“自動控制原理”混合式課程改革研究*

張 冉 ， 高聯學

（濱州學院電氣工程學院，山東 濱州 256600）

0 引言

“自動控制原理”教學團隊密切關注自動控制科學領域發展的新動向，不斷地追蹤和學習新科技，處理好基礎知識與新科技的關系，教學中有的放矢地向學生進行傳授，夯實學生理論基礎，進而培養學生的主動精神和追蹤新科技的能力，以適應自動控制領域科學發展的需要[1-3]。教學團隊選擇并綜合運用多種教學方法，有機整合多個教學環節，進行教學改革。

課程教學團隊結合學校建設以航空為主要特色的高水平應用型大學發展方向，一方面，對教學模式進行改革，建設了“自動控制原理”線上課程，將傳統的線下授課為主優化為線下線上相結合、相輔相成的教學模式；另一方面，指導學生運用自動控制理論解決工程實際問題，積極參與大學生智能汽車競賽、山東省大學生智能制造大賽以及國家級大學生創新創業訓練計劃項目等創新創業活動，在科技創新活動中加深對自動控制理論的理解和運用。

1 學情分析

1.1 學生來源和知識儲備

“自動控制原理”課程主要針對自動化專業大二學生進行授課。學生前期學習了“高等數學”“大學物理”“電路分析”等課程，對微分方程、拉式變換、矩陣、行列式以及基本的工程問題具有一定的了解，具有理論知識基礎。學習該課程前，自動化專業學生已參加實習活動，參觀了國網濱州電力公司、大唐濱州發電有限公司、山東魏橋創業集團等具備較高自動化水平的企業，對電氣自動控制系統有一定的感性認識，為本次課的學習奠定了一定基礎。因此，學生有一定的感性認識、知識儲備以及學習基礎。

1.2 學生心理特征及認識水平

授課對象為自動化專業大二學生，已接觸專業基礎課程和部分專業課程，也有欲望了解本專業的就業方向、考研前景等現實問題。“自動控制原理”是自動化專業很重要的一門專業基礎課，應用性較強。大部分學生對這門應用性較強的課程關注度很高，迫切希望在業余時間參加教師相關課題。總體來看，學生學習動力較足，積極性較高。學生平均年齡19歲，其抽象思維能力較強。由于該課程是自動化專業考研的專業課，因此學生對本節課內容學習興趣較高。

2 教學理念與教學方法

2.1 教學理念

1）將課程知識與培養學生分析解決復雜工程問題的綜合能力有機結合，形成自動控制的高級思維，達到提高學生職業能力和素養的目的。

2）引入MATLAB等科學軟件，注重課程的實用性和時代性。探討全信息化的教學手段與傳統教學方式之間的融合，引導學生利用自動控制理論結合科學軟件解決實際工程問題。

3）理論聯系實際，結合實際控制工程需求，提高教師備課質量，增加理論知識的實用性，增強課程內容的廣度和深度。

4）將課程思政與“自動控制原理”課程相融合，凝練課程思政元素，將“工匠精神”“家國情懷”等融入“自動控制原理”混合式課堂，激發學生愛國、創新、科技報國的思想。

2.2 教學方法

1）理論課程與實驗相結合。針對“自動控制原理”課程理論性強的特點，同時為了加強學生的動手實踐能力，結合“自動控制原理”中的實例，向學生介紹在工程中如何通過MATLAB等科學軟件對自動控制系統進行參數設計和仿真。

2）教學過程采用任務驅動式教學法和啟發式教學法等方法。任務驅動式教學法是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學方法，符合探究式教學模式，有助于培養學生的自學能力和獨立分析問題、解決問題的能力。大多數大學生有著良好的學習態度，他們學習的目的性更加明確，單靠動畫等畫面豐富的多媒體教學法去激發他們的學習興趣已很難成功。目前，關鍵是讓他們理解和感受到所學課程對其將來成長的意義，懂得其課程間的邏輯關系，使其從“要我學”變成“我要學”，并且要把這種思想融入日常教學中，而不是采用教條主義形式的說服教育[4-6]。

3）教學方式與時俱進。現代教學手段與傳統教學方法相結合，教學團隊采用板書與多媒體相結合進行教學，同時建設在線課程，讓學生在課前可以對“自動控制原理”重點內容進行預習、在課后能夠繼續對難點加以理解與鞏固。在線課程的建設充分利用了現代網絡先進技術，彌補了傳統教學方式中的不足。

4）結合行業需求和課程發展建設的需要。團隊教師結合“自動控制原理”基本知識指導學生參加機器人、智能車以及挑戰杯等各級各類學科競賽，鍛煉學生的動手能力和解決實際工程問題的能力，加深對“自動控制原理”知識的理解和應用[7-8]。同時，為了提升授課水平和教學質量，團隊教師積極參加教育部自動化教指委舉辦的自動化類專業青年教師講課（說課）競賽和濱州學院課程標準剖析比賽，獲得三等獎一項、優秀獎一項。

3 典型教學案例分析與設計

3.1 新課導入環節設計

新課導入環節教學設計如圖1所示。導入環節設計是為了引起學生思考，激發學生學習興趣，使其了解自動控制系統，并引入本節內容。導入神舟十二號飛船與空間站自動控制交會對接的案例分析，提出自動控制交會對接是如何實現的、什么是自動控制系統以及自動控制系統由什么構成等問題，進而與學生互動。

圖1 新課導入環節教學設計

3.2 新內容講授環節設計

知識點1：自動控制系統的概念。首先，通過駕駛過程分析控制系統工作原理，采用控制系統術語講授控制系統框圖模型的構成。通過課堂互動，使學生自主思考生活中和工程中常見的控制系統，留課后作業讓學生自行畫出控制系統結構框圖。

知識點2：控制系統結構分類。通過定速巡航自動控制讓學生理解反饋控制系統的結構和閉環控制系統的控制邏輯，重點是偏差控制的控制原理。引入馬克思主義辯證法中的事物兩面性原理，讓學生理解閉環系統的優點和不足，以及開環系統的特點及應用場景，使學生熟悉自動控制系統的分類方法。

知識點3：連續系統的數學模型。利用彈簧-阻尼-質量系統和RLC電路數學模型，使學生掌握典型系統建立數學模型的方法，使學生理解不同物理域的系統可能具有相同的數學模型。數學模型是系統結構的抽象表達，具有更加普遍的意義。

1.4 數據處理 采用Excel 2003 和DPS v7.05 軟件對試驗數據進行處理。X1表示密度，X2表示N，X3表示P2O5，X4表示K2O。通過回歸分析建立4因素與豇豆產量之間的回歸方程，因通用旋轉設計的常數項與二次項系數、二次項系數之間都具有相關性，為方便對模型分析討論，保留不顯著的各項。將4個因素中的3個固定在零水平，對數學模型進行降維分析，得到以其中1個因素的偏回歸模型，并根據該模型做出單因素變化趨勢圖；在固定其他2個因子為零水平時，求另外2因子之間的交互作用；對所建模型進行非線性求解得出最大值。

4 教學創新

教學團隊形成“一中心、三課堂、一目標”，即“以學生為中心”“以翻轉課堂為平臺、以智慧課堂為載體、以課堂思政為抓手”“以能力培養為目標”的教學理念。

以學生為中心，以教師為主導。課程對標工程專業認證標準，貫徹以學生為中心的OBE教育理念，授課過程中注重引導學生對自動控制系統進行討論和探究，就實際工程問題指導學生自行講解分析。充分發揮授課教師的主導作用，授課教師均具有“自動控制原理”課程多年授課經驗，在課堂組織、學生引導和知識點總結方面具有較高的水平。

充分發揮“三課堂”的引領作用。采用線上線下混合式教學，智慧樹平臺建立了“自動控制原理”課程的翻轉課堂，注重知識傳播的雙向性[9-10]；智慧課堂實現課堂教學的智能化（課程錄像在智慧課堂錄制），充分利用多媒體信息化手段，學生可以實現線下授課內容的回看；課堂思政強化專業知識的育人性，授課團隊充分挖掘“自動控制原理”課程的思政元素，建立了“自動控制原理”課程思政案例庫，充分激發學生的愛國熱情和科技興國的報國之情，塑造專業人才的人生觀、世界觀和價值觀。

以能力培養為目標。授課過程中培養學生應用MATLAB解決自動控制系統問題的綜合能力，包括用MATLAB建立系統數學模型、MATLAB在系統時域分析中的應用、MATLAB應用于根軌跡分析以及基于MATLAB的風力發電機轉速控制系統等，培養學生解決復雜化問題的思維和能力。

5 教學實踐與效果

濱州學院于2006年成立了電氣工程及其自動化本科專業，“自動控制原理”課程伴隨著該專業的成立而設置，并且一直是該專業的主干核心課。在多年教學工作中，教學團隊經常性地開展教學研討活動，密切注視國內外控制理論在教育與科技方面的進展，定期召開會議，制定教學大綱，有計劃、有針對性地組織觀摩教學和教學研究活動，取得了顯著的成效。“自動控制原理”課程從教材、授課內容、授課方法和實踐教學等方面也在不斷改進，如選用高等教育出版社程鵬主編的國家級規劃教材《自動控制原理》、改善實驗教學條件、擴充教學隊伍和培養中青年教師等，逐步建立了課程教學與實踐環節相結合的整體優化新體系。在教學效果、現代化教學手段、培養學生綜合能力與素質、教學梯隊建設、教學資源和實踐教學等方面都取得了優異的成績。

2）課程教學內容和課程體系不斷優化提升。“自動控制原理”課程立項濱州學院校級重點課程建設項目，“自動控制原理”課程實驗教學改革研究立項濱州學院實驗技術研究項目。一篇畢業論文被評為山東省優秀學士學位論文。

3）考研專業課的成績得到了提升，自動化類畢業生受到了用人單位好評。通過線上線下課程的學習和創新創業類活動的實踐，提升了學生對自動控制原理的理解和應用能力，學生考研專業課的成績得到了提升，多名學生考取中國民航大學自動化專業研究生進行深造。在自動化類企業就業的學生，能夠將所學的自動控制理論應用于實際工作中，獲得了用人單位的認可和好評。