（1）从教师的角度来讲，在课堂上以光纤技术基础为主，同时在有学科交叉点的地方有意识地对几部分相关内容进行类比，为学生提出思路。本课程重点关注以下几个方面：在分析光纤器件的传输特性时，加入对通信信道方面的讲解，使得学生能在学过通信原理后，对通信原理有一个具体的认识。在讲述光纤器件的传输特性时，介绍有关数理方程的发展历史，指出数理方程在电磁场理论分析中的地位，给出相关的参考书目，方便学生扩大知识面。
（2）提出具有深度、可供学生思考、有助于形成网状知识结构的问题或课后思考题。
例如，思考微波波导器件中的阻抗与光学中的折射率的关系，即如何将阻抗的计算应用于光学器件的分析与设计及光纤模式中模式的阻抗分析，该问题有助于学生将微波应用和光纤模式理论相统一，扩大学生对电磁场模式理论的认知。如要求学生查阅光纤预制棒相关的制造工艺，并利用现有的自动控制系统方法，给出系统的概念性分析和原理性设计，有兴趣者可进一步分析其特点或在教师的指点下参观实验室的运作，加深对自动控制在化工生产中的应用的理解。
（3）应用多种教学手段。计算机的普及给教学带来了极大的方便，通过计算机的仿真使学生可以对抽象的概念具有直观的印象，达到快速掌握的目的。以光纤中模式的传输为例，学生在学过“光纤技术基础”课程后，对模式的理解常常不足，因为模式是一个很抽象的概念。如果将模式在光纤中的传输通过学习小组使用Matlab 等工具，做成动画播放，不仅能使学生掌握Matlab 计算工具，同时也能通过仿真使学生对模式形成感性认识，最终对抽象的问题产生深刻的印象。笔者在教学中就采用了一定量的动画，取得了较好的效果。
课堂教学以多媒体电子课件为主，黑板为辅。“光纤技术基础”的多媒体课件在应用过程中不断完善，符合学生的认知规律，使课堂信息量不断增大深受学生好评。经过多年改进，现已基本实现课件内容与教师讲授同步。对公式推导较多的内容（如光纤的模式理论、微扰理论和耦合模方程等），则采用交互性很强的“黑板＋粉笔”这种传统方式，以有效地抓住学生的视线。由于授课内容多、信息量大，为避免学生疲于记笔记，影响听课效果，多媒体电子课件上给出了较为详细的推导过程，学生只需认真听课，跟紧主线，记录要点，即可以方便地吸收前人的知识。
（4）精选讲课内容，融最新发展和基础知识为一体，了解所学知识的技术发展定位。
由于笔者一直从事信息光电子技术方面的科研工作，因而可以将科研中的应用技术和近期科研成果介绍给学生，并且给学生指出目前研究中的进展和待研究之处，激发学生探索未知领域的兴趣。在每学期拟做一次随堂的报告，重点讲解光电技术的发展和定位，以及所学的知识在目前工业领域事的应用，其内容包括在fs 激光系统中用到的晶体光学、调Q、锁模、选模、倍频、光学参量振荡等技术和反射器、F －P 标准具、偏振器、波片、滤光器等光学元件。
五、总结
教学实践表明，对“光纤技术基础”这种具有广域课程特性的课程而言，传统的注入式教学法不能使学生充分发挥能动性、主动掌握该学科的知识。研究性教学不仅应着眼于学科中的基础性问题，同时还应集中于学科中的前沿性问题，对于教学而言，二者不可偏废。
本着强化基础知识、开拓学术视野、培养创新思维的指导思想，笔者分别从教学方法、教学手段和教学组织几方面入手，在教学实践中进行了改进。通过培养学生对本课程的兴趣，使学生主动地投入到课程的学习和当前热点的研究中，使相关的知识结构形成网状，提高解决问题的技能，形成自主研究和创新的能力。
“计算机控制系统”研究性教学探索
张三同，付文秀，周永华，赵俊慧
（北京交通大学电子信息工程学院，100044）
摘要：作者对“计算机控制系统”课程研究性教学进行了探索，就教学内容的学术深度和新颖性、教学过程的启发引导与互动、实验自主设计3方面进行了研究，基本实现了素质教育、工程教育、创新教育紧密结合，理论教学、实验教学、计算机分析相结合，培养了学生综合应用课程所学知识解决实际控制问题的能力，对研究性教学模式和内容进行了有益的探索。
关键词：研究性教学 计算机控制系统 素质教育
研究性学习与研究性教学是新世纪教育发展的必然趋势和要求，是创建研究型大学的重要组成部分。根据研究型大学的要求及“计算机控制系统”课程的特点，本文认为开展研究性教学，需要坚持下列教学理念：第一是坚持“素质与创新”紧密结合，加强基础，强化工程概念，激发创新精神；第二是坚持“理论教学、实验教学、计算机分析”相结合，提高学生分析问题和解决问题的综合能力；第三是坚持相关课程的整合，形成系列化的完整教学体系，提高课程的教学效率。在一流的大学，控制应该作为工程与科学课程必修部分。
结合几年来的教学经验，本文认为应从以下几点改进。
一、教学内容强调学术深度和新颖性
深度是指基本教学内容的深层次的内涵。追求教学内容的深度，不仅可以引导学生加深对基本教学内容的理解，而且可以激发学生的创新精神学习。新颖性是指将“计算机控制系统”最新的发展、新成果、新应用等引入教学，这可以激发学生的学习兴趣和求知欲望。
根据“计算机控制系统”的特点，可以从以下几方面挖掘基本教学内容的深度和新性颖。
1.控制系统建模
控制问题要基于模型，对同一个对象可以建立几种模型，如微分方程、传递函数、频域特性、状态空间表达式等。给出几种模型的建立过程、相互的关系、拉氏变换、傅立叶变换等，可以让学生明白机电类课程本质上的联系，以形成系统的、整体的认识。复杂系统的建模和分析一直是尚未很好解决的学术问题，可用于激发学生的学习兴趣。
2.时间驱动、数据驱动和事件驱动的控制
这些控制系统的特点、区别与联系是怎样的？在没有模型的情况下它们是如何控制的？
这样给出最近的控制理论发展的新问题，也能激发学生的学习兴趣和探索动力。避免学生只限于书本知识，感觉学习乏味。
3.人工智能
研究人类思维活动的规律，一直是一个富有挑战性的问题，需要用到智能控制方法。当然，计算机控制发展到今天，还有许多新理论和新方法，如神经网络、模糊逻辑、机器学习等方法都已经应用于计算机控制系统，取得了一些可喜成果。
二、教学过程强调启发引导与互动
“计算机控制系统”课程的研究性教学需要活跃的课堂气氛，为此，在课堂教学的过程中需要启发、引导学生的思维活动：需要采用讨论式、互动式的教学方法，特别是要善于激发学生听课的热情和积极性，使他们不仅带着耳朵和眼睛来上课，更重要的是带着大脑来上课。本文认为应从以下几方面进行加强。
1.思想
首先要善于从需求或科学发展方面提出问题，就是要讲清楚“为什么要讲这个问题”。
问题可以立足于许多方面，可以从生活中或工程实际中提出问题。例如，在自动控制原理、计算机控制系统等课程里都讲到频率特性，为什么？当然，有的同学说是为研究正弦波或周期量，也的确是对的。光这样理解还不够。在自然界中，在空间上，地球绕太阳周期性地旋转，地球本身又周期性地自转，全是周期量；在时间上，一年又一年，一月又一月，一周又一周……全是周期量，说明周期量是普遍存在的。其次，分析和解决问题。为什么通常研究最多的是正弦波？因为傅里叶级数可以把其他周期量分解为不同频率的正弦波的叠加。通过这样的讲解，就可以让学生明白研究频率特性的重要性和必然性，同时，激发他们的想像力和学习兴趣。
2.方法
要让学生运用基本概念、基本理论、基本方法来逐步产生解决问题的思路，最终给出解决问题的合理方法，就要给学生留出适当的思维空间，要能激发大多数学生的积极思考。教师的作用不只是传授知识，更重要的是引导学生思考。例如，“计算机控制系统”中模拟化设计方法要对连续系统模型进行离散化，书中给出了几种离散化方法：前向差分、后向差分、双线性变换等。书中给出了它们的优缺点，为选择方法提供了依据。如果利用数学的图形分析给出上面3种方法的图形，学生可以很直观地理解和记忆。另外，基于Z 变换的定义：Z＝eTS ，利用泰勒（Taylor）级数展开，通过必要的变换，就可以证明出前向差分、后向差分、双线性变换只是Z 变换的近似方法。这样学生就可以全面理解离散化方法的本质及各种方法之间的联系，在实际应用中就能正确选择合适的方法。
3.理论联系实际
“计算机控制系统”是一门实践性很强的专业基础课。只有理论联系实际才能更加深入地理解和掌握其核心内容。例如，在自动控制原理中讲到惯性环节，同时也讲到它的波德图及其主要特性，如果让学生联系以前学习过的低通滤波器（RC 低通滤波器），就可以发现它的数学模型就是一个典型的惯性环节，由模型就可以确定截止频率，明白RC 低通滤波器只是惯性环节的一种实现，这样就可以很好地理解惯性环节的特性，同时也建立起电路分析与自动控制的联系。以此为基础，做微机实验的直流电源时，如发现输出有高频干扰（如用示波器），就可以在输出端并联一个电容器，这样此电容与电源输出端看进去的等效电阻构成RC 低通滤波器，可以有效滤掉高频噪声。通过这样的理论与实践的结合，学生不仅可以理解惯性环节的物理意义，还能解决实际问题，真正实现对惯性环节的深入理解和掌握。
4.师生互动
首先，互动要求教师实行启发式教学，要使学生意识到自己的主体地位。目前，互动有几种有效的形式，如遴选一些教学中的热点和难点问题组织讨论，教师在其间引导和控制节奏；让学生自己组织和主持论文报告会，这也是相当好的互动形式，可以由学生自己组织和主持；通过网络进行部分内容的互动。其次，设计启发学生思维的问题。例如，计算机控制系统中采样周期的确定问题，满足采样定理，就可以吗？被控制量是流量和温度，采样周期一样吗？让学生思考后回答。主控计算机的主频，对A/D 或D/A 的转换时间有影响吗？对控制系统的输入、输出回路数有影响吗？通过设计问题启发学生思维，引导他们理解采样周期的选择要综合哪些因素，让他们进一步理解计算机控制系统的实时性是如何实现的。互动主要通过引导学生积极思考、回答问题来实现。
三、实验教学强调自主设计
实验教学改革是人才培养过程中的一个重要方面。因此，实验教学同样需要坚持工程教育与创新教育的结合。实验教学改革需要与课程建设和课程改革相结合，形成良性互动实验教学环节。
实验教学的传统模式是规定性的：规定学生必须做什么，规定学生只能做什么。目前计算机控制系统的实验是相对较差的环节，其根本问题就在于教师规定做什么，没有让学生设计什么。另外，由于实验室的实验设备都是为以前传统教学模式设计的，很难适应研究性教学和创新教育，学生对做试验没有太大兴趣。
本文认为研究性实验教学的模式是设计型的，即使是规定性实验，也要求学生自己去思考：你能做什么？为什么做？解决什么问题？这就需要为学生提供一个综合实验平台，让学生认真设计、自由探索。
例如，现有的PID 控制实验，只能简单地改变参数，看实验结果，并不能让学生自己来设计实验内容。学生只是照实验指导书，机械地操作，没有更多的思考空间，更没有自主设计的可能。
针对这种情况，本文给出如下几个改进方法。
（1）利用计算机辅助分析工具（如MATLAB）或其他工具，让学生设计实验内容（当然教师要根据实验室的实际情况进行引导），进行仿真并分析比例、积分和微分3个环节的控制作用。
（2）实验室为学生提供能进行仿真分析和参数整定、完成PID控制设计全过程的具体被控制对象的实物（如调速电机、水箱）。
（3）可以进行基于模型的设计，完成相应的研究内容并进行比较研究，以得出有益的结论。
通过这样的实验，学生可以较深入理解比例、积分和微分3个环节的控制作用，可以很好地掌握PID控制与传统的基于模型的控制之间的区别与联系及各自的优缺点和使用条件，可以掌握PID控制的参数整定方法。这样就基本达到培养学生的实践与创新能力的目的。
总之，“计算机控制系统”研究性教学，基本达到了培养学生综合应用课程的基本教学内容、计算机分析及实验方法解决控制系统问题的能力的目的。对于比较优秀的学生，在课外通过自己的研究及与教师的讨论，可以完成更复杂的控制系统的分析与设计。“计算机控制系统”研究性教学基本达到了“素质与创新”相结合、实践与研究并重、培养学生的创新精神、探索勇气、学习兴趣的目标，可以为学生将来的学习或工作打下良好的理论基础，可以提高他们的实践技能和综合素质。
