摘要:根據(jù)電子電氣(EE)類各專業(yè)的教學實際,針對“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程中許多知識相互重復的弊端,提出了將其科學地綜合成“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的具體方案,提出了依照“先信號、后系統(tǒng),先連續(xù)、后離散”的順序,按分析方法展開的知識結(jié)構,并在開設試驗班與出版新教材的實踐基礎上,從符合學生認知規(guī)律、節(jié)省總課時和加快中國新世紀人才培養(yǎng)步伐等方面,進行了“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程意義的思考。
　　關鍵詞:信號;系統(tǒng);控制理論;新課程;實踐與思考
　　中圖分類號:G644文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2009)30-0231-03
　　
　　由于歷史的原因,“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等關系十分密切的基礎理論課,一直以來基本上是各自獨立發(fā)展;這使得“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”既有各自的側(cè)重面,更有許多的共通之處[1～6](見圖1),多年的教學實踐使我們對此深有感受。
　　“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程同屬電子電氣(EE)類各專業(yè)的重要基礎理論課,在國內(nèi)兄弟院校的教學計劃中,許多都是同期開設的[7],這樣就必然造成 “單科學時不夠、整體學時浪費、知識重復、教學效果不理想”的現(xiàn)狀,與當前中國高等教育教學改革的環(huán)境不符,與中國高校課程開發(fā)與優(yōu)化組合的總趨勢不符。
　　在上述專業(yè)基礎理論課程的學習中,很多學生反映:由于“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程的知識重復現(xiàn)象,也由于基礎理論課程本身的抽象與難度,往往使學生產(chǎn)生多種困惑,不知道為什么要重復、不知道這些理論之間是什么關系、甚至不知道究竟學了些什么……。
　　在中國高等教育教學改革深化的今天,我們要著力凸現(xiàn)對學生“問題意識”、“自主意識”和“創(chuàng)新精神”的培養(yǎng),做到互動式教學、在教學中以學生為本(人本主義),使學生處于“發(fā)現(xiàn)學習”的狀態(tài)(美國教育心理學家布魯諾的基本觀點)、處于建構主義狀態(tài)(18世紀哲學家Giambattisita Vico提出),使大學生清楚認識到自己在學習什么、建構什么……,要做到這些,條理清晰、邏輯嚴密的嶄新課程與教材是必不可少的。
　　(一)新課程的知識結(jié)構
　　針對目前“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等教材存在的“知識重復”問題,結(jié)合電子電氣(EE)類各專業(yè)教學計劃與教學實踐,我們經(jīng)過認真總結(jié)、思考和研究,慎重提出綜合后新課程的知識結(jié)構如圖2所示,并將新課程命名為“信號、系統(tǒng)與控制理論”。
　　(二)構建新課程知識體系的原則與依據(jù)
　　1.一定要確�；�礎理論知識的完整性、科學性和連續(xù)性。“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程作為電子電氣(EE)類各專業(yè)的基礎理論,需要很強的完整性、科學性和連續(xù)性,對于“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程,更應如此。
　　考察圖1不難發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”課程在信號的分析方面比較透徹,而現(xiàn)行“自動控制理論”課程則在系統(tǒng)的分析方面比較透徹;也就是說,現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”課程在系統(tǒng)的分析方面稍嫌不足,而現(xiàn)行“自動控制理論”課程則在信號的分析方面比較薄弱;二者在“分析方法”的介紹方面,則基本是重復的。“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程將“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程有機地結(jié)合以后,不僅能充分發(fā)揮現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程各自的優(yōu)點,而且能互相彌補各自的不足,使基礎理論課程的完整性、科學性和連續(xù)性更加鮮明突出。
　　2.一定要符合學生的認知規(guī)律。“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程內(nèi)容的確定應該科學、完整和清晰,不再存在冗重復的現(xiàn)象,要理順“信號、系統(tǒng)與控制”三者之間的復雜關系,要符合學生的認知規(guī)律,使學生知道正在學什么、將要學什么、學了有什么用。
　　基于以上考慮,我們將“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的內(nèi)容分為上、中、下三篇。其中,上篇是基礎、中篇是重點、下篇則是課程的現(xiàn)代內(nèi)容與發(fā)展。
　　3.新課程的教學實現(xiàn)一定要有符合不同專業(yè)實際需求的詳略取舍方案。在“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程實施教學之前,一定要根據(jù)不同專業(yè)的實際需求,確定上、中、下各篇內(nèi)容在教學使用中的詳略取舍方案,為新課程的教學實施提供合理的選擇與安排。
　　(三)新課程的知識結(jié)構
　　“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的知識結(jié)構如圖2所示。圖2的知識結(jié)構又具體劃分為上、中、下三篇。上篇基礎部分的基本知識結(jié)構前面已經(jīng)表述,故不重復。
　　中篇部分的重點內(nèi)容則主要包括時域分析法的特點、連續(xù)與離散信號的時域分析、連續(xù)與離散系統(tǒng)的時域分析;頻域分析法的特點、連續(xù)與離散信號的頻域分析、連續(xù)與離散系統(tǒng)的頻域分析;復域分析法的特點、連續(xù)與離散信號的復域分析、連續(xù)與離散系統(tǒng)的復域分析;控制系統(tǒng)的校正與設計、非線性控制系統(tǒng)的分析等。
　　對于時域分析法的介紹,既要強調(diào)時域分析的基礎性,又要指出微分方程經(jīng)典解法的煩瑣問題,并強調(diào)在LTI系統(tǒng)范圍,有更加簡便、實用的頻域分析方法和復頻域分析方法;因此,對于微分方程“經(jīng)典解法”內(nèi)容的介紹,完全可以少花點時間;而對于簡便、實用的頻域分析方法和復頻域分析方法的介紹,則可以充實、加強。
　　考慮后續(xù)課程“計算機仿真”將詳細研究MATLAB方法,因此,本課程只在控制系統(tǒng)的校正與設計中,對MATLAB方法及其應用,給予適當?shù)某醪浇榻B。
　　下篇對課程的現(xiàn)代內(nèi)容與發(fā)展的介紹,主要突出狀態(tài)空間分析法重點,同時包括系統(tǒng)的綜合問題;需要增強基本例題的力度,注入趣味性,引發(fā)學生對理論課的學習熱情。對于最優(yōu)控制問題,則可以隨專業(yè)發(fā)展的不同要求而定。
　　1.新課程的知識結(jié)構更符合學生的認知規(guī)律,能提高理論課程的教學質(zhì)量。通過圖1與圖2的對照可知“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程不僅能夠壓縮“信號與系統(tǒng)”、“自動控制原理”和“現(xiàn)代控制理論”等現(xiàn)有教材的累計冗余空間,而且能使學生的理論知識更加系統(tǒng)、牢固與清晰,使教學效果明顯改善。
　　“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程將內(nèi)容劃分為上、中、下三篇后,按照先信號、后系統(tǒng),先連續(xù)、后離散的順序,依分析方法展開的知識結(jié)構克服了原來相近課程之間知識重復的弊端,符合由淺入深、循序漸進的認知規(guī)律,具有邏輯嚴密、條理清晰、完整連續(xù)的特點,因而確保了理論知識的完整性、科學性和連續(xù)性;容易被學生接受,能培養(yǎng)大學生對理論課程的學習興趣,提高理論課程的教學質(zhì)量。
　　2.新課程的知識結(jié)構能夠節(jié)省總課時、加快中國新世紀人才培養(yǎng)的步伐。由圖1可知:現(xiàn)行“信號與系統(tǒng)”和“自動控制理論”等課程在時域、頻域、復域和狀態(tài)空間分析方法的介紹方面,存在著嚴重的重復現(xiàn)象,必然造成了理論課時的浪費;也就是說,“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程克服了這種重復,能夠節(jié)省一定的理論課時�？紤]國內(nèi)不同院校、不同專業(yè)教學計劃存在差異的現(xiàn)狀,一般而言“信號、系統(tǒng)與控制理論”新課程的最終總課時可以比現(xiàn)在“信號與系統(tǒng)”、“自動控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”三門課程的累計總課時壓縮20 % 左右。
　　在湖南文理學院電氣與信息工程學院59名自動化專業(yè)學生中的試驗班教學實踐,確實證明了這一點。湖南文理學院電氣工程系2004級自動化專業(yè)試驗班與普通班的教學實踐對照如表1。
　　需要指出,表1中普通班的理論課時是經(jīng)過厚基礎、薄專業(yè)的教學改革后,已經(jīng)壓縮過的(教學改革前,理論課時為54+70+34、實驗課時為10+10+6)。盡管如此,試驗班仍然提供了足夠大的節(jié)省空間;而且,在考卷相同、集體流水判卷的情況下,試驗班與普通班的期考平均成績差別不大,甚至略有增加;更何況試驗班在節(jié)省了20課時后,擴展了學生的自主空間,體現(xiàn)了以學生為本的教育思想,有利于提高學生的創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì),這正是我們所期待與需要的“加快中國新世紀人才培養(yǎng)步伐”的長遠效益啊。
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