摘要:根據電子電氣(EE)類各專業的教學實際,針對“信號與系統”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、系統與控制理論”新課程的具體方案,提出了依照“先信號、后系統,先連續、后離散”的順序,按分析方法展開的知識結構,并在開設試驗班與出版新教材的實踐基礎上,從符合學生認知規律、節省總課時和加快中國新世紀人才培養步伐等方面,進行了“信號、系統與控制理論”新課程意義的思考。
　　關鍵詞:信號;系統;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”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展;這使得“信號與系統”和“自動控制理論”既有各自的側重面,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”和“自動控制理論”等課程同屬電子電氣(EE)類各專業的重要基礎理論課,在國內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”的現狀,與當前中國高等教育教學改革的環境不符,與中國高校課程開發與優化組合的總趨勢不符。
　　在上述專業基礎理論課程的學習中,很多學生反映:由于“信號與系統”和“自動控制理論”等課程的知識重復現象,也由于基礎理論課程本身的抽象與難度,往往使學生產生多種困惑,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,我們要著力凸現對學生“問題意識”、“自主意識”和“創新精神”的培養,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“發現學習”的狀態(美國教育心理學家布魯諾的基本觀點)、處于建構主義狀態(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)新課程的知識結構
　　針對目前“信號與系統”和“自動控制理論”等教材存在的“知識重復”問題,結合電子電氣(EE)類各專業教學計劃與教學實踐,我們經過認真總結、思考和研究,慎重提出綜合后新課程的知識結構如圖2所示,并將新課程命名為“信號、系統與控制理論”。
　　(二)構建新課程知識體系的原則與依據
　　1.一定要確保基礎理論知識的完整性、科學性和連續性。“信號與系統”和“自動控制理論”等課程作為電子電氣(EE)類各專業的基礎理論,需要很強的完整性、科學性和連續性,對于“信號、系統與控制理論”新課程,更應如此。
　　考察圖1不難發現,現行“信號與系統”課程在信號的分析方面比較透徹,而現行“自動控制理論”課程則在系統的分析方面比較透徹;也就是說,現行“信號與系統”課程在系統的分析方面稍嫌不足,而現行“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、系統與控制理論”新課程將“信號與系統”和“自動控制理論”等課程有機地結合以后,不僅能充分發揮現行“信號與系統”和“自動控制理論”等課程各自的優點,而且能互相彌補各自的不足,使基礎理論課程的完整性、科學性和連續性更加鮮明突出。
　　2.一定要符合學生的認知規律。“信號、系統與控制理論”新課程內容的確定應該科學、完整和清晰,不再存在冗重復的現象,要理順“信號、系統與控制”三者之間的復雜關系,要符合學生的認知規律,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、系統與控制理論”新課程的內容分為上、中、下三篇。其中,上篇是基礎、中篇是重點、下篇則是課程的現代內容與發展。
　　3.新課程的教學實現一定要有符合不同專業實際需求的詳略取舍方案。在“信號、系統與控制理論”新課程實施教學之前,一定要根據不同專業的實際需求,確定上、中、下各篇內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)新課程的知識結構
　　“信號、系統與控制理論”新課程的知識結構如圖2所示。圖2的知識結構又具體劃分為上、中、下三篇。上篇基礎部分的基本知識結構前面已經表述,故不重復。
　　中篇部分的重點內容則主要包括時域分析法的特點、連續與離散信號的時域分析、連續與離散系統的時域分析;頻域分析法的特點、連續與離散信號的頻域分析、連續與離散系統的頻域分析;復域分析法的特點、連續與離散信號的復域分析、連續與離散系統的復域分析;控制系統的校正與設計、非線性控制系統的分析等。
　　對于時域分析法的介紹,既要強調時域分析的基礎性,又要指出微分方程經典解法的煩瑣問題,并強調在LTI系統范圍,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“經典解法”內容的介紹,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的校正與設計中,對MATLAB方法及其應用,給予適當的初步介紹。
　　下篇對課程的現代內容與發展的介紹,主要突出狀態空間分析法重點,同時包括系統的綜合問題;需要增強基本例題的力度,注入趣味性,引發學生對理論課的學習熱情。對于最優控制問題,則可以隨專業發展的不同要求而定。
　　1.新課程的知識結構更符合學生的認知規律,能提高理論課程的教學質量。通過圖1與圖2的對照可知“信號、系統與控制理論”新課程不僅能夠壓縮“信號與系統”、“自動控制原理”和“現代控制理論”等現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、牢固與清晰,使教學效果明顯改善。
　　“信號、系統與控制理論”新課程將內容劃分為上、中、下三篇后,按照先信號、后系統,先連續、后離散的順序,依分析方法展開的知識結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、循序漸進的認知規律,具有邏輯嚴密、條理清晰、完整連續的特點,因而確保了理論知識的完整性、科學性和連續性;容易被學生接受,能培養大學生對理論課程的學習興趣,提高理論課程的教學質量。
　　2.新課程的知識結構能夠節省總課時、加快中國新世紀人才培養的步伐。由圖1可知:現行“信號與系統”和“自動控制理論”等課程在時域、頻域、復域和狀態空間分析方法的介紹方面,存在著嚴重的重復現象,必然造成了理論課時的浪費;也就是說,“信號、系統與控制理論”新課程克服了這種重復,能夠節省一定的理論課時。考慮國內不同院校、不同專業教學計劃存在差異的現狀,一般而言“信號、系統與控制理論”新課程的最終總課時可以比現在“信號與系統”、“自動控制理論”和“現代控制理論”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過厚基礎、薄專業的教學改革后,已經壓縮過的(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;更何況試驗班在節省了20課時后,擴展了學生的自主空間,體現了以學生為本的教育思想,有利于提高學生的創新能力與綜合素質,這正是我們所期待與需要的“加快中國新世紀人才培養步伐”的長遠效益啊。
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