“自動控制原理”一流本科課程教學建設探索

王昕 華臻 隋金雪 尚南強 馬加慶

[摘 要] 為響應國家“雙萬計劃”，積極探索“自動控制原理”一流本科課程建設方法。介紹課程的建設背景及發展契機;描述了課程教學現狀及教學效果不理想的主要原因，總結分析了在課程教學改革探索中應解決的重點問題;結合長期從教經驗及山東工商學院“自動控制原理”課程建設實踐，從塑造課程目標、優化課程內容、全面組織實施和融合課程思政四個方面探討了“自動控制原理”一流課程建設思路;輔以山東工商學院“自動控制原理”課程建設歷程，說明課程教學改革成效。

[關鍵詞] 自動控制原理;一流本科課程;課程目標;課程內容;思政融合

[基金項目] 2020年度山東省教育廳本科高校教學改革研究項目重點項目“內外循環持續改進，電子信息類一流專業產教融合協同育人機制的研究與實踐”（Z2020062）;2018年度山東工商學院教學改革研究項目“產教融合協同育人模式下創新實踐能力培養在自動化專業教學中的研究探索”（11688201806）;2020年度教育部電子信息教指委教學改革面上項目 “基于工程認證理念的電子信息類專業課程思政教學體系構建與實踐”（2020-YB-65）

[作者簡介] 王 昕（1975—），女，山東招遠人，碩士，山東工商學院信息與電子工程學院講師，主要從事智能控制、高等教育研究;華 臻（1966—），女，河南南陽人，博士，山東工商學院信息與電子工程學院院長，教授，主要從事智能視覺與可視化技術、高等教育研究;隋金雪（1977—），男，山東高密人，博士，山東工商學院信息與電子工程學院副院長，副教授，主要從事智能控制與智能系統、高等教育研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）47-0071-04? ? [收稿日期] 2021-08-30

貫徹落實黨的十九大精神，落實“立德樹人”根本任務，教育部于2019年4月提出“雙萬計劃”，至2021年底建設適應新時代要求的國家級及省級各萬門一流本科課程，形成中國特色、世界水平的一流本科課程體系。如何抓住國家一流本科課程建設契機，提升“自動控制原理”課程的高階性、創新性和挑戰度，實現以學生為中心、產出導向的教學模式轉變，是“自動控制原理”課程教學改革最值得探索和研究的問題。

一、“自動控制原理”教學現狀

“自動控制原理”作為自動化、電氣工程及其自動化等工科專業的專業基礎課，主要研究自動控制的共同規律、面向各類自動控制系統的基本分析及設計方法，原理屬性強，教學難度高。

根據“自動控制原理”長期的授課經驗，筆者發現，過半數的學生課堂上能跟隨教師的授課進度，有反饋，會記錄重點內容，態度端正且積極。但通過考核卻發現學生的學習結果并未達到預期目標，究其原因，主要在于以下幾個方面：（1）教學內容包含大量的公式和原理。研究方法涉及的公式推導過程復雜，部分學生數學基礎較差，難以聽懂，有畏難情緒，最終只會生搬硬套公式;概念及原理闡述比較抽象，不生動，學生對其并未真正理解，只會死記硬背來應付考試。（2）缺乏對控制理論發展和應用背景的認識。學生對工業常用控制規律的應用情況了解很少，也不太關注控制理論的發展現狀，對課程的重要性沒有樹立正確的認識，在學習過程中缺乏主動探索的精神。（3）理論知識不能指導工程實踐。學生重視知識獲取，應試目的性強，不能學以致用，不會將理論分析設計方法應用到實際工程系統中去解決具體情境中的實際問題。

二、課程教學改革要解決的重點問題

為改變課程教學現狀，實現建設“自動控制原理”一流本科課程的目標，應著重解決以下幾個問題。

（一）如何以“立德樹人”為目標，從知識單元提取思政元素并融入教學案例

探索結合智能制造等自動控制技術應用領域成果，引導學生積極追尋挑戰新技術，激發學生學習主動性以及家國情懷，潛移默化地讓學生悟出“為什么學”“怎么學”“怎么用”，強化以唯物辯證觀點進行系統分析與設計，有效提升學習者學習體驗和學習獲得的方法。

（二）如何面向能力產出，設計支撐課程目標達成的課程內容

課程內容的優化與教學組織實施密不可分。如何利用先進的信息化教學工具，實現多種優質教育資源的落地應用，整合課程內容，使學習從課內拓展至課堂外。有意識地在設計教學環節過程中讓學生忙起來，引導學生思考、探索、發現課程內容蘊含的本質規律，全方位地實現學生的學習能力、理論與實踐相結合能力的提升。

（三）如何強化以學生為中心，完善課程評價與持續改進機制

探索引導學生從注重“考試結果”向注重“學習過程”的轉變方法，切實提高學生解決復雜工程問題的能力。課程評價體系如何實現從結果評價轉向結果與過程評價相結合的方式，綜合考慮課程中涉及的各個環節，如作業、實驗、創新實踐等，使評價體系有效促進學生分析與解決問題、團隊協作、嚴謹求實等個人整體素養的增進。

（四）如何在原理性課程中持續強化學生工程意識養成與工程思維的訓練

作為專業基礎課，激發學生工程意識是其應有之義。如何讓學生明晰系統中有哪些變量，變量間的大致關系，存在耦合否，在工程層面上熟悉被控對象是實施自動控制的基點;明確工程思維的多樣性，理解同一個系統可以有多個模型來描述;同一個工程問題可以有多種解決方案，同一方案可以有不同的實現參數，這樣些都是需要深入思考和實踐的方面。

三、課程教學改革探索

（一）重塑課程目標

作為原理屬性的課程，應提供解決問題的共性方法;作為專業基礎課，應強化工程屬性;若不將個案的工程實例與共性方法融為一體，工程的思維方式就難以建立起來。首先訓練學生能用數學工具將工程問題抽象為科學問題，然后能用時域法、頻域法分析科學問題，形成多個工程解決方案;再以仿真實驗分析優選工程方案，最后給出計算機控制系統的實現。

在教學過程中有意識地培養學生的工程意識，模擬實現工程訓練，注重弘揚工匠精神，漸進培養學生解決自動化領域復雜工程問題的能力[1]，具體如下：（1）正確理解工程中控制系統的概念、結構，能夠建立反映工程問題合理的控制系統模型，具備對系統進行定性分析、定量估算、動態仿真及分析求解的能力。（2）能夠分析控制系統的穩定性、動態和穩態性能[2]，并能設計相應實驗，研究參數變化產生的影響。能夠設計控制器并仿真驗證，掌握計算機控制系統實現方法，具備設計開發復雜工程問題解決方案的能力。（3）能夠立足專業、追求卓越，具有科技報國的家國情懷和使命擔當。

（二）優化課程內容

“自動控制原理”課程內容包括反饋控制引論、系統的數學描述、時域分析法、根軌跡法、頻域分析法、控制器的設計與實現[3]。內容應能體現系統描述、分析、設計、評估、實施的完整過程，形成一個有機的知識鏈，而不是分散的知識點。講授過程中不把工程原理講成數學，而是用數學講透工程原理，從中滲透出共性方法，才能有效地滲入學生的頭腦之中。

1.反饋控制引論可從簡化的工程實例入手，以一個完整控制問題的解決過程，解構自動控制的基本框架，使學生從中領會自動控制的本質，而不是生硬的解釋名詞。

2.系統的數學描述實質上是描述系統中的變量及其關系，而變量間的關系不外乎是各種物理化學定律，通過典型實例使學生明確這些定律一般都是在某種恒定條件下獲得的，實際工程系統難以滿足這些恒定條件，但在微分段上這些恒定條件可以滿足，從而確立微分方程或者偏微分方程是描述系統最一般的方法認識;引入拉氏變換，通過傳遞函數將系統的輸出與輸入剝離到系統之外，為后續的系統性能分析留下伏筆。

3.時域分析法從微分方程求解入手，引導學生觀察一般系統響應的結構，歸納響應基本形態;隨后建立系統基本性能與擴展性能兩大部分的工程分析框架;引導學生以系統響應為橋梁，建立不求響應只根據系統參數完成性能分析的路徑。

4.根軌跡法從系統開環、閉環傳遞函數入手引導學生明確開環、閉環零極點關系，借助二階系統實例充分認識閉環零極點對系統性能的影響，幫助學生建立圖解確定主導極點，結合系統參數進行性能分析的途徑。

5.頻域分析法是讓學生掌握利用開環穩態頻域信息分析閉環系統性能的一般性方法，其特點是用穩態信息分析瞬態性能，用開環信息分析閉環性能;將閉環系統類比為增益為1的放大器，使學生從關注時間軸到關注頻率軸，逐步建立起分頻段分析系統的新框架;特別需注意難點輻角原理，引導學生討論為何復平面上的封閉圍線可用頻率特性圖代替進行分析，當在虛軸上有開環極點時，如何補畫封閉的開環奈奎斯特圖和開環伯德圖。

6.控制器的設計主要是讓學生綜合實踐前述的建模和分析方法;以比例控制為基礎，若不能達到期望性能（期望特性指標受到被控對象、傳感器性能的約束不可任意），則需增加超前與滯后的復合校正，學會調節PID參數。同時明確設計過程需多次迭代，方案不唯一。

7.控制器的實現主要是讓學生掌握計算機控制系統的實現方法。以計算機為通用實現載體，其控制算法有兩種形成方式。其一是在連續方式下設計控制律，然后對連續控制率進行離散化;其二是將被控對象離散化，以離散方式直接設計離散控制率。采樣周期T是任何一種離散化方法的關鍵參數，應引導學生高度重視對它的分析和設計;將離散系統零極點參數以Z與S的指數關系進行轉換，引導學生對應地將連續系統的時域分析方法頻域分析方法引入過來。

（三）重視組織實施

應以能力提升為目的，全面貫徹課程組織實施。

1.圍繞學生所思所想所學，激發學生的熱情與興趣，引導學生思考和探索，采用包含講授點撥、討論探究、問題驅動、實踐演練等靈活多變的教學方法。闡述原理以點撥為主，厘清重點和難點，在教學過程中，不斷提示學生注重數學符號背后的工程含義;工程原理提供的共性方法不可能涵蓋所有的實際系統，形成的解決方案也是多樣性的，討論探究能激發學生的學習興趣和靈感，加深理解，使多種系統實施解決方案優劣立顯;工程實際問題貫穿整個教學流程，讓學生由局部到整體學習把握方法內涵;通過實踐項目任務，學生分組借助仿真工具完成項目設計，以工程原理指導工程實踐。

2.努力豐富教學資源。如搭建高水平的實踐環境，提供多元化、綜合性的工程演練項目;充分發揮線上優質公開課程等資源優勢，借助如精品課教學網站、慕課等，積極拓寬學生課外學習渠道，倡導學生自學、結對學習;不斷優化更新自建試題庫、知識點微視頻等，提高課堂外的教學輔助水平;借助網絡通信工具促進師生互動、生生互動，充分利用碎片時間，打破空間限制，最大限度地調動學生學習的主動性，提升教學效果。

3.設計包含課堂問答、作業、實驗、測試、創新實踐和學科競賽相結合的多元化、形成性考核評價體系。評價體系中注重激勵實踐創新能力提升，如引入高階性、創新性和挑戰度的實踐項目完成評價，如機械臂控制系統、智能車系統、倒立擺系統、四旋翼等;加入學科競賽獲獎激勵機制，通過小組輔導、校內預賽、獲獎學生經驗交流、老帶新等多種措施大力提升學科競賽的參與率與獲獎率，增加學生個體理論指導實踐的機會，有效提高培養學生綜合能力。授課結束后針對授課對象整體和個體進行課程目標達成度分析，對學習效果進行評價，找出薄弱環節，評價結果作為課程教學質量持續改進的重要依據。

（四）融合課程思政

用好課堂主渠道，在知識傳授的同時注意價值傳導，從課程內容中提煉思政元素，融入教學案例。幫助學生確立遠大的志向，為實現中華民族偉大復興夢打下堅實基礎;突出本科教育是科技進步的基礎力量，以及在強國益民發展中的重要作用;以我國在自動控制領域的進步和發展，激發學生的民族自豪感[4];以控制領域科學家的事跡鼓舞學生，培養學生嚴謹求實的科學態度，立足專業、追求卓越的工匠精神，使學生具有使命擔當。

四、改革成效

山東工商學院“自動控制原理”課程改革從2003年起步，持續不斷優化教學內容，2009年被評為校級精品課程;2010年出版《自動控制原理》教材;積極探索理論傳授與實踐應用的深度融合，2012年被評為山東省高等學校精品課程;建設課程網站，優化課程資源;2013年和2018年立項校教學研究改革項目，完善課程評價體系，增加過程考核，激勵學生自主學習;通過建設和教學改革，實現了價值塑造、能力培養、知識傳授三位一體的教學目標，2020年立項山東省本科教改重點項目，2021年7月獲批山東省一流本科課程。

五、結語

“自動控制原理”一流本科課程建設應始終貫徹OBE教育理念和課程思政要求，以學生為中心，貼近產業需求和技術發展，結合現代化信息技術，持續革新教學理念、教學內容與模式，豐富教學資源，深入工程原理，持續強化工程意識與思維養成，最終提升學生解決復雜工程問題的能力[5]。

參考文獻

[1]閆群，李擎，崔家瑞，等.大學生解決復雜工程問題能力的培養[J].實驗技術與管理，2017，34（11）：178-181+186.

[2]王萬良.“自動控制原理”課程教學中的幾個關鍵問題[J].中國大學教學，2011（8）：48-51.

[3]程鵬.自動控制原理[M].2版.北京：高等教育出版社，2010：4.

[4]吳小娟，郝家琪.“自動控制原理”課程思政建設的思考[J].產業與科技論壇，2020，（19）3：243-244.

[5]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30+84.