“自動控制原理”課程教學改革的探索與實踐

張 園， 劉淑波， 初俊博

(海軍大連艦艇學院 基礎部，遼寧 大連 116018)

0 引言

“自動控制原理”課程是我院的專業基礎課。在課程建設過程中，我們一直探索將軍事應用案例、Matlab仿真引入教學。但隨著教改的逐步深入和細化，以下問題日益凸顯：第一，案例的設計和使用缺乏統一設計，通常只是主講教師面向局部教學內容選取，隨意性大，連貫性差，沒有面向整個課程通盤考慮、統一設計，更談不上兼顧后續課程。第二， 實踐環節只有硬件仿真(以有源網絡硬件模擬控制系統)，理論和硬件仿真之間缺少軟件仿真的練習與考核；加上理論和實踐環節缺乏統一設計，致使理論與實踐存在一定程度的脫節。第三，學生應試思維普遍，工程思維匱乏。面向題庫的應試學習方式仍然存在，沒有形成面向工程應用的思維和習慣。

為不斷提高人才培養質量，特別是提高學生創新實踐能力，我們基于工程教育理念，結合軍隊院校實戰化教學要求，以“案例貫穿、理實一體、混合探究”教學模式為中心，從教學內容、案例設計、教學方法、評價機制四個方面對課程進行了系統的改革，解決了課程原來存在的案例選取與使用隨意不連貫、理論和實踐環節脫節不統一以及學生工程思維匱乏重應試等問題。

1 整合教學內容

1.1 重構教學內容，與案例探究相同步

一是內容主線化。以實際應用需求為驅動載體，將“探究解決艦載裝備控制系統的分析設計問題”這一課程的總體目標作為教學內容的主線。

二是主線案例化。用幾個典型艦載裝備應用案例貫穿覆蓋整個教學內容，使主線落到實處。

三是模塊過程化。在基本內容不變的前提下，將原來的原理組成、數學模型、時域分析、頻域分析4個模塊，按照實際問題的解決過程：定性分析→定量分析(建模→分析→設計)，整合重構為原理、建模、分析、設計4個模塊(如圖1所示)。雖然基本內容保持不變，但內容的組織方式發生了根本改變，不是單純按照分析設計方法進行分類組織，而是面向案例解決過程，使模塊內容逐步遞進，環環相扣。

圖1 “自動控制原理”課程教學內容設計

1.2 主輔案例配合，使案例貫穿不斷線

“自動控制原理”課程“建模”部分主要介紹幾種控制系統的數學模型及其建模方法。由于組成控制系統的各控制元件的數學模型主要放在后續課程“自動控制元件”中介紹，所以“自動控制原理”課程“建模”部分以往主要通過對無源(有源)網絡建模進行介紹，雖然方法類似，但典型艦載裝備應用案例無法順利貫穿該模塊，學生也體會不到真正控制系統的模型及其建模方法。

按照艦載裝備控制系統案例貫穿整個教學內容的設計思路，我們以最具代表性的直流伺服電動機的建模為重點，以點帶面，將控制元件、控制系統的數學模型及其建模方法融合進去，使案例貫穿不斷線。

而原有的無源(有源)網絡建模案例，我們精選其中幾個作為輔助案例。主輔案例配合使用，既能豐富案例貫穿的脈絡，又能較好解決課程原有內容與增加的相關課程內容之間的關系。

1.3 軟硬仿真結合，使案例探究一體化

按照對貫穿案例的理論分析→軟件仿真→硬件仿真的探究過程，梳理調整軟件仿真和硬件仿真的相關內容，以便實現案例探究的理論實踐一體化。

一是軟件仿真內容的融合式增加。以前的做法是將相關的Matlab/Simulink仿真命令放在各章末尾集中介紹。為使學生對案例的理論探究和軟件仿真探究融為一體，我們將原來的集中添加改為融合式增加，在每一個理論知識點講解完畢后緊跟相應的Matlab/Simulink仿真方法介紹，然后在對貫穿案例的理論探究后通過軟件仿真探究加以應用。為了幫助學生對軟件仿真方法的理解記憶，在理論教學中順帶給出所有概念術語的英文關鍵詞。

二是硬件仿真案例的一體化調整。目前學生實作采用的“TD-ACC+自動控制原理”實驗平臺，是以有源網絡模擬控制系統，與控制元件、控制系統在直觀上脫節，不容易使學生形成控制系統的整體概念。并且，學生如果按照實驗平臺生產廠家推薦的案例進行實驗，實驗教學與理論教學使用的案例也脫節。為此，我們將統一設計的艦載裝備應用案例貫穿至硬件仿真中，保證學生始終面對同樣的案例進行理論分析→軟件仿真→硬件仿真探究。

2 設計貫穿案例

2.1 示范案例設計

選取某火炮隨動系統、某火箭深彈發射炮隨動系統作為2個示范案例，用于課堂教學。示范案例貫穿整個教學內容的每一個教學進度，貫穿理論分析、軟硬仿真各教學環節。為了達到案例始終貫穿、全面覆蓋的效果，我們精心設計，在教學實踐過程中反復修改完善，力求2個示范案例在難易程度等不同方面具有不同的典型性和代表性。比如：從穩定性的角度，應該分別代表穩定系統和不穩定系統等等。這樣，兩個案例相互配合、交叉并行，才能更好地實現案例的始終貫穿全面覆蓋，更好地驅動教學內容的自然推進。

2.2 練習案例設計

選取某隨動操舵系統作為主要練習案例，用于課后作業，貫穿整個教學內容，隨示范案例同步推進。另外，我們梳理多年積累的十幾個案例，集成為案例庫，開發了“艦載裝備隨動系統設計仿真實驗平臺”，供學生隨教學進度同步進行自主探究練習實踐，并可將自己得到的結果提交平臺驗證。

3 改革教學方法

采用“案例貫穿、理實一體，混合探究”的教學方法。所謂“案例貫穿”，就是用幾個典型艦載裝備控制系統案例，貫穿整個教學內容，其中，兩個示范案例用于課堂教學，一個主練習案例用于課后作業[1～2]。案例貫穿使得學生在解決系統局部問題的時候，始終面對的是整個系統，而不是一個個孤立的題目，更容易實現從知識到能力的轉化，也能更容易形成系統論和負反饋的思想。所謂“理實一體”，是指每次對案例的探究，先是理論計算，然后是Matlab/Simulink軟件仿真，最后是實驗箱硬件仿真，實現理實一體[3]。為了在課堂上給學生提供一個理實一體的自主探究環境，把上課地點選在實驗室。理實一體為學生理論與實踐相結合的道路掃清障礙。在實施了上述教學策略之后，課堂教學時數有限的問題更加突出，為此，依托雨課堂，利用微視頻、微測試、微討論、雷實驗，讓學生進行課前的預習和課后的復習拓展，實現線上、線下的“混合探究”，在課堂教學中進一步突出重點，也幫學生破解電路接線等難點[4～5]。

具體實施步驟為：①課前興趣激發先導，打牢探究基礎，即：學生通過雨課堂觀看預習微課視頻，完成預習測試，激發興趣、打牢基礎；②課上示范案例驅動，引導一體探究，即：兩個示范案例驅動，學生在教師引導示范下進行自主探究，包括：理論分析、軟件仿真、硬件模擬、軟硬仿真對比以及小組研討；③課后練習案例驅動，自主探究拓展。一個主練習案例——某隨動操舵系統，為必做案例；其余案例，集成為案例庫，開發了仿真實驗平臺，供學生選作。學生還可以通過雨課堂、以及我們自主開發的視頻公開課和網絡課程等進行課后的復習和拓展，還可以參加本科學生科技創新活動以及機器人俱樂部活動，延伸創新實踐。

在此過程中，通過主線探究，牽引學生主動思辨過程；通過融合滲透，培養學生工程思維方式；通過理實一體，提高學生創新實踐能力。

4 評價機制

課程采用形成性考核與終結性考核相結合、理論考核與實作考核相補充的考核方式。形成性考核是實施中的難點，以往將平時作業、課堂提問等計入成績，可操作性差，效果差強人意。更重要的是，以往的考核缺少對學生軟件仿真能力的評價，這樣就使軟件仿真能力的培養效果大打折扣。為此，我們將形成性考核設計為軟硬仿真實作、中間考試和雨課堂測試，各占10%，力求全面覆蓋學生的理論與實踐、線上與線下的整個學習過程。與以往相比，增加了軟件仿真、雨課堂預習的考核，保證了教學方法改革的實施效果，且這些平時考核內容均可通過平臺自動完成，更加科學方便有效。

5 結語

“案例貫穿、理實一體，混合探究”的教學方法發展了案例教學，形成了全面貫穿的特色。案例貫穿全部教學內容和所有教學環節，使得學生對案例的探究始終不斷線。其次，這種教學方法發展了理實一體教學，形成了混合一體的特色。線上依托雨課堂和雷實驗，實現理實一體；線下依托實驗室，實現教與學的理實一體，使得學生的理論和實踐始終不脫節。上述探索應用，取得了良好的教學效果，形成了海軍級教學成果。