摘要：本文针对“高级控制及系统设计”这门课程的教学目标以及在实际教学中存在的问题，主张对该课程教学内容进行整合，改革现有教学方法，激发学生的学习兴趣，联系相关课程，加强实践教学，培养学生素质，激发其创造力和想像力。
关键词：高级控制 教学内容 教学方法 创新精神
1、前言
“面向现代化、面向世界、面向未来”,是高等教育战线培养和造就一代创造型人才的战略任务。而教学是实现高等教育培养高级专门人才这个根本任务的基本途径,是教师工作的首要任务。
目前，先进控制技术(Advanced Process Control——APC)技术快速发展,受到自动控制理论界的关注,成为自动控制理论研究的热点。传统的PID控制在工业生产控制中起到了很好的作用,但是,随着现代工业生产过程大型化?复杂化,对生产过程的产品质量、产率、安全以及环境影响的控制要求越来越严格,许多复杂、多变量、时变的而且又是生产过程的关键系统的控制,常规PID控制已不能胜任。从60年代起，人们一直想把现代控制理论用于工业生产控制,到了80年代基于模型的预测控制在工业生产过程中的成功应用，才打破了现代控制理论在工业生产控制不适用的僵局。高级控制及系统设计这门课程即介绍这些先进控制方法以及它们在工业生产中的应用。
该课程教学目标是通过介绍先进控制方法以及它们在工业生产中的应用,使学生具备一定的先进控制理论知识、提高其专业水平的同时,培养学生的逻辑思维能力、分析问题解决问题能力以及创新能力、为了培养学生的这些能力,必须改革教学方法及内容,必须倡导理论与实际相结合,但是长期以来在这门课程的教学中存在着教学手段单一、教学与实际分离的情况,这与培养现代化的创造型技术人才的目标是不和谐的。
2、 高级控制及系统设计教学中存在的问题
(1)传统的教学方式占主导地位,教师讲课的方式依然是满堂灌,指导方式粗放,学生在课堂上基本是听,很少有机会发表意见?学生上课前不看书、不提交读书报告、不讨论以及不注重学习计划的制定等等。教师与学生的交流是单向式的而非双向式的,教师和学生不能进行深入的探讨和学习。
(2)教师讲课重视知识的传授,而缺乏方法论教育。由于我国教育体制的影响,学生的学习倾向于围绕老师、围绕书本、围绕考试而进行的知识学习,而教师亦因为学时少与内容多矛盾的进一步突出疲于赶进度,对学生缺乏方法论的教育,阻碍了学生思辩能力和创新能力的培养。
(3)学生的水平参差不齐,教师在讲述专业知识时不能兼顾学生的各自差异情况,只能按统一的标准讲授。
(4)该课程理论性、抽象性较强,致使难教难学的问题普遍存在。学生学习枯燥,没有兴趣。
(5)高级控制及系统设计的理论教学不能与实际相结合,缺乏实验实践,学生只能感性理解,不能动手,不能有效激发学生学习积极性。
3、高级控制及系统设计教学的再探讨
为了使学生掌握专业知识的同时,提高逻辑思维能力、分析问题解决问题能力以及创新能力，必须对该门课程现有的教学内容和方法进行改革,必须倡导理论与实际相结合,激发学生的学习兴趣，实现教学统一。
3.1 整合教学内容、多种教材并用。
在《高级控制及系统设计》这门课程的教学中，存在教学内容简单陈旧，深度不够，内容更新较慢，设计学科发展前沿较少的情况。为了实现教学目标，对教学内容进行全面整合是要解决的首要问题。
整合后的教学内容如下：
（1）常用复杂控制系统简介
（2）纯滞后补偿控制系统
（3）内模控制
（4）预测控制
（5）故障检测诊断技术
这几部分的内容层次分明，循序渐进的，教师在讲解内容的时候需要不断强化基础理论知识，然后结合实际应用进行举例和阐述。
在教材的选择方面，采用一本教材为主，多本参考书为辅的方式，使学生全面、深刻的了解到该学科涉及到的专业知识。
选取的教材和参考书目如下：
教材：《工业过程先进控制》俞金寿主编 中国石化出版社 2002年出版
主要参考书：
1、先进控制技术及应用王树青编著化学工业出版社
2、过程控制工程蒋慰孙俞金寿编著烃加工出版社
3、预测控制席裕庚 著国防工业出版社
4、预测控制系统及其应用舒迪前编著机械工业出版社
5、线性系统理论郑大钟编著清华大学出版社
6、现代控制工程[美]Katsuhiko Ogata著电子工业出版社
3.2 改革教学方法、激发学生兴趣。
随着各高校研究生招生规模的扩大和素质教育、创新教育的逐步推广,传统的教学模式和教学方法面临着巨大挑战。改变现有的落后的教学方式，主要包括：发挥学生主体教师主导的作用，注重控制学的方法论教育；优化教学内容顺序，加强学生专业基础训练，合理安排时间；多种方式教学，激发学生兴趣；改革考核方式，正确评价学习效果这几方面。
3.2.1 发挥学生主体教师主导的作用，注重控制学的方法论教育
教学是以一定的方法和手段实现的过程。要充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用。在传授知识的同时，注重方法的介绍、思维的培养和能力的提高。为此，首先要明确三个转变:一是教师角色的转变;二是学生地位的转变;三是教学过程的转变。体现以教法为主导，学法为主体的依存关系。注重案例教学，启发式教学、演示教学、研究教学、网络教学等多种灵活的教学方法。充分调动学生学习的积极性和主动性，不断开发其思维想象力，使学生从被动的接受者转变为主动的参与者，从而提高他们的学习效率。
任何一门学科都有自己的教学思想和教学方法，而每一门学科的具体知识都是在不断发展的，是“学”不完的，只有掌握其思想和方法，才能取得更高层次的发展;可以说控制学的思想和研究方法的掌握是立足长远的，是能使学生们终身受益的；而对知识的记忆则是暂时的，只能使同学们受益一时，正所谓“授人以鱼”，不如“授人以渔”。而且学生们学习控制学的过程不仅是简单的知识积累，更是一个活跃的思维训练过程。因此在教学中应重视讲授控制论的发展思想和研究方法。
3.2.2 优化教学内容顺序，加强学生专业基础训练，合理安排时间
针对学生的水平参差不齐的情况，教学顺序由浅入深，本课程首先用一章介绍了一些常用复杂控制系统。然后对于大纯滞后系统，针对自1957年Smith提出Smith预估计补偿控制器以来，由于Smith预估补偿器对参数变化灵敏度极高，又相继出现了各种改进Smith预估计补偿控制方法，例如，观测补偿器控制方案、纯滞后对象采样控制等作详细的讲解。
先进控制是基于模型的控制，在以上内容的基础上，分别介绍基于模型控制的两种类型与方法。其中先讨论内模控制，内容包括内模控制的基本原理，内模控制器的设计方法（包括连续的和离散的过程），简化模型预测控制，以及内模控制工业应用例子；再讨论模型预测控制，其中包括预测控制的基本算法，及模型算法控制、动态矩阵控制和广义预测控制，大时滞控制过程的预测控制及应用等。最后为了扩大学生的知识面，介绍故障检测诊断技术。
重点抓好基础理论教学。由于这一部分是课程的基础，必须强调记忆和理解相结合的原则，使学生具有扎实的基本功底。合理安排时间，对基础性原理性的东西作详细讲解，但冗长的推导过程则要学生们课下自己领悟，力求充分利用课堂上的每一分钟。
3.2.3 多种方式教学，激发学生兴趣
传统教学方式仅停留在教材、黑板和幻灯片上,偶尔也会使用录像设备,但大量的知识点要靠教师进行讲解和板书。这种教学手段既费时又沉闷,并难以调动研究生的学习兴趣和积极性。因此采用多媒体教学的方式,使课堂教学生动形象,能够高度调动学生的学习主动性和自觉性,能够缩短掌握知识的时间并有效扩展了课时的容量。传统的以“教”为中心的课堂教学模式中,教师是教学进程的控制者,教学活动的设计者、实施者,要求学生要专注于教师的讲解,认真记笔记,且课堂教学具有明显的时序性。采用多媒体技术进行教学,学生可通过复制多媒体课件或通过网络多媒体教学课件的方法,对所学知识进行复习以巩固课堂知识或对课堂上不明白的知识点进行思考、研究,从而达到对知识的理解贯通。
由于本课程理论性较强,具有抽象性比较高的特点。传统的单凭教师在黑板上进行推理分析及用语言进行描述的课堂教学致使学生难以理解,因此改变教学方法，通过运用生动、直观的多媒体动画演示,使知识形象化、直观化,激发学生的学习兴趣,调动其主动学习的积极性。另外,在授课过程中,还可以引入丰富多彩的图片、表格、数据及大量的相关背景资料,以拓宽学生的知识面,从而有助于对知识点的理解和掌握。
但是在教学中运用多媒体技术可以理解为在传统教学基础上增加了多媒体这一特殊工具的教学,多媒体技术在教学中只能起“辅助”的作用,不能完全替代传统的教学模式。因此教学时,多媒体与传统媒体要协调运用、互相补充,正确处理操作时间与适时的课堂讲解、板书、交互、反思时间的关系。
3.2.4 改革考核方式，正确评价学习效果
传统的教学方式的单一性导致学生考核以考试为唯一标准，过多强调以教师所教内容为考试标准，对学生的综合思维和能力检查不够，而且也缺乏对考试手段和模式的研究，其结果是学生过多地关心考试范围和考试内容，形成了“靠什么，学什么”的趋势，知识面和深度受到影响，影响学生的创新精神不足，创造能力下降。
因此本课程采用多元化的考核方式：本课程要求学生作课程作业和课程报告，课程作业和课程报告是提高学生思维和加强专业基础理论训练的良好方法。课程报告是课堂内容的衍生和扩展，也是学生升华学术思维的良好途径，课堂作业要求学生选题紧扣课程内容 ，具有一定的难度和足够的工作含量；要求学生提交论文，通过学生自我选题，结合国内外学科的研究进展，在课堂上尽心分析和讨论，既扩大了学生的视野，也提高了学生主动汲取知识的意识。从而促使学生在学术思维训练中提高真知。
3.3 联系相关课程，加强实践教学
实践的过程是学生主观和客观相统一的过程。在实践过程中，学生即可以把自身所学知识转化为实际运用，养成一定技能技巧动手操作能力。学生应用知识解决各种实际问题，这种运用不是书本、课堂知识的简单重复，而要经过头脑加以消化，分析综合、加工处理后的运用。这就需要学生对实际问题进行抽象，建立理论模型，然后再回到实际中去，使认识发生质的飞跃，从而达到创新思维和创新能力的培养目的。
因此，在本课程的教学中，联系相关的课程“可编程序控制器”，加入实验环节，提高学生的动手能力、分析问题解决问题的能力。现代可编程序控制器是一种通用的自动控制装置，它以微处理器为核心，将计算机技术、自动化技术、通信技术融为一体，成为现代工业实现自动化的核心设备,有很强的实用性和广泛应用。通过实验，提高学生自学的能力，包括实验仪器的性能及操作能力，实验方法的掌握能力；并通过实验培养解决实际问题的能力；实验报告的编写、总结实验结果的能力。
实验过程要求学生了解可编程序控制器的结构、工作原理、分类、技术规范；根据生产的控制要求，合理选择可编程序控制器及配件，组成PLC控制系统。包括的基本理论有：熟悉西门子S7-200系列可编程序控制器的编程语言和编程方法，根据具体对象和控制要求，编写出正确的应用程序；熟练掌握STEP7-Micro/WIN 32编程软件使用方法，能应用该软件进行PLC应用程序的编辑、调试、装载、运行，以及系统组态。
实验方式采取开放式。不仅要在时间上实行开放，让学生有更大的自由度，而且在内容上也要开放，由学生自己设计实验系统，既使学生耳闻目睹又亲自动手，培养学生的动手能力，进行技能训练，同时也扩展学生的专业知识，增强了适应性。
3.4 培养学生素质，激发创新精神
素质是人们认识和处理事务的一种心理品质，它是以前天生理条件为基础，在后天环境下逐渐形成的。从教育的角度看，人的某种素质具体地表现为关于这方面的悟性与潜能。21世纪的经济是知识经济，21世纪的发展取决于创新发展，21世纪的竞争本质上就是创造性的竟争，“知识经济、创新意识对我国21世纪的发展至关重要”，“一个没有创新能力的民族，难以屹立于世界先进民族之林”。因此培养具有一定创新精神的高素质人才，是当前教育教学改革的关键内容，也是21世纪经济社会发展的迫切需要。作为工作在教学第一线的教师理应在这方面作出应有的贡献。
教学过程的创造性特点是指让学生在掌握继续前人积累的专业理论知识基础上，从事探索活动、发展创造能力，获得科学方法和创新精神的过程。高远辽阔的思维空间、自由放松的思想境地和开放活泼的思维状态是创新的理想条件。我们的传统教育没有创新的空间和时间,学生没有创新思考的习惯。传统的课堂教学过程中,教员限制学生,学生迷信教员,学生的思维和见解易被禁锢。“讨论式”教学模式可提供宽松的教学环境,建立平等的学术研究环境。教师在课堂上应留出一定的时间让学生阅读、思考和提问，引导学生分析问题和解决问题，即要让他们获取某一学科的知识，又要让他们通过动手动脑掌握获取知识的方法，成为知识的探索者、创造者。上述几点中提到的考核方式的改变，实验环节的加入都可以在一定程度上提高学生的素质，激发他们的创新精神。
激发学生的创造性要在重视课堂的稳定性时要允许可变性。教学过程中出现干扰、错误、突变应当理解给予耐心，视其为创造性思维相伴的自然现象，是向教材、向权威挑战的表现，是寻找答案非唯一性的自然结果;纳人学生的经验，为学生表达体验和奇思妙想留出空间。好奇心的刺激、智慧的挑战和思维灵感的发挥能让学生感受到学习的快乐，成就感得到满足。
4、结束语
高级控制及系统设计教学的最终目的不仅要求同学们掌握先进控制学的基本知识，而且要通过传授专业知识，使学生掌握控制学的学习方法，提高同学们独立的观察向题、分析问题和解决间题的能力;能够理论联系实际，具有终身学习的能力，勤于思维、勇于创新，做一个既掌握科学方法，又具有科学精神、科学态度，勇于为祖国而献身的高素质技术人才。
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