新工科思路下的自動(dòng)控制原理教學(xué)改革探討

黃俊 呂勇 黃克亞

針對自動(dòng)控制原理教學(xué)中存在的理論與實(shí)際聯(lián)系脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容枯燥，教學(xué)模式單一等問題，本研究以“新工科”建設(shè)方向?yàn)閷?dǎo)向，探索《自動(dòng)控制原理》課程新的教學(xué)模式和教學(xué)方法，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式，教學(xué)方法、考核模式四個(gè)方面著手，進(jìn)一步討論對《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)過程改革。

引言：“新工科”是以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融 合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，目標(biāo)在于培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，為新時(shí)代高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的人才支撐。隨著新時(shí)代的來臨，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式成為了培養(yǎng)一流工科人才的新的要求，因此系統(tǒng)推進(jìn)“新工科”人才培養(yǎng)改革意義重大、勢在必行，是服務(wù)新時(shí)代國家發(fā)展的戰(zhàn)略性舉措。蘇州大學(xué)作為國家211工程重點(diǎn)高校，需把握好新時(shí)代工科人才培養(yǎng)的內(nèi)涵，以培養(yǎng)過硬理論水平同時(shí)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的新時(shí)代高校工科學(xué)生人才為目標(biāo)，積極進(jìn)行創(chuàng)新型工科人才的培養(yǎng)的探索。

《自動(dòng)控制原理》是高等院校控制類專業(yè)及電子信息類專業(yè)一門非常重要基礎(chǔ)專業(yè)課程，是所有控制類課程體系中的核心和主干課程，其課程涵蓋內(nèi)容較廣，理論要求高，有較復(fù)雜的工程背景，這也就使得該課程有著比較高的教學(xué)難度。本研究從“新工科”視角入手，以建立并不斷完善課程體系為目標(biāo)，探討關(guān)于自動(dòng)控制原理 課程的教學(xué)體系方法的改革。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

本課程作為控制類一門非常重要基礎(chǔ)專業(yè)課程，其內(nèi)容具有涉及學(xué)科知識廣泛、內(nèi)容理論性強(qiáng)，比較抽象、工程性強(qiáng)，更新速度快等特點(diǎn)。授課內(nèi)容包括系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、根軌跡法、頻域分析、系統(tǒng)的綜合與校 正、非線性系統(tǒng)分析和離散系統(tǒng)分析。由于課程內(nèi)容較多，加上課程理論性較高，故學(xué)生理解難度較大，具體問題如下：

1.1教學(xué)內(nèi)容枯燥，模式單一

傳統(tǒng)的《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)模式注重教材的講解，以老師上課為中心，大部分重點(diǎn)都集中于對于理論部分的講解，應(yīng)用技術(shù)只做點(diǎn)綴，忽視了對于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)造性的培養(yǎng)。目前我校開設(shè)的《自動(dòng)控制原理》課程為72課時(shí)（含16實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)），這也就要求教師在56學(xué)時(shí)之內(nèi)將該課程的理論知識教授給學(xué)生，這使得每節(jié)課涵蓋了大量理論性強(qiáng)、比較抽象難理解的知識點(diǎn)。目前以老師講PPT 為主的課堂教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的興趣，很容易使得課堂單調(diào)乏味。此外，老師的講解容易流于程式化，學(xué)生很難在上課過程中鍛煉自己的創(chuàng)新性思維能力。

1.2理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

自動(dòng)控制原理是一門與實(shí)際工程背景密切聯(lián)系的課程，但在教學(xué)內(nèi)容中主 要還是采用微積分和拉普拉斯變換等數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)計(jì)算，其 實(shí)際工程模型均用數(shù)學(xué)模型的形式給出。學(xué)生了解不到工程背景，無法將所學(xué)知識與工程實(shí)際相結(jié)合，從而無法進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。此外，我校該課程所安排的實(shí)驗(yàn)主要利用MATLAB仿真+模擬電路工具箱，學(xué)生們首先根據(jù)要求搭建數(shù)學(xué)模型，利用模擬電路工具箱搭建物理模型，再通過編寫相應(yīng)程序，最后連接示波器讀出相應(yīng)結(jié)果。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是例如二階系統(tǒng)時(shí)域相應(yīng)等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1.3考核方式單一，缺乏綜合素質(zhì)的培養(yǎng)

我校《自動(dòng)控制原理》課程的成績評定主要依據(jù)為期末筆試成績占70%，平時(shí)成績占比30%（期中考試+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+作業(yè)），這使得大部分同學(xué)只重視理論的學(xué)習(xí)，臨近期末考試大多數(shù)同學(xué)依靠刷題來獲取高分，多數(shù)同學(xué)沒有足夠的機(jī)會(huì)去了解工程背景。這對一門工程背景極強(qiáng)的課程而言，該考核方式顯然不夠合理。

2 課程改改革革探索與實(shí)踐

針對上述所提到的問題，基于課程本身的特點(diǎn)，本研究通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建分層次教學(xué)模式，實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法等方式，對《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)過程 進(jìn)行改革。根據(jù)“新工科”所給出的內(nèi)涵，以建立教學(xué)科研融 合的機(jī)制為目標(biāo)，讓同學(xué)們接受更多科研實(shí)踐的鍛煉，從而能夠不斷拓展新的學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域和方向，適 應(yīng)“新工科”發(fā)展需要。

2.1教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

由于《自動(dòng)控制原理》內(nèi)容理論多，公式多，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)和 物理基礎(chǔ)。因此目前大多數(shù)教學(xué)內(nèi)容過于偏向理論、實(shí)踐性不足。因此為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，優(yōu)化調(diào)整了課程的理論教學(xué)內(nèi)容，將基本概念、原理及方法等知識進(jìn)行具體化、形象化處理，并應(yīng)用到實(shí)際案例 中。同時(shí)依托我校的“西門子智能控制實(shí)驗(yàn)室”，將西門子工程實(shí)際案例融合 到教學(xué)內(nèi)容中去，使同學(xué)們進(jìn)一步了解所學(xué)內(nèi)容的工程背景，將所學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)踐中去，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.2分層次教學(xué)模式的構(gòu)建

針對理論、工程與學(xué)時(shí)之間的矛盾，同時(shí)根據(jù)“新工科”中所提出培養(yǎng)新型多樣化人才的理念，我們結(jié)合自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)，提出了以需求為導(dǎo)向的分層次教學(xué)模式。針對各個(gè)專業(yè)對于自動(dòng)控制原理所需要求不一樣，我們將同學(xué)們根據(jù)需求分為基礎(chǔ)型、提升型、理論型、應(yīng)用型等類型，通過“一定、 二邊、三設(shè)計(jì)”的方式，為學(xué)生打造多樣化課堂可供選擇。例如，對于具有較好的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理和電路等學(xué)科基礎(chǔ)知識，具備較強(qiáng)學(xué)習(xí)能力和較高的自我約束能力的同學(xué)，將著重其專業(yè)能力的提升。對于基礎(chǔ)較為薄弱的同學(xué)，著重與通識教育的講解。對于理論要求較高的同學(xué)，教學(xué)過程偏重理論講解等等。

2.3任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的實(shí)施

針對傳統(tǒng)授課方式下許多同學(xué)失去學(xué)習(xí)主動(dòng)性及學(xué)習(xí)進(jìn)度較慢這兩個(gè)問題。我們根據(jù)教學(xué)大綱，確定個(gè)章節(jié)中需要學(xué)生掌握的知識點(diǎn)，按照知識相應(yīng)的難度設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)遞進(jìn)的時(shí)間任務(wù)。這些任務(wù)大都來自于科研課題，競賽題目和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過老師對該項(xiàng)目進(jìn)行講解，學(xué)生課后完成相關(guān)任務(wù)的設(shè)計(jì)，教師通過在線評閱，課堂講解，豐富同學(xué)們的實(shí)踐經(jīng)歷。學(xué)生們通過運(yùn)用 所學(xué)的理論知識，解決完整的工程實(shí)踐問題，在實(shí)踐中拓展理論知識，激發(fā)自 我學(xué)習(xí)能力，從而能夠提升自己分析問題、解決問題的工程能力。

2.4考核模式的調(diào)整

針對現(xiàn)有考核模式單一，筆試成績比例過高的問題，本研究將對原有的考試制度進(jìn)行改革，調(diào)整筆試成績在總成績中的比重，將實(shí)驗(yàn)考核、工程設(shè)計(jì)納入整體成績，要求實(shí)踐成績和理論成績各占50%。實(shí)驗(yàn)考核要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，根據(jù)給定的系統(tǒng)及任務(wù)，分析該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相關(guān)的控制器，制定參數(shù)，最后完成整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真，教師根據(jù)學(xué)生現(xiàn)場完成情況打分，同時(shí)在課后需要以報(bào)告的形式提交相關(guān)內(nèi)容的分析和仿真結(jié)果。通過以上方法引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，學(xué)會(huì)在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，解決問題，不斷提升自己的綜合素質(zhì)。

3 結(jié)束語

課程改革是一項(xiàng)漫長而艱巨的課題。本研究以“新工科”建設(shè)方向?yàn)閷?dǎo)向， 針對目前自動(dòng)控制原理課程所存在的教學(xué)內(nèi)容枯燥，模式單一，理論與應(yīng)用脫 節(jié)等問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、考核模式這四個(gè)方面入手，通過完善教學(xué)內(nèi)容，開展分層次教學(xué)模式，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法等方式，激發(fā)學(xué)生 的學(xué)習(xí)熱情，并通過將理論與西門子實(shí)際案例相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理論的同 時(shí)，不斷提高其從工程問題出發(fā)發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，為“新工科”要求 下的人才培養(yǎng)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

項(xiàng)目資助：教育部卓越工程師計(jì)劃項(xiàng)目-電氣工程及其自動(dòng)化; 蘇州大學(xué)一流本科專業(yè)項(xiàng)目-電氣工程及其自動(dòng)化;江蘇省一流本科專業(yè)—電氣工程及其自動(dòng)化。

（作者單位：蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）