面向卓越工程師培養(yǎng)的自動控制原理課程改革與實踐

摘要：隨著制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，與自動化相關(guān)的航空航天、機(jī)器人、智能制造以及石油化工等產(chǎn)業(yè)迎來了更加蓬勃的發(fā)展機(jī)遇，大學(xué)畢業(yè)生綜合能力的提升也成為本科教學(xué)的熱門話題。自動控制原理作為自動化專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，對學(xué)生控制理論、復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)起到?jīng)Q定性作用。圍繞自動化卓越工程師專業(yè)的培養(yǎng)特征，將各個知識模塊打破并重新整合，著力打造控制系統(tǒng)理論的課程群，為自動控制原理的教學(xué)工作提出極大的挑戰(zhàn)。為了提高課堂教學(xué)效率，滿足“新工科”與國際工程教育專業(yè)認(rèn)證的基本要求，提出了新穎的啟發(fā)式教學(xué)流程與立體化教學(xué)理念。實踐表明，在全新的培養(yǎng)模式下，學(xué)生綜合能力培養(yǎng)得到了極大的提升，并為我國自動化專業(yè)的課程體系改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞：自動控制原理;卓越工程師;課程改革;教學(xué)理念

1.引言

近年來，為了探索適應(yīng)第四次工業(yè)革命過程中具有中國特色的工科教育新路徑，各大高校積極推進(jìn)新工科建設(shè)的步伐，先后實施了諸如“復(fù)旦共識”、“天大行動”等系列的教學(xué)改革與探索[1]。重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院的自動化專業(yè)同樣也跟上了新時代改革的步伐，2016年獲批教育部自動化類教指委“自動化專業(yè)課程體系改革與建設(shè)試點”專業(yè)，2018年通過國際工程教育認(rèn)證，2019年獲批國家級一流專業(yè)。

專業(yè)建設(shè)、課程改革、人才培養(yǎng)并不能在短時間內(nèi)實現(xiàn)跨越，通常是一種比較繁雜、系統(tǒng)性的工程。圍繞重慶郵電大學(xué)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)人工智能以及嵌入式系統(tǒng)等優(yōu)勢，旨在培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才。因此，將自動化專業(yè)課程系統(tǒng)改革在學(xué)生思維較活躍，基礎(chǔ)較好，學(xué)習(xí)習(xí)慣良好，動手能力強(qiáng)，交流能力強(qiáng)的自動化卓越工程師班進(jìn)行試點，旨在通過課堂教學(xué)與課后個性化教育（如，學(xué)術(shù)科研、創(chuàng)業(yè)實踐以及專業(yè)創(chuàng)新活動）的等綜合影響下，培養(yǎng)具有高水平、強(qiáng)競爭力的自動化類人才。

2.自動化卓越工程專業(yè)課程群建設(shè)

經(jīng)過多年的實踐探索，重慶郵電大學(xué)自動化卓越工程師班課程體系主要分為通識教育課程與學(xué)科基礎(chǔ)、自動控制基礎(chǔ)理論與基本實驗方法、控制工程專業(yè)基礎(chǔ)知識與基本實踐技能以及控制系統(tǒng)分析設(shè)計方法與能力等四大模塊。其中，控制系統(tǒng)理論與方法課程是自動控制基礎(chǔ)理論與基本實驗方法中最為重要的組成部分，主要包括信號與系統(tǒng)、自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、計算機(jī)控制、智能控制與人工智能以及最優(yōu)控制等六門傳統(tǒng)課程[2]，所涉及的知識點包括三大數(shù)學(xué)變換、基于傳統(tǒng)函數(shù)的控制系統(tǒng)分析與校正、基于狀態(tài)空間模型的控制系統(tǒng)分析與校正、基于離散模型的控制系統(tǒng)分析與校正以及基于人工智能算法的控制方法入門等一系列內(nèi)容。

該課程群的建立旨在加強(qiáng)各部分銜接、有效減少冗余、重復(fù)內(nèi)容，并加強(qiáng)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。對于教師最大的挑戰(zhàn)則是需要進(jìn)一步凝練相關(guān)知識點，在有限的課時內(nèi)達(dá)到期望的授課效果。基于多年的摸索，將信號與系統(tǒng)、自動控制原理兩門課程整合到一起，在96個課時范圍內(nèi)，需要完成控制系統(tǒng)概述、傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、系統(tǒng)建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析以及頻域較正等[3][4]一系列知識點的理論教學(xué)工作，同時也要涉及MATLAB仿真、復(fù)雜控制工程案例等實踐教學(xué)工作。很顯然，將“新工科”指導(dǎo)思想與課程改革的新模式相結(jié)合，對于教師來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

3.基于“新工科”的啟發(fā)式教學(xué)流程

全新課程體系在一定程度上需要教師重新構(gòu)建知識體系與教學(xué)目標(biāo)。因此，本團(tuán)隊將控制系統(tǒng)理論與方法（1）（自動控制原理）的教學(xué)目標(biāo)制定為以自動控制原理為核心知識、能力以及情感目標(biāo)。在一定程度上弱化了信號與系統(tǒng)原有知識體系。其原因在于，信號與系統(tǒng)可視為自動控制原理的數(shù)學(xué)工具，而自動控制原理則是信號與系統(tǒng)的應(yīng)用場景。對于自動化專業(yè)學(xué)生，需要更加重視運用數(shù)學(xué)工具解決相關(guān)控制問題的能力（比如，控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)能力），從而達(dá)到質(zhì)疑與創(chuàng)新精神、工程能力等方面的情感目標(biāo)。因此，傅立葉變換旨在服務(wù)于頻域分析，拉普拉斯變換則是聚焦于復(fù)頻域分析以及Z變換將會為計算機(jī)控制奠定基礎(chǔ)。換句話說，圍繞經(jīng)典控制系統(tǒng)的教學(xué)改革與創(chuàng)新無疑是本門課程的核心任務(wù)之一。

根據(jù)本課程內(nèi)容的特點，對于核心知識點所采用的啟發(fā)式教學(xué)流程主要包括精選一項典型工程案例，引出課程重點，精練一項經(jīng)典控制理論，培育學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，精講一種通用解決方法，處理課程難點，也可將其簡稱為“三個一”式的教學(xué)流程。

對于啟發(fā)式教學(xué)流程的第一步，通常選取合適的復(fù)雜工程案例，引出課程的核心內(nèi)容。例如，運用環(huán)形倒立擺引出系統(tǒng)的穩(wěn)定性，運用旋翼飛機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)翼引出零度根軌跡，運用RC濾波網(wǎng)絡(luò)引出頻域特性。特別地，當(dāng)詳細(xì)推導(dǎo)給出RC濾波網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)后，若給予系統(tǒng)一個幅值不變、頻率不斷增大的正弦輸入信號，并利用MATLAB仿真，請學(xué)生觀察輸出的變化，再從特殊到一般，訓(xùn)練學(xué)生歸納總結(jié)的能力。

啟發(fā)式教學(xué)流程的第二步，需要根據(jù)理論的特點合理選擇教學(xué)方法，突顯課程重難點。例如，在信號流圖的定義授課過程中，可采用對比教學(xué)法，既可復(fù)習(xí)結(jié)構(gòu)圖相關(guān)知識，又可加深對信號流圖相關(guān)知識的理解。對于串聯(lián)校正的基本原理來說，可結(jié)合SIMULINK仿真，分析出傳統(tǒng)的比例調(diào)節(jié)思路并不能達(dá)到相應(yīng)的控制目標(biāo)，從而采用問題啟發(fā)教學(xué)方法，讓學(xué)生充分理解串聯(lián)校正的意義與內(nèi)涵。另外，在課堂中也可以引入環(huán)形倒立擺，結(jié)合案例與課本中的基本理論思路，可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解相關(guān)知識、概念，并進(jìn)一步引入課程思政的相關(guān)概念，突顯“矛盾”的性能指標(biāo)，領(lǐng)悟“取舍”的人生之道[5]。

啟發(fā)式教學(xué)流程的第三步，主要是針對不同的教學(xué)內(nèi)容，將復(fù)雜問題進(jìn)一步簡單化，讓學(xué)生更加容易地理解相關(guān)知識點的內(nèi)涵。為了讓學(xué)生記憶梅森增益公式，可采取公式圖像化的思路，將枯燥的問題形象化，同時也提升課堂氛圍。實際上，在本門課中，勞斯穩(wěn)定判據(jù)是最簡單而又最難以混淆的知識點，只能通過死記硬背將數(shù)個矩陣進(jìn)行求解并計算。在教學(xué)過程中，常常運用GIF圖、FLASH等教學(xué)工具讓學(xué)生快速記憶，并編寫了一個順口溜“穩(wěn)定分析不用慌，勞斯定理幫你忙;觀察方程必要性，千萬不能有缺項;計算矩陣表達(dá)式，依次記于表之上;檢查表中第一列，是否均為正數(shù)項;如果存在異號項，極點分布則找到”。

4.基于“兩性一度”的立體化教學(xué)理念

教學(xué)流程是課程的重要基石，而教學(xué)理念則是課程的核心亮點，主要為了將晦澀難懂的理論轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬θ菀桌斫獾恼n堂教學(xué)內(nèi)容，在潛移默化中將高階性、創(chuàng)新性以及挑戰(zhàn)度在一個學(xué)期師生互動程序內(nèi)體現(xiàn)。簡單地說，相關(guān)的教學(xué)理論有以下三個部分：科學(xué)問題科普化、繁雜公式圖形化以及考核方式多元化。

實質(zhì)上，信號與系統(tǒng)以及自動控制原理的核心內(nèi)容都是將相關(guān)專業(yè)必要的數(shù)學(xué)問題給具體化、形象化。用比較通俗的語言將高深的科學(xué)問題進(jìn)行傳授。特別是對于某些基礎(chǔ)術(shù)語，如傅里葉級數(shù)、傅里葉變換、跟蹤、鎮(zhèn)定等方面。若從數(shù)學(xué)上看，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就是當(dāng)時間趨于無窮時，系統(tǒng)的狀態(tài)量或輸出量等于零。但從控制論中看，則是當(dāng)外部作用力消失后，系統(tǒng)的能量能夠趨于零。可以明顯地看出，一個是科學(xué)用語，一個是工程思想，要讓學(xué)生在理解鍛煉出自我研究的思路，并從動手能力、實際工程能力培養(yǎng)的角度將乏味的理論具體化。

從課程上看，大部分的知識點都涉及繪圖、識圖以及讀圖。通常學(xué)生遇到的第一個難點就是傅里葉變換。若將時域函數(shù)轉(zhuǎn)化為頻域，在頻譜圖中需要分析幅值與相位間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。相應(yīng)的，控制系統(tǒng)的頻率特性則需要繪制開環(huán)幅相曲線和伯德圖，以此來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性，并為系統(tǒng)的頻域較正奠定堅實的基礎(chǔ)。在這個知識體系中，大量有關(guān)聯(lián)關(guān)系的公式需要記憶。若讓學(xué)生理解圖中的意義與價值，那么相關(guān)公式也能夠更容易地掌握，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率。

多元化的考核可以視為教學(xué)過程中的反饋環(huán)節(jié)，常常可以利用課堂問答、課堂練習(xí)、課后作業(yè)、翻轉(zhuǎn)課堂、階段測驗、MATLAB大作業(yè)、實踐報告以及期末考試等形式對學(xué)生的成績進(jìn)行更全面的評價。特別在實踐能力鍛煉這個部分，通常是學(xué)期初為學(xué)生購置環(huán)形倒立擺開發(fā)套件，利用課余時間自學(xué)STM32單片機(jī)、模數(shù)電路等相關(guān)知識，最后通過課堂答辯以及實踐報告等方式，在全班范圍內(nèi)匯報各小組的成果，從而也將授課過程中的相關(guān)復(fù)雜工程案例進(jìn)行更有體系地串聯(lián)，最終達(dá)到卓越工程師培養(yǎng)的基本目標(biāo)。

5.總結(jié)

《控制系統(tǒng)理論與方法（1）（自動控制原理）》是重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院在培養(yǎng)學(xué)生的一次重大的改革與突破，對師生均是一種極大的挑戰(zhàn)。本團(tuán)隊在歷年改進(jìn)過程中將各個方面進(jìn)行改變，主要的教學(xué)亮點有以下三個部分：構(gòu)建了理論與實踐相融合的立體化教學(xué)模式、實踐了面向復(fù)雜工程能力的探究式教學(xué)方法以及探索了多元化、全方位的課程考核體系。下一步將這些成功的經(jīng)驗進(jìn)行分享，以普及更多學(xué)生，實現(xiàn)專業(yè)建設(shè)的新突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]李俊紅，王娟，劉羨飛，等.工程教育專業(yè)認(rèn)證下《自動控制原理》課程教學(xué)改革研究[J].科教導(dǎo)刊：電子版，2017（31）：2.

[2]蔡林沁，楊萬秀，鐘佳岐等.面向新工科的“控制理論與方法”知識體系改革與實踐[C].2019全國自動化教育學(xué)術(shù)年會論文集，2019：678-681.

[3]鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)（上冊）（第3版）[M].高等教育出版社，2011.

[4]胡壽松.自動控制原理.第6版[M].科學(xué)出版社，2013.

[5]臧強(qiáng)，周穎，陳煒峰等.課程思政融入工程教育專業(yè)認(rèn)證的探索與實踐——以"自動控制原理"為例[J].科技資訊，2021（14）：162-164.

項目名稱：重慶郵電大學(xué)教學(xué)體系內(nèi)涵建設(shè)校級教育教學(xué)改革項目（XJG20239）。