而言，理解能力有限，不能实现最佳教学效果。根据课程实际，科学地将案例教学法引入，实现教学方法、方式的创新，改变传统的课程教授思维。案例教学法主张传统思维与创新技术相结合，以学生掌握程度为支撑，通过展示具有代表性的经典案例，向学生展示“自动控制”的世界，学生学习形式以小组活动为主，探究问题解决的方法。案例教学法的使用，可以将抽象的理论概念，以具体形象出现在学生的眼前，从而加深课程内容的理解与巩固^[4]。

（二）教学内容阶段化

在自动控制原理课程教学中引进案例教学法，应该分为四个阶段，然后根据实际情况做出有意义整体的改进。第一阶段是铺垫部分内容，该部分内容具有引导性，致力于成功激发出学生的学习动机，开拓学生的眼界^[5]。例如，教师开展绪论内容的教学设计时，可以通过多媒体技术模拟真实案例产生的效果与影响，在学生脑海中形成基础印象。也可以介绍、讲解汽车简化力学模型、丝杠螺母副、机床主轴以及空间起飞助力器等常用模型案例。

第二阶段是开展控制系统数学模型的教学工作，教学主要内容讲解完毕，学生自动分成小组开展学习讨论，让学生们通过讨论建立起汽车力学模型^[6]。具体内容是汽车行驶在凹凸不平的路面上，轮胎受到路面的影响形成激励源。可以转换思维，将汽车理解成弹簧阻尼系统，而轮胎的垂直受力就是弹簧。建立丝杠螺母副传动的数学模型，电动机转子与丝杠形成转动惯量，工作台与工件是整体，密不可分，黏性阻尼存在于工作台与导轨之间。机床主轴的数学模型将主轴质量全部集中于端部，前端部受到切割力的作用会产生类似弹簧阻尼系统的变形。空间起飞助推器可以凭借火箭推动系统为案例，简化成一个二维倒摆，将倒摆安装在倒置马达下方，确保倒摆始终处于垂直状态。将实际模型转化为数学模型，有利于建立起函数模型认知系统。

第三个阶段是理论联系实际，主要是开展稳定性分析和误差等章节知识的学习，强化学生分析控制系统的能力。以PID控制器设计为案例。PID控制器是比例、积分、微分控制的简要名称，原理简单，方便操作，有利于学生未来就业。教师在授课过程中，在学生形成固定认识之前，输入控制对象正确的数据模型，在单位阶跃信号的激励下比例因子、积分因子、微因子对系统稳定性的影响进行科学验证。通过列举PID控制器的案例，促使学生形成思维意识，通过对控制模型开展分析，实现增长学生知识与能力的目的。

第四个阶段是开展具体实验，学生经过前期的教学，已经形成初步的自动控制系统地理解，基本理念、概念已经形成初步认识。在此阶段开展案例教学，主要是验证学生学习状态，开展实践化演练，完善系统理论^[7]。这时教师可以选用两个案例，用来完善课程知识结构。第一个案例是飞机或者是船舶的舵机控制系统，舵机控制系统主要采用机液伺服控制系统，机械元件采用的是反馈元件，经过合理化构建构成位置闭环控制系统。其中，机液伺服控制系统采用机械反馈，结构相对来说比较简单。机液伺服系统一般没有校正装置，系统的阻尼和开环增益比较小。在开展该案例具体分析实践时，需要先进行系统组成的介绍，根据系统组成的方框图，诠释出完整地传递函数。

第二个案例是冷轧钢带卷曲恒张力控制装置，在学习冷轧钢板的过程中，需要进行收放卷恒张力的控制。在一般情况下控制装置有多种选择，选择合适的控制装置是第一步。学生根据功率的大小，合理选择的张力控制装置，开展实际操作学习。教师在开展自动控制原理课程教学的实践环节中，列举案例时，教师需要提前说明液压伺服阀的传递函数，并且进行基础性解释。学生利用小组智慧的便利性，探讨出组成的环节并且绘制出方框图。写出每个环节的传递函数以及系统总的传递函数，教师检查学生计算结果，及时指出出现错误之处，促使学生运用稳定性的判断依据，运用敏捷的思维与快捷的速度，对系统动态品质进行科学理解与分析。

（三）教学过程具体化

教师在开展案例教学过程中，需要对教学过程进行具体评估。案例要符合教材内容，体现教学目的。案例的难度需要考虑学生的潜力，学生通过一定努力获得的知识，有利于学生自信心的培养与提高。案例来源于社会实际，带给学生亲切感受，促进学生将科学知识更好地应用于实际操作之中。高等院校需要加强相关案例的整理力度，建立起专业化的资料储备系统，方便未来的教育教学工作。引用案例教学法之后，引导学生思考方向^[8]。学生根据案例做出合理分析，总结出实用性比较高的结论，促进学生具体实践。

（四）实验操作具象化

自动控制原理课程教学经过案例教学方法的改进之后，对于课程时间会出现新的要求。受到实践器材与教师引导经常性的限制，学生在课余时间开展相关实践条件不成熟，不能及时复习学习的内容，只能利用上课时间开展学习实践活动。传统的高等院校一课时一般情况下以90分钟为准，结合自动控制原理课程的特点，使用案例教学法之后，理论课程会变成课程设计，高等院校需要根据实际情况延长课时^[9]。在课程实施过程中，根据学生的差异性，积极思考，促进学生完成小型控制系统的设计与组装任务。增加对自动控制系统的熟悉程度，加深自动控制原理课程的理解与感悟。

（五）应用效果检验化

教师在自动控制原理课程中加入案例教学法元素之后，需要对教学应用效果进行检验^[10]，分析出学生的最近发展区。案例教学法有利于促进学生提高动手能力，设计出具有创新性的控制系统。在实践环节中发现自身问题所在，及时主动进行更改，将自动控制原理课程真正的带入实际生活之中，使学生形成创新思维。

四、教学中需要注意的问题

案例教学法发挥着重要的现实作用，在教学过程中，还需要注意一些问题，确保课堂教学质量，实现自动控制原理课程整体教学又好又快发展。

（一）案例难度适中

教师在开展案例教学时，需要注意选择案例的难度。自动控制原理课程由易入难，选择的案例需要具有层次性。自课程成为独立学科至今，经历了长时间的探索，总结出数量庞大的案例资料。教师需要保持严谨的教学态度，在众多案例中分析出有利于学生理解的科学途径。案例教学难度适中，在一定程度上改进传统的教学方法，实现融合创新。

（二）重视学生反馈

选择具有典型作用的案例，尤其是高等教育教学工作，学习形式具有不确定性与多变性，需要提高对于学生反馈内容的重视程度。根据学生反馈的信息，总结出案例教学法实际教学效果，因材施教，并且适时做出合理调整。促进案例教学法应用程度的提高，增强其合理性。

（三）精准建模

在自动控制原理课程教学中，数学模型的构建是一个非常复杂的过程。在利用案例教学法进行倒立摆实例分析时，需要准确建立倒立摆函数模型，精确计算出摆杆角度和小车位移函数的数值。所有数学模型的构建，学生需要时刻保持注意力，使用最优化的模型，建立完善的自动控制体系。进行发散思维拓展，从模仿编程向着独立完成系统设计的方向迈进。

结语

综上所述，通过论述自动控制原理课程的特点与现有教学的不足，使用案例教学法，突破传统教学理念的局限性，融合多媒体技术手段，丰富课堂内容的延伸性，实现教学方法的改进。从自动控制原理课程未来教学视角出发，总结出能够促进课堂教学效率的有益化尝试，实现教学目标。

[参考文献]

[1]陈蕾,朱民高.案例教学法、PBL教学法在实习教学中的应用[J].中国继续医学教育,2021,13(08):1-4.

[2]尹进田,刘丽,唐杰,林立,彭志华.自动控制原理课程建设与教学研究[J].科学咨询(教育科研),2021(03):44-45.

[3]吴永乐.自动控制原理课程教学分析[J].中国设备工程,2021(04):229-230.

[4]何银水,余卓骅.高校专业课程教学中大学生创新意识培养探究——以《自动控制原理》课程教学为例[J].高教论坛,2021(02):97-99.

[5]肖理庆.基于现代信息技术的《自动控制原理》课程思政建设[J].绥化学院学报,2021,41(02):132-135.

[6]李晓梅,陈学军,郭晓君.“以学生为中心”理念下《自动控制原理》课程的教学改革探索与实践[J].科技视界,2020(36):39-41.

[7]姜丽娜,李甜甜,孙鹏.自动控制原理课程创新型人才培养实践教学探析[J].农机使用与维修,2020(12):110-111.

[8]冯俊杰.地方应用型高校“自动控制原理”课程的教学改革与探讨[J].教育教学论坛,2020(50):191-192.

[9]王立红.案例教学法在自动控制原理教学中的应用[J].实验科学与技术,2018,16(05):132-135.

[10]周振华,陈耿彪,曹太山.案例教学法在自动控制原理教学中的应用[J].教书育人(高教论坛),2017(12):92-93.

Course Teaching of Automatic Control Principle Based on Case Teaching Method

                Xiao Min, Lin Jinxing, Wang Xiaoling

 (Nanjing University of Posts and Telecommunications, College of Automation, College of Artificial Intelligence, Nanjing, Jiangsu 210023, China)

Absrtact: Higher education teaching begins to develop in the direction of innovation and technology, and promotes the cultivation of professional talents' practical ability. The course of automatic control principle is influenced by the characteristics of the subject, and the degree of connection between theoretical teaching and practical exploration is limited, which hinders the progress of students' thinking and the mastery of subject knowledge. According to characteristics of the course of automatic control principle, this paper puts forward the case teaching method which can effectively alleviate the limitation and deficiency of traditional teaching. This paper mainly analyzes the nature of the course of automatic control principle, discusses the problems existing in the actual teaching link of the course, relies on the case teaching method, takes the innovation and the creative thinking as the support, ameliorates the actual teaching effect of the course of automatic control principle, and comprehensively improves the students' knowledge understanding level in an all-round way.

Keywords: automatic control principle; case teaching method; course nature; practical ability