新工科背景下“自動控制原理”實驗教學改革

楊 揚, 張清勇

(武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢430070)

0 引言

2017年2月，教育部提出新工科建設[1]。教育部先后以《復旦共識》《天大行動》《北京指南》 等文件為標志，啟動工程教育改革的人才培養規劃，部署新工科建設，代表我國高等工程教育改革進入新的階段[2]。新工科專業人才培養是中國制造2025強國戰略的關鍵[3]。

“自動控制原理”課程是面向自動化、電氣工程及其自動化、機械工程等專業的專業必修課程，也是車輛工程、電信工程等工科專業的選修課程[4]，“自動控制原理”實驗教學在培養學生工程實踐和應用創新等綜合能力方面起著重要作用[5]。傳統開設的實驗內容大多是對基本理論的驗證，實驗手段是利用Matlab等工具進行仿真，存在實驗內容與理論知識、實際系統、學科前沿及交叉學科聯系不足，實驗教學效果不佳，學生能力培養不足等問題[6,7]。同時，在我校還存在卓越工程師班與其他教學班的教學目標、教學內容和教學方法等無任何區別的問題，已不符合新工科教育理念。因此，有必要按照新工科建設要求進行“自動控制原理”實驗教學改革和創新。本文中，我們面向自動化卓越工程師班，以學生為中心，修改該課程教學目標，將學科交叉和學科前沿知識融入實驗教學內容中，創新教學方式與技術，科學評價學生實驗成績并持續改進實驗教學，以培養學生工程實踐和應用創新等綜合素質。

1 多層次的“3-3-3-2”實驗教學理念

針對我校“自動控制原理”實驗教學中存在的不足，提出多層次的“3-3-3-2”“自動控制原理”實驗教學模式，如圖 1 所示。確定“自動控制原理”實驗教學的三項能力培養目標，對應設置三級層次實驗內容，不同實驗項目具有三類不同的課程性質，并采取兩種不同授課方式。

三項能力培養目標包括：

(1)使學生掌握“自動控制原理”實驗的基本方法和實驗技能；

(2)使學生具有運用控制理論分析和設計控制系統的綜合能力；

(3)使學生具有基于自動化交叉學科知識、學科前沿和工程實物系統進行開放性實驗的創新實踐能力。

將實驗項目分為三個層次：

(1)基于經典控制理論的基礎驗證性實驗項目；

(2)綜合運用控制理論知識、學科相關知識和輔助工具的綜合設計性實驗項目；

(3)基于實驗室現有工程實物系統或科研成果轉化或學生科技競賽作品的應用創新性實驗項目。

按照多層次化的實驗項目，將實驗項目類型分為必修性、選修性和開放性三種類型。同時，采取“基礎普及式”和“開放引導式”兩種教學方式。

2 修訂教學大綱，優化三級層次實驗內容

根據實驗教學目標，重新修訂自動化卓越班教學大綱，實驗內容分為基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗、應用創新性實驗三個層次。早期的“自動控制原理”實驗環節為8學時課內實驗，現有的培養方案中，適當縮減了理論學時，將課內實驗環節總學時增加到16學時，另外將應用創新性實驗全部安排在課外自主學習的環節。

圖1 多層次的“3-3-3-2”“自動控制原理”實驗教學理念

對于基礎驗證性實驗，以實驗室現有的“TD-ACC+自動控制原理”實驗箱進行實驗項目命題，無需借助Matlab仿真工具，只需在實驗箱上進行模擬電路實驗，目的是學生掌握自動控制原理基本理論和實驗方法。基礎驗證性實驗為必修實驗。

對于綜合設計性實驗，以實驗室現有的1套固高科技的直線一級倒立擺控制系統、磁懸浮小球控制系統、學院工業4.0 實驗室的智能制造系統等工程實物系統進行命題。增加綜合設計性實驗比重，設置多個實驗項目，采用必修和選修結合的方式授課，核心內容是必修的，另外設置一些拓展性實驗項目供有興趣的學生選做。綜合設計性實驗是實物系統實驗，在實物系統實驗之前需要進行MATLAB仿真分析。由教師提出實驗目標，學生查閱資料、結合學科相關知識，自主設計實驗方案，在教師的引導下完成實物系統實驗。綜合設計性實驗內容不僅涵蓋自動控制原理課程的重點理論和控制系統分析方法，而且實驗重點內容是系統建模、校正、閉環控制器和控制策略設計，將數學模型、控制方法與工程實物系統將結合，培養學生解決實際問題的能力，增強學生綜合分析能力。

應用創新性實驗采用全開放方式。教師提供的選題一部分來源于學生科技競賽作品、實驗室現有設備，另一部分是基于控制學科前沿知識和學科交叉科研項目的創新性實驗，例如：基于實驗室現有設備的選題有“直線一級倒立擺擺起控制實驗”，“直線一級倒立擺LQR控制實驗”，“球桿系統小球定位控制實驗”等，基于學生科技競賽作品的選題有“四旋翼飛行仿真器設計”等、基于科研項目的選題“汽車動力鋰電池均衡控制實驗”等。學生也可自主選題。由2～3個學生組成一個小組，從方案設計到實驗再到撰寫報告和PPT，完全由學生自主完成，充分挖掘學生的創新能力，提高學生的應用能力和工程實踐能力，也能鍛煉學生的團隊協作能力。

3 “以學生為中心，問題導向”的教學模式

新工科教育理念要求“以學生為中心”，教師發揮引導作用，提高學生的學習興趣、學習參與度和自學能力。2018年，武漢理工大學自動化學院專業實驗教學網絡平臺建成，該實驗平臺包含PC端和手機微信端。基于該實驗教學網絡平臺，提出“以學生為中心，以問題探究為導向”的教學模式，采取問題導向的探究式和互動式的翻轉課堂教學方法，采用多方位的考核方式評價實驗成績。

“自動控制原理”實驗教學改革模式如圖2所示，具體包括以下四個方面。

(1)借助專業實驗教學網絡平臺，采用“互聯網+開放實驗室”的線上線下結合的教學模式，提供完善的網絡實驗教學資源，作為翻轉課堂的課外學習內容，引導學生自主預習，規劃預習節奏，解決課時不足的困難，提高實驗教學效率。細化預習任務和預習考核要求，同時設置預考核試題。對于綜合設計性和應用創新性實驗，學生在自主預習階段完成方案設計和MATLAB仿真分析，充分發揮學生的主觀能動性，提高自學能力。

綜合設計性實驗的選修部分和應用創新性實驗都采用開放預約方式。自動控制實驗室對學生全開放，學生完成預習任務后，即可在PC端或微信平臺上預約實驗項目。

(2)以問題為導向的探究式方法開展基礎驗證性實驗。問題探究方法包含兩個層次，一是每個實驗項目均以教師“設置問題、啟發思考、引導提示“來組織教學，二是以學生“發現問題、分析問題、解決問題”貫穿整個教學過程。通過提出問題激發學生學習興趣，學生分析問題引發思考從而解決問題，提高學生探究和應用能力。

以項目驅動法開展綜合設計性實驗和應用創新性實驗。項目驅動法教學將實驗內容以項目的形式開展。首先結合工程實物系統、科技競賽作品、學科前沿知識、交叉學科科研成果等設置實驗項目，創建情境。然后合理地將實驗內容轉化為不同層次實驗任務，使學生進入工程應用或者科學研究的情境中，以驅動學生帶著真實的任務進行實驗。其次，項目驅動教學法只提供實驗任務和目標，不向學生提供明確的實驗方案和步驟，學生需要通過自主學習、獨立思考、交流探索來建立控制系統數學模型、設計控制方案、進行仿真分析、獲取實驗數據及完成實物系統實驗，在這個過程中教師只起引導、啟發及與學生交流的作用。最后，教師對學生完成實驗項目的方案設計、實驗過程和結果進行綜合評價和反饋，促進學生進行實驗反思和方案改進。

(3)利用專業實驗教學微信平臺反饋交流，結合問卷調查方式進行教學反饋，形成實驗教學閉環模式。學生和教師可在微信平臺進行互動交流，學生可在微信平臺評教，反饋對自動控制原理實驗教學內容和教學方法等方面的意見。教師可在平臺設置問卷調查，分析問卷調查的結果。通過以上方式，進行教學反饋，以持續改進實驗教學。

(4)改變單一地依據實驗報告來評定學生實驗成績的考核模式，建立多方位的科學全面的考核機制，才能公平公正地評價學生的學習效果，也能為實驗教學持續改進提供思路。針對不同層次的實驗項目，考察的方面不同。對于基礎驗證性實驗項目，將學生的預考核情況、實驗過程、實驗結果和實驗報告納入考核。對于綜合設計性實驗項目，要考察學生的預習情況、實驗方案設計、實踐能力和分析解決問題的能力以及實驗報告。對于應用創新性實驗，還需考察應用創新能力、團隊協作能力和匯報答辯能力。

4 結語

基于新工科人才培養目標，本文中提出了多層次“3-3-3-2”“自動控制原理”實驗教學模式，確立實驗教學的三項能力培養目標，設置基礎驗證性、綜合設計性、應用創新性三級層次實驗內容。基于專業實驗網絡教學平臺，實現實驗室全開放預約管理，從轉變課堂教學模式、完善網絡教學資源、建立教學反饋機制和采用多方位考核方法四個方面建立以學生為中心的線上線下結合的教學模式。通過實驗教學改革，提高了學生的工程實踐能力、創新能力、學科融合和團隊協作能力。

圖2 “自動控制原理”實驗教學改革模式