协同创新模式提升自动控制原理课程教学质量的研究

　　中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0146-02

　　协同创新是近两年“高等学校创新能力提升计划”的核心概念，反映了科研发展的基本趋势。其中的“协同”，可以有多个层面、多种形式。协同论的自组织原理显示，所有系统一旦缺乏和外界环境进行物质、能量和信息的交流，其本身就会处于孤立或封闭状态[1]。鉴于，协同创新模式在高校教学改革中具有较高的推广价值，所在的一般本科院校电气工程及自动化专业也开始积极推动协同创新理念。

　　自动控制原理课程是电气信息类重要的专业基础课，是由高数、大学物理、电路、电机拖动、机械、数学建模多门课程融合的系统理论，与后续的现代控制理论、自动控制系统、过程控制等相关课程联系紧密，也是控制理论和控制工程研究方向的基础理论，自动控制原理课程更是很多本科生考研所选择的专业课[2]。因此，选择自动控制原理课程作为协同创新方式的研究与实践，探索全面提升教学质量的有效方法。

　　一、自动控制原理课程教学现状及存在的问题

　　自动控制原理课程传统教学模式一直以来都偏重理论，与我校重点专业电气工程专业的“宽口径、复合型”的“技术型电气工程师”培养目标相背离。传统的自动控制原理课程在人才培养方案、授课方式、实践环节等方面比较保守，缺乏创新和思索；专业之间交叉少，几乎是单一专业教研室独自培养人才；实践环节落后，课程实验对学生的实践和创新能力帮助不大，学生都是应付了事；教师多属教学理论型的，接触社会少，与企业联系少，解决实际问题的能力比较弱，对所授的专业课程对应的行业前沿动态了解的不多，不能很好的将最新的应用性技能传授给学生，指导技术型本科学生能力欠缺；电气专业还有二表本科和三表本科的认知水平的差异等等。

　　上述问题导致自动控制原理课程所讲授的理论、知识更新以及训练出的学生实践能力与实际需求脱节，尤其是面对校级大学生创新项目、全国电子大赛、职业技能大赛等基础理论需要时，客观上都急需专业或教师积极探索控制理论的有效教学模式。

　　二、多种教学方式的协同

　　1.传统教学方式与多媒体教学方式的协同

　　教师利用板书进行传统的教学，讲解公式及定理的推导过程，细腻专注，习题计算和绘制曲线，步骤清晰，一目了然，重点突出，详略得当，板书的形式可以让学生掌握理论的来龙去脉，授课效果还是很好的。根据授课内容，如果适当减少板书，采用PPT、matlab仿真等多媒体教学，不仅可以提高课堂的时间效率，还可以激发学生的学习热情，使抽象的理论变得直观生动。

　　例如，使用matlab仿真帮助学生理解掌握控制原理和系统分析设计的方法。控制系统方框图化简，计算和方框图的一步步化简过程比较麻烦；理论分析二阶系统尤其是高阶系统的动态响应，计算难且计算量大；研究一个或几个参数变化对系统根轨迹及性能的影响，手工绘图繁杂且不准确不灵活；利用伯德图对系统进行频域分析和设计，都需要花费较多的时间来计算和画图，且图形都是近似不准确的。而matlab软件轻松解决上述困扰，画图特别快捷直观，系统分析如虎添翼，事半功倍。

　　再例如，判定系统稳定性是控制理论最重要的学习内容，在理论讲授完成后，让学生思考总结，写个小报告，利用matlab至少有几种方法可以帮助判定系统的稳定。据学生们反馈，课上课下寝室都在一起研究讨论着，非常主动积极。报告内容分为闭环判断稳定性和开环判断稳定性两大类。一类是已知系统闭环传函或是特征多项式，利用指令root（）直接求特征根，再根据所求得的根是否都具有负实部，是则闭环系统稳定；利用step（）命令绘制系统的阶跃响应曲线，若曲线收敛，闭环系统稳定，反之不稳定。另一类是已知系统的开环传函，利用rlocus（）指令绘制系统的根轨迹曲线，可以判定闭环系统的稳定性及参数的稳定范围；区别使用bode（）、nyquist（）、margin（）、allmargin（）指令，也可判定闭环系统的稳定性。

　　教师总结时，当学生听到不同的方法，赶紧去研究，充分调动起学生学习的积极性，教学效果很好。

　　2.课堂教学与课外实践协同

　　在课堂上，课程讲解时老师是主体，当学生自由讨论问题各抒己见时，老师穿针引线，分析总结，学生便是主体。教师若能在自控原理知识融会贯通的基础上，多思考并设计一些启发性的问题或任务留给学生，尤其是设计的任务涉及到电气、机械等实际系统，既要数学建模，又要系统分析和综合设计时，极大的激发了学生的求知欲，学生自由组合，形成活学活用的虚拟空间，为将来的实践打下了比较坚实的基础。

　　（1）开放实验室。在校内，实验室开放是培养学生创新精神和实践能力的主要手段，各实验室分层次面向学院的学生开放。实验室开放的重点是指导和培养本学院的学生进行各种科技创新活动，完成学生自选科技项目。许多学生甚至将研制出的作品拿去应聘，提高了自身的竞争力，也满足了单位对人才的需求[3]。

　　（2）校企协同。除了课堂讲授、课程实验、实训、毕业设计外，师生与企业联合，进一步实现理论与实践的协同。本专业最近几年逐渐加大校企合作，与佳木斯盐业公司、市污水处理厂等几家企业建立了多个课外实习基地，选择参加的学生自动控制原理、PLC、单片机等课程成绩都是很优秀的。在由教师、工程师、工人一起解决企业的科研实际难题的过程中，教师和学生协同，校企双方在原理、技术、水平上都有不同程度的提高，使得高校的教学科研与生产实际相融合，更有利于企业与学校的横向合作，实现双赢。

　　三、资源协同 　　1.教师协同

　　自控原理课程学时多，选修的学生多，学生的学习要求层次多，一名专业课教师可能由于种种原因不能完全胜任对几十甚至百余名学生的指导工作，但多个教师联合起来的力量将会更大，两位或是几位教师分章节上同一门课，各有各的精彩和特长，教师还能有更多整块的时间和精力去搞科研，再来反哺教学。这种多教师协同培养方式，打破了传统的一对多的师生关系，拓展到了多对多，能拓宽学生的研究思路和技术领域。

　　2.多专业学生协同创新

　　我院组织电气工程及自动化专业学生参加全国电子大赛、省级大赛很多年了，最近两年又组织学生参加校级大学生创新项目、职业技能大赛，其它学院也开始参加这几个比赛。过程中发现：控制专业的学生尽管自动控制原理、检测、电机、PLC等已经学习过，但机械及数学建模等知识了解的不深入，有时题目要求的系统模型都很难建立起来，就谈不到后续的控制及编程；而机械、数学等专业的学生，控制方法和编程又稍弱，比赛成绩不尽人意甚至直接被淘汰。试想，大学在组织管理、绩效评价、权益分配等协同机制上有所作为，将电气工程、自动化、机电、通信、数学、电路、控制等多学科交叉协同，不同专业的优秀教师和学生协同组成一个科技小组，在平时的学习和科研中，技术技能专业知识相互弥补，相得益彰。在学习过程中，自然分出层次，然后推荐不同的学生参加适合的大学生竞赛，学生在协同创新的训练后势必有新的突破。在2014年的黑龙江省大学生电子设计大赛中，所有参赛学生均获奖，一等奖一名、二等奖一名、三等奖两名，成绩为历年来最优。以各项比赛为契机，促进学生对自动控制原理课程及其它相关专业课的理解与掌握。

　　3.仪器设备协同

　　大学的实验室存在仪器设备分散，设备利用率低，学生的实验相对封闭，选修自控原理的学生多，但本专业的实验设备不足，对其它实验室的设备只能望洋兴叹，学生的实验效果不好也无计可施。当各学院之间、实验室之间、学科之间作为竞争者时，相互的合作就会更少[4]。但是，当相关专业有意愿协同创新时，教师的资源与实验室的资源就能自由组合，更好的发挥整体的实力。

　　4.多专家协同

　　传统课程例如经典的自动控制原理课几十年来的讲授，容易使学生形成固定的思维和模式，任课教师经常鼓励学生们尝试用其它学科的思维方法研究本课程的问题。为此，学院每学期都尽力请一些不同方向的专家走进课堂，在相互交流相互碰撞中，促进了学生思考，开拓了学生的视野，触类旁通，学生们比以前更能活学活用控制原理的精髓，对不同的控制系统不再有为难情绪，在系统分析和设计过程中，几种设计方法进行比较，思考利弊，非常有利于学生的协同创新，这种方式很受学生欢迎。

　　四、结语

　　本文基于协同创新模式下的自动控制原理课程的教学研究发现，通过教学方式和教学手段的改革，加强实践教学和学科交叉，学生很大程度的由惰性学习转变为协同创新性学习，在以学生、教师、企业等多种资源协同学习的弹性平台上，有助于学生更深入的掌握经典的自动控制原理课程，有助于促进学生学用结合，有助于实现自动控制原理课程教学质量的提升。实践协同创新模式，教师教学与科研能力都不同程度得到了提升，综合提高了师生解决实际问题的实践创新能力。

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