中法融合、面向新工科建設的自動控制理論課程體系優化

段學超 崔傳貞 千博 過潤秋 張杰

摘 要 適應培養具備創新意識的高層次工程技術人才新形勢，融合法國工程師培養體系先進思想和方法，以工程應用為導向進行“自動控制理論”課程體系優化，加大工程案例分析比重，強化現代分析和設計工具的使用和訓練，在運用知識的過程中深化學生對自動控制理論基本概念和基礎理論的深入理解。

關鍵詞 工程師教育 新工科 自動控制理論

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.06.048

Abstract To adapt to the new situation of cultivating high-level engineering and technical talents with innovative consciousness， to integrate the advanced ideas and methods of the French engineer training system， to optimize the "Automatic Control Theory" curriculum system based on engineering applications， increase the proportion of engineering case analysis， and strengthen modern analysis and the use and training of design tools deepens students' in-depth understanding of the basic concepts and basic theories of automatic control theory in the process of applying knowledge.

Keywords engineer education； new engineering； automatic control theory

0 引言

就世界范圍而言，拿破侖所創立的法國工程師教育體系，經過200多年的積累在全球已形成獨樹一幟的鮮明特點。其目的是克服傳統大學畢業生理論脫離實踐的弊端，培養既掌握尖端技術又精通管理的高素質人才。因此，新工科建設可以參考借鑒法國工程師教育體系，進行思想和教育方法的融合。

課程教學是傳授知識的重要環節，在“新工科建設”為導向的人才培養背景下，每門課程均應該遵循該指導思想進行工程導向的課程體系優化與改革，以適應時代發展的人才需求。“自動控制理論”是控制科學與工程、機械工程等相關學科的基礎理論課程，內容體系龐大、概念紛雜、數學推導豐富，學生普遍反映該課程難學，教師也感到該課程難教，授課效果差、缺乏成就感。造成這種局面的原因不乏教學思想、課程體系和教學形式的滯后。因此，迫切需要面向新工科建設需求、對當今課程現狀做深刻剖析，有的放矢構建卓有成效的課程體系、教學內容和教學手段，通過創新建設多種教學資源，為學生提供工程導向型學習資料，才能滿足新工科背景下自動化人才培養目標。

1 自動控制理論課程目前問題分析

1.1 缺乏生動的情景化課堂資源

隨著新一代學生認知方式的變遷，他們對過度文字化、符號化的教學模式難以提起濃厚興趣，導致了學生期望的上課模式與當今講授模式之間的矛盾。自動控制理論課程知識容量太大，因此，受制作條件和時間限制，許多教師開發多媒體教學軟件的能力不夠，教學過程中缺乏與教材匹配的多媒體課件。教師教學還是采用傳統的“粉筆+黑板”的教學手段，缺乏高質量多媒體教學資料，對抽象的內容以口頭講授為主，一方面是書寫大量的公式、圖表，效率不高，另一方面是學生難以接受抽象的內容，很多內容聽不懂，課后又缺少課程學習輔導資料及有效的學習途徑，久而久之就逐漸喪失了對該門課程的學習興趣。

1.2 傳統印刷版教材更新周期長，很難體現工程領域的新需求

盡管經典控制理論在當今的工業自動化領域占有主導地位，但基于自動控制技術的新產品、新概念、新知識源源不斷涌現出來，而“自動控制理論”教材不能與時俱進，已然跟不上科技發展的步伐。如在控制系統的數學描述部分，講簡單的彈簧質量阻尼器機械系統、RLC電路網絡，這固然讓學生學會了建立控制系統數學模型的一般步驟，但是被控對象過于成熟，學生提不起興致。若能結合如今盛行的賽格威兩輪電動車、獨輪電動車、四旋翼直升機等自動控制產品進行內容講解，同樣傳授了建模的方法和技巧，但學生好奇心強、興趣濃厚，授課效果將會大大改觀。

1.3 單一教材，很難體現“以就業為導向、以服務為宗旨”的培養目標

知識經濟時代，產業結構和生產技術都在發生迅速變化，工科教育必須對學生進行能適應社會快速變化的職業能力培養，以滿足不同職業崗位的廣泛要求。而“自動控制理論”教材在這方面存在許多不足，如只注重知識的灌輸，而不注重控制工程師崗位職業能力的培養；只注重控制系統效果差現象的解決，卻不引導學生分析該類現象產生的根源；只注重控制系統設計與校正的“規范”，卻不考慮在實際應用中是否具備條件，能否行得通等。其結果往往是使學生學了一些“死”知識，在實際中很難用得上，遇到一些特殊情況不知如何處理，動手能力差，更談不上適應控制工程師的崗位需求。

1.4 現代分析與設計工具在教學中滲透不夠

數學軟件MATLAB的發展為控制系統的分析和設計提供了很大的便利，使得控制工程師們不僅能夠又快又準地進行控制系統的分析和綜合，還能夠騰出精力解決運算之外的重要問題。在大學課堂上不必強求學生對此類軟件的掌握熟練程度，但至少要讓他們了解軟件的功能，具備利用軟件的意識。例如線性定常系統分析工具LTIViewer能夠綜合時域、頻域方法，方便得出系統的開閉環性能；PID控制器設計工具PIDTool能夠快速高效對控制系統的PID參數進行調整，并給出閉環控制響應曲線。但是如今教學過程中很少專門給學生講解這些軟件的使用，以至于大部分學生畢業后到了工作崗位還沒有意識到控制系統的分析和設計可以利用軟件，因而造就了畢業生動手能力低的現狀。

鑒于以上四個現存的顯著問題，項目申請人結合赴法國尼斯綜合理工接受實踐教學培訓和參與我校中法合作辦學（電子信息工程）教學的經歷和感悟， 融合法國電子信息專業工程師教育中自動控制理論的教學思想和方法，以工程導向為目標進行自動控制理論課程體現的優化調整。

2 課程體系優化設計

2.1 課程內容中大量補充現代工程案例分析與設計

對于系統建模部分，從單純的結構圖化簡過渡到具體工程案例剖析，在建模過程中需要學生自己從基本的元素開始畫出并化簡結構圖的案例。例如針對直流電機的建模過程，通過有效利用結構圖，減少數學推導步驟提高建模效率。對于系統響應分析，改變純粹的采用公式給出模型、跟蹤典型函數的模式，融入雷達伺服跟蹤、射電望遠鏡對星體的跟蹤、氣象測溫裝置等案例，分析控制系統的動態響應和靜態誤差。通過MATLAB軟件中LTIViewer功能的使用，更好理解調整時間、上升時間和超調量的定義，掌握控制理論知識解決工程問題的流程。在控制系統的校正部分，對直流電機、球桿系統等典型工程案例進行超前校正、滯后校正、PID校正等內容的實踐，讓學生通過工程案例強化知識的掌握。

2.2 國家級規劃教材《自動控制理論》（第3版）及配套《自動控制理論（第3版）學習指導及習題集》的編撰

在中法教育思想融合、工程導向課程優化的主線下，對《自動控制原理》（第3版）國家十二五規劃教材內容進行更新、完善，根據學科、行業的發展繼續修訂完善，與時俱進，及時補充反映最新知識、技術和成果的內容，增補內容40余頁，例題、作業題30余道，并修正了大部分公式、圖表，爭取在2018年上半年出版。此外，對配套教材的《自動控制理論（第3版）學習指導及習題集》進行編寫，滿足面向電子信息類、自動化類、電氣類等專業使用，融合法國工程教育理念，面向工程需求進行習題編寫，凸顯工程實用性特色。并根據社會經濟發展、學科專業建設和教育教學改革不斷修訂完善，錘煉精品。既體現學科行業新知識、新技術，反映人才培養模式和教學改革最新趨勢，又要能夠滿足各類高等學校新時代新工科建設人才培養需求。

2.3 自動控制理論MOOC資源建設

MOOC（慕課）是高教領域正在大力推行的一種課程載體，筆者將對自動控制理論課程網站（http：//xt.xidian.edu.cn/G2S/site/auto.html）進行系統規劃和逐步完善，公布課程大綱、授課日歷，將電子課件、重點章節授課錄像上傳，更有豐富的作業習題、重點知識答疑互動、課程學習論壇。目前已上傳了全部教學錄像，學生可以將課堂上沒有聽明白，而課本上比較抽象難以理解的知識點，在課程網站上找到相應錄像反復收看，以配合印刷版教材的使用。

2.4 基于移動互聯網技術的自動控制理論學習平臺

當今世界，智能手機和無線網絡已經滲透到世界的每一個角落，自主移動學習作為傳統學習方式的補充，正在日益受到人們的青睞。筆者以微信公眾號為自主移動學習的載體，構建了融課后趣味引導、自主學習、思維發散、知識點擴展、能力提升訓練以及學習支持服務為一體的情景化自動控制理論移動學習平臺。需要對學習平臺中參與者所做出的評價與建議盡快給予回復和思考，要及時對學習平臺中有爭議、不正確的內容做出更正，根據參與者所反饋的其他難點，進行相關知識點的編輯與推送講授。

3授課效果預期及評價措施

經過課程優化及教學團隊的精心準備，預期達到使學生基本概念清晰、基礎理論扎實，具備初步的工程問題建模、分析與綜合能力。從授課過程和課程成績量化對比，預期課程參與度提高20%，平均成績提高5～10分，不及格降低5%。授課效果的評價是一個包含多種因素的系統工程，筆者擬采用分析對比課程結業考試成績和召開學生座談會、匿名問卷調查相結合的方法進行授課效果的評估分析。剝離班風、學風差異對學生的影響，從課堂成績、控制實驗和工程運用等角度綜合分析并評價課程體系優化效果。

4結論

以申請人的赴法課程實踐教學培訓、中法合作辦學班授課經歷為契機，借鑒法國卓越工程師培養體系的先進經驗，繼續發揮我國長期以來積累的重視數理推導的優勢，融合中法教育理念，以工程應用為背景，進行自動控制理論課程體系優化探索。順應互聯網技術融入大學課堂的潮流，構建以微信公眾號為輔助工具的課下教學，并根據所需，強調重點，提供情境真實、交互性強、興趣濃厚的自動控制理論微課課程，實現自動控制理論的生動、互動、實踐性教學。

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