新工科工程教育背景下自動控制原理課程建設改革模式探討

陶洪峰 劉艷君 熊偉麗 徐穎秦

摘? 要：在新工科工程教育理念的指導下，自動化專業的基礎核心課程《自動控制原理》必須適應新時代需求，從課程內容、師資隊伍、實驗設置和評價方式等方面開展綜合性教育教學改革，優化和重構新的教學模式，文章基于江南大學的課程情況介紹了一些改革措施，為相關課程提供借鑒，助力自動化新工科專業建設和人才培養。

關鍵詞：新工科;自動控制原理;課程改革;工程教育

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0124-03

Abstract： Guided by the concept of emerging and engineering education， the basic core course of automationAutomatic Control Principlemust meet the needs of new era， carry out comprehensive education and teaching reform from the aspects of curriculum content， teaching staff， experimental settings and evaluation methods， then optimize and reconstruct the new teaching mode，based on the curriculum situation of Jiangnan University， this paper introduces some reform measures to provide reference for related courses， and thus helpsthe emerging education major construction of automation and talents training.

Keywords： emergingeducation; automatic control principle; curriculum reform; engineering education

一、概述

隨著物聯網、人工智能、智能制造等“新技術、新產業、新模式、新業態”為特征的新經濟的驅動下，以及國際工程教育的背景下，目前整個社會對新時代工科人才的知識、能力和素養都提出了更高的要求，要求學生具有多學科多專業知識的綜合應用和創新能力。但為滿足社會對新工科人才在數量和質量上的要求，我國的新工科專業建設不僅是要去創設一批新型或新興工業專業，更要對自動化等傳統工科專業進行升級和改造[1]，這一改造過程就必然需要與新興技術產業涉及的多學科多專業發展相融合，并強化實踐綜合能力的培養[2]。自動化專業是信息科學領域的一個綜合性專業，涉及電子、機械、電氣、通信、計算機等多個學科和專業，具有新工科專業改造的天然優勢[3]。《自動控制原理》作為自動化專業的核心課程，主要培養學生學習控制系統的基本概念，分析和設計方法，對后續課程和其他專業知識的學習都是重要的一環，因此如何在夯實學生自動化專業基礎的前提下，進一步結合新工科專業建設開展課程教學改革，這對夯實自動化專業學生的知識融合貫通能力、復雜工程問題的分析設計能力和工程實踐能力起著關鍵基礎作用。

二、課程建設現狀與問題

現階段多數高校《自動控制原理》課程的教學內容、教學方法和質量評價體系，甚至包括師資隊伍的組建都是建立在先修課程包括電路原理、模擬與數字電子技術、微積分、復變函數和大學物理等單一學科知識的基礎上[4]，學生的新工科相關知識和能力儲備不足，這對培養多學科交叉、動手實踐能力強、團隊協作并具有國際視野的復合型新工科工程技術人才提出了挑戰。雖然培養新工科工程技術創新人才并不是依托單一課程就能實現，但是在專業基礎核心課程中融入新工科教育理念相信對學生的系統性培養具有優勢。目前《自動控制原理》課程建設主要存在如下問題：

（1）目前課程教材講授的被控系統多數是簡易的物理和化學對象，是可以通過分析機理后建模得到的系統模型，控制器多數仍然以電路形式給出，但在物聯網和智能制造等新經濟產業背景下，被控對象越來越復雜和綜合，不僅難以直接獲取系統模型，而且控制過程也實現了網絡化和智能化，教學內容和工程實際存在一定脫節。

（2）授課教師的專業背景基本都是傳統的自動化專業和控制學科，對于新工科背景下結合其他專業和學科開展自動化專業建設和課程改革，存在個人知識面、實踐能力或改革動力不足的問題。

（3）課程實驗多數都是基于電路實驗箱或者MATLAB軟件開展簡易的驗證性實驗，大多數情況下學生都是在不了解任何工程機理和工藝流程的基礎上直接去討論所謂的控制系統然后設計控制器，并沒有真正給學生建立牢固深刻的解決復雜工程問題的基本概念和處理流程。

（4）側重于對學生控制系統分析能力的考核，包括控制系統建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析和非線性系統分析等方法，對于控制系統設計方面的內容偏少偏簡單，控制系統設計的工程案例更是極少涉及。

三、教學模式改革思路

首先需強調的是，解決上述現有課程教學內容、評價方法、師資隊伍和實驗設置方面的問題并不能從單一角度去解決，而是需要結合新工科工程教育的需求，以學生為中心，開展系統性貫穿式的綜合性改革，因此本文重點從以下幾個方面嘗試提出課程的改革方案：

（1）在授課內容和教材方面，在保持經典控制理論基于精確數學模型討論各種自動控制系統分析和設計方法的基礎上，有必要增加部分數據建模、基于數據驅動的無模型控制、網絡化控制等方法的概念和討論，給學生建立完備的知識儲備。增加實際工程案例，尤其是智能制造、物聯網系統的控制環節和策略分析需在學習初級階段就予以講授，不僅能培養學生正確的工程概念，結合最新的技術也能提升學生的課程學習興趣。

（2）有必要打破課程團隊的教師范疇，相關學院建立課程群組織，尤其是增加新產業技術，例如物聯網、人工智能、智能制造等課程的老師開展課程改革，同時可以嘗試聘請一些校外企業兼職教師、國際知名學者與校內教師聯合結合工程案例講解具體的控制系統分析與設計過程，以知識點和專題形式分解章節，開拓學生的國際發展視野。當然授課方式也可以根據實際內容需要開展翻轉教學、線上線下的混合式教學[5]，目的不在于何種形式而在于學生的實際接受程度，對教師備課和學生課后都提出了更高的要求。

（3）依托新一代信息技術開展虛實結合的控制系統分析與設計的綜合性實驗，譬如將化工過程控制等危險性實驗，智能制造流程工業等大系統控制實驗等以現代虛擬仿真半實物形式開展，這樣不僅可以通過虛擬仿真實驗動態展示整個對象的工藝流程，便于學生理解系統的控制機理，而且在相對接近工程實際環境下進行實驗仿真也可以增強學生對于復雜控制工程問題的理解。開展實際控制系統仿真當然是最佳方案，例如可以結合各校特色開展行業具體對象控制，訓練學生的團隊協作和動手實踐能力。

（4）從個體評價轉向個體評價、團體評價和項目評價等過程性評價相結合，降低期末試卷考核、實驗結果等終結性評價結果比例，適當提升過程性評價結果比例，尤其是要將實驗過程中控制方案的合理性與經濟性，團隊協作的參與度或管理能力、項目討論過程中的創新性、甚至項目調研分析能力都納入到學生“知識、能力、素養”的綜合性評價中，鼓勵學生以論文和專利的形式呈現團隊項目成果。項目討論等過程性評價環節設計可以只在某些知識點中體現，可以不必在各個知識點中都有涉及，另外還需要與課程群其他課程相配合。

四、改革實踐經驗

江南大學的自動化專業始于1975年，作為江南大學傳統的優勢專業和品牌特色專業。江南大學自動化專業2009年入選“國家特色專業建設點”，2012 年入選“江蘇省重點專業”，2013年入選教育部“卓越工程師教育培養計劃”，2015年入選“江蘇高校品牌專業建設工程（一期A類）”。該專業圍繞國家和地區經濟建設的需求，基于學校的辦學定位和發展規劃，已形成了自己的辦學特色：

（1）依托學校傳統優勢，構建具有輕工特色的自動化專業人才培養機制，為輕工行業培養從事自動控制系統分析設計、技術開發、運行管理等方面的技術人才。

（2）主動對接無錫物聯網產業，根據國家戰略需求，為地方特色經濟的發展提供智力支撐和人才保障。

（3）緊密服務長三角區域的智能制造行業，不斷加強自動化專業的人才服務功能，為高端智能制造提供人力儲備。

江南大學自動化專業的《自動控制原理》課程是學校首批卓越課程，至善課程。課程組由5名教授和3名副教授組成，編寫的教材是江蘇省高等學校精品教材，“十二五”江蘇省高等學校重點教材。通過本課程的學習，學生加深對自動控制基礎知識點的理解和掌握，學會利用基本的經典控制理論解決簡單控制系統的建模、分析和設計問題[6]。同時我們也嘗試在江南大學自動化專業、電氣工程及其自動化專業8個班結合新工科工程教育開展課程教學改革，目前的主要舉措有：

（1）更新教學內容與教材。目前在課程教學內容中加入磁盤讀取系統、伺服電動機、生物發酵過程等工程仿真案例分析被控系統機理，再讓學生通過討論和仿真進一步驗證和深化所學的自動控制理論，熟悉解決工程控制問題的基本步驟。同時在授課過程中加入智能制造、人工智能等新產業新技術內容，讓學生從整個系統角度去分析和思考新技術如何與經典控制理論相結合。另外我們在課程內容中加入課程思政教育，提供控制科學家的故事去提高學生的興趣度，增加學生的學習動力。同時出版新形態的數字電子教材，一整套視頻、測驗等電子資源結合紙質教材鞏固學生的知識點學習。

（2）組建多學科多專業混合課程群。考慮到控制知識在物聯網、智能制造等產業都有涉及，但對該課程知識點的側重點會有不同，因此我們組建了以自動化、電氣、物聯網和計算機背景的教師組成多學科多專業混合的課程群，主要涉及自動控制原理、現代控制理論、計算機控制系統、物聯網技術概論、人工智能等課程，同時適當嘗試聘請有豐富工程經驗的校外企業兼職教師講授實際控制工程案例。本課程基礎知識由專業教師在課內統一講解，但涉及到新工科工程教育的內容，學生可以首先在課程公共平臺進行研討，然后有針對性地由相關課程群教師聯合進行課后答疑解惑，增加不同專業學生和不同學科背景教師間的互動，構建了多位教師并行教學的新工科課程師資隊伍和課程群。

（3）開展線上線下混合式教學。針對傳統課堂教學和MOOC在線課程這兩種教學模式的優劣[7]，以及本課程知識點多、邏輯性強、應用性強的特點，通過中國大學MOOC這一互聯網公共平臺完善“十三五”江蘇省在線開放課程《自動控制原理》課程建設，在MOOC教育背景下開展課程線上與線下信息融合的混合式教學模式的研究與實踐，全方位改革課程教學大綱和教學方法，開展翻轉課堂與引導式教學相融合的教學方式。對于“控制系統根軌跡分析法、控制系統結構圖與信號流圖”等相對獨立、完整的MOOC教學知識點，要求學生在指定的時間內完成在線學習，再開展課堂討論和頭腦風暴活動。截止目前，經過4期網絡公開，校內校外共有累計12000人進行了本課程學習，也提升了課程的校內外影響力。

（4）多維度評價能力達成。該課程改變單純以線下教育結果為學生能力的評價方式，提升學習過程的評價和控制方案的合理性評價，不僅將常規的平時作業、單元測試、期末考試、互動討論等教學環節納入到考核環節中，而且根據不同專業實際情況，適當增加10%-15%的MOOC課程知識點在線學習成績比例突出學生自主學習能力的評價。同時為了提升學生的工程實踐和解決復雜工程問題的能力，提升課程實驗難度，增加綜合性設計型實驗數量。另外在課后由研究生助教和課程教師一起單獨開設MATLAB控制仿真實訓，利用一些典型工程的Simulink模型讓學生從建模、分析、設計和優化角度整體認識控制系統。

五、結束語

總之，《自動控制原理》課程的專業適應性、工程性決定了課程的教育教學改革必須在新工科和工程教育背景下做出新的教學改革，優化教學內容和教學方式，融合傳統知識與新興技術，訓練學生基礎技能與創新能力，按照教育部的“金課”建設標準，讓課程具有高階性、創新性和挑戰性，培養適應新時代要求的新工科自動化工程技術和創新研究人才。本課程結合江南大學特色已針對新工科工程教育的特點開展了一些實際工作，但是，例如虛擬仿真實驗平臺的搭建、物聯網和人工智能等技術與控制理論教學內容的深度融合、控制工程案例的教學內容再設計等工作還需要我們在今后進一步開展和完善。

參考文獻：

[1]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育，2017（1）：1-8.

[2]陳曉艷，杜萌，趙驥，等.新工科背景下的自動化專業學生培養現狀及應對策略——以天津科技大學電子信息與自動化學院為例[J].中國輕工教育，2018（03）：79-82+96.

[3]熊偉麗，陶洪峰，劉艷君，等.新工科背景下自動化專業工程實踐教學體系的建設與思考[J].高教學科，2019（12）：62-64.

[4]胡壽松.自動控制原理（第六版）[M].科學出版社，2018.

[5]陶洪峰.自動控制原理課程的混合式教學模式探索[J].大學教育，2019（3）：62-64.

[6]徐穎秦，劉艷君，陶洪峰，等.基于工程教育和新工科理念的“教法”與“學法”——以自動控制原理課程為例[J].中國輕工教育，2018（06）：5-8+20.

[7]黃震.基于慕課和混合式教學的工程教育探索與實踐[J].高等工程教育研究，2016（04）：11-13.