自動控制原理課程教學改革與實踐探索

林異鳳 任家智 徐善智

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?自動控制原理課程是控制理論與控制工程學科的基礎和核心課程。為滿足新工科和應用型本科建設要求，我們在教學中創新工程教育方式與手段，對該課程試行教學改革與創新，促進學生專業知識的掌握和創新能力的提升，在課程建設的各環節進行了探索與總結，取得了不錯的效果。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?自動控制原理;新工科;教學改革

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2022）03-0061-03

山西能源學院是一所“以工為主，能源見長”的應用型本科院校。為了培養滿足國家和地方發展需要的高素質人才，學院鼓勵教師樹立教育新理念、創新教學新方式、提高課程教學質量、培養具有創新創業意識和跨界整合能力的新工科人才。自動控制原理課程教學組在教學過程中針對課程進行教學改革和創新以及課程建設的實踐和探索，培養學生的創新思維與創新能力。在課程教學改革與實踐探索中，依據社會需求修訂人才培養方案，根據技術發展改進課程內容，遵從學生愛好改變教學方法，課程教學效果大幅提高，學生的理論水平和實踐能力得到較大提升。

一、教學改革的必要性

（一）課程性質及特點

自動控制原理是電氣類、自動化類以及智能控制類等本科專業的核心基礎課程，該課程側重從理論角度闡述自動控制領域的基本概念和基本規律，理論性較強，計算量大，對學生數理基礎知識要求較高，且內容比較抽象，學生理解比較困難。

（二）課程改革前教學狀況

自動控制原理課程以往的教學方式是以教師講授為主，教師講，學生聽，教師作為教學主體，依據教學大綱機械式完成教學，不能結合本校學生的基礎知識水平和差異，導致學生由興趣較高到聽課困難再到學不會直至完全失去學習興趣;教師也因為教不會而失去信心，教學陷入“學生難學、教師難教”的死胡同。由于課時量少，理論講解深度和寬度有限，學生幾乎沒有實踐機會，也沒有實踐的興趣，導致教學效果很不理想。

（三）教學改革的主導思想和目標

2017年，教育部提出新工科建設的愿景與行動，倡導高校運用新工科建設模式，主動適應新技術、新產業、新經濟發展，建成工程教育強國，為實現中華民族偉大復興的中國夢奠定堅實的基礎。為此，自動控制原理課程組致力于課程教學改革，并進行大膽的實踐探索。

在課程教學改革實踐中，我們以實際工程應用需求為導向，以建設精品課程為目標，以學生為中心，改變教學理念，將學生作為主體開展教學工作。在理論教學基礎上加大工程應用案例講解，加強實踐能力訓練，培養學生理論知識與實踐能力并重、創新思維與創新能力共同發展，通過課程思政、雙語教學等方式，實現“立德樹人”總引領，樹立學生的家國情懷、民族自豪感和自信心，培養思想導向正確、致力于國家建設與國際交流的應用型人才。

二、課程改革實踐

（一）建設控制理論課程體系

自動控制原理是控制理論的基礎課程，它的研究對象是過程控制系統中被控對象的輸出模擬信號的實時檢測與控制，課程涉及的學科內容多、知識面廣，我們通過厘清各專業課程同自動控制原理課程的關系，以服務專業課程為目標，建立應用任務模塊，做到課程高度服務于專業建設。結合學生就業及升學需求，在人才培養方案中完善先修及后續課程，增加了傳感器與檢測技術、信號與系統等課程，建立了完整的控制理論課程體系，并且合理規劃課時，做到教學內容和進程符合新工科培養目標。

（二）完善教學資源

1.編寫教改課程大綱，制作教改課件。編寫教改的課程大綱，充分體現專業培養特色需求。制作滿足課程特色要求的理論和實驗教學課件，建立線上教學資源庫，收集課程知識的應用科普視頻及趣味鏈接，讓學生充分享受趣用結合的翻轉體驗。

2.設立應用任務目標，編寫實驗教學大綱和實驗指導書。編寫與各類專業相關的設計性、綜合性和探索性實驗大綱和教學指導書，最大限度地發揮學生的主動性和創造性。在保留一些傳統實驗的基礎上，增加MATLAB軟件仿真實驗，加強學生對課程理論知識的掌握，提高學生的動手實踐能力和創新能力。

3.充實與完善試題庫，完善考核模式。建立章節練習題和試題庫，庫內資料滿足教學大綱及研究生入學考試水平要求，開發試題庫管理及試卷生成系統。考核中不唯考試成績論，綜合考查學生的教學參與程度、實驗動手能力、創新創業能力。

4.建設教師團隊。課程負責人牽頭建立教學團隊，承擔教師的培養和考核任務。鼓勵教師參加各種形式的教學交流活動，課程組經常進行教學研討，通過定期聽課促進教師業務水平提高。教學團隊實行出入制度，對于不能滿足教學目標的教師實行淘汰制。

（三）革新教學方式

1.學生成為教學主體。自動控制原理課程知識覆蓋面廣、內容多、更新發展快，理論性和應用性都很強，具有相當的深度和難度，且內容比較抽象、邏輯性強、概念多、概念間的差別小，導致學生理解比較困難、概念容易混淆。因此，我們在教學中要求學生必須在課前參加網絡課程的學習，在課堂上的任務主要是交流和討論，提出問題并得到教師的解答。教師的任務是幫助學生理清課程的脈絡，講解課程的重點和難點，鼓勵學生參與到教學活動中，讓學生認識到課堂的主角是自己。這個過程有別于目前盛行的翻轉課堂教學模式，每堂課都要求全員參與課程討論，學生的參與度作為平時成績考核的依據并且有較大占比。

2.教師成為知識的引路人，而不是灌輸者。本課程的顯著特點是脈絡清晰、邏輯緊密，課程教學設計緊緊圍繞這一特點開展，從課程整體框架、章節之間的銜接，直至每一次課堂內容設計。教師在首次課程概述講解中要帶領學生進行課程知識“骨架”搭建、脈絡梳理，在每個章節的學習中都要緊緊圍繞這個脈絡進行闡述，讓學生明確為什么學、學什么、如何學。教師是學生思路的引領人，學生是思考的主體。教師的職責是讓學生參與到教學中，以學生為中心，引導學生通過獨立思考、團隊討論來自主解決問題。

3.引入工程案例教學。教師在章節課程開始時設計工程應用案例，提出設計要求，教學過程圍繞工程案例展開。教學中，學生學習的目標生動、具體、直觀，有身臨其境之感，易于學習和理解。課堂上，教師引導學生思考、組織討論研究，進行總結、歸納，調動學生學習的主動性。學生在課堂上再也不是忙于記筆記，而是共同探討問題。由于調動集體的智慧和力量，容易開闊思路，收到良好的效果。

4.建立線上線下共享課程。為解決學生課后學習中的困惑，課程組教師精心設計課程，錄制完整的教學視頻并建立網上課程與學生共享，學生可以根據需求反復聽課。課程組教師針對每個專業和年級建立課程學習討論微信群，學生可以在群內提出問題、參與討論問題，教師隨時為學生答疑解惑，利用信息化手段將課堂延伸至任何時間和地點。

5.課程思政建設。立足“立德樹人”根本任務，將德育元素融入專業課程教學中，實現全課程育人。教師在教學中提煉專業課程蘊含的文化基因和價值范式，將其轉化為社會主義核心價值觀具體化、生動化的有效教學載體，在“潤物細無聲”的知識學習中融入理想信念層面的精神指引。課程加入“中國元素”，以“科技強國”“軍事強國”為課程改革重要內容，培養學生的專業歸屬感、民族自豪感，使學生成為熱愛祖國、甘愿為祖國奉獻的新時代社會主義建設者[1]。

（四）創新實驗實踐

建立實驗教學資源庫，優化實驗教學內容。依據自動控制原理課程教學內容，從改革和完善實驗教學大綱入手，在實驗設計中綜合考慮知識的難點和重點，在傳統的模擬實驗的基礎上增加軟件仿真實驗，在驗證性實驗的基礎上，增加設計性實驗和綜合性實驗，以促進學生對課程知識的理解和應用[2]。

例如，在根軌跡分析法驗證實驗中，通過增加零極點引起的根軌跡變化，理解零點和極點的介入對系統動態性能的影響以及零點和極點的位置不同，導致對系統性能影響的大小不同，由此加深學生對PID控制器的理解。在此基礎上，教師提出設計性要求（例如，設計一個超調量不大于10%的蓄水箱控制系統），學生依據要求進行實驗方案設計并通過實驗結果完成校驗。通過驗證型實驗到設計型實驗的訓練，提升了學生的綜合思維能力和創新能力，并由此引導學生開展綜合型實驗。學生利用涉及本課程的綜合知識或與本課程相關的課程知識，獨立思考和完成課程設計及畢業設計，或參加“互聯網+”大學生創新創業大賽等國家級競賽，調動學生勇于探索、勇于創新的積極性，最大限度地滿足學生的求知欲和不斷創新的精神，從而達到培養學生創新能力的目的。

三、課程教學改革特色及效果

自動控制原理課程教學改革試行三年來，形成了“學、驗、用、研”各環節均具創新特色的課程。

（一）與專業課程相結合

構建與專業課程相結合的課程理論和實踐教學案例，實現自動控制原理課程與其他專業課程的緊密結合，使課程教學內容與學生專業知識結構相適應，不僅能夠降低課程學習難度、激發學生的學習興趣，還能加強各專業課程間的聯系，有利于學生專業知識體系的構建和知識綜合應用能力的培養。

（二）與仿真技術相結合

隨著多媒體技術在課堂教學中的廣泛應用，為MATLAB仿真技術進入自動控制原理理論課堂教學創造了條件，通過MATLAB仿真技術對自動控制原理教學內容的圖形、圖像化展示，增強學生對教學內容的直觀理解，不僅能提升教學效果，而且能讓學生掌握計算機仿真分析軟件的使用方法[3]。

（三）與學生競賽相結合

自動控制原理課程是電氣類學科競賽的核心課程，在全國大學生電子設計競賽、全國大學生智能車競賽等都有重要的應用。我們將各類大學生競賽項目中的自動控制案例滲透在課程教學各環節中，吸引學生的學習興趣，引導學生積極參加各類學科競賽，增強理論知識綜合應用能力。系部專門為學生開辟了學生創新實踐實驗室，配備了實驗儀器和設備，為學生課外實踐提供支持，同時，專業教師在課題選擇、方案確認、實現路徑等各方面與學生研討，學生解決問題的積極性得到提高，業余時間在實驗室做科研項目的人越來越多，在國家級和省級學科競賽中取得了多項成果。

（四）與教師科研相結合

教學和科研相輔相成，將教師科研相關內容納入自動控制原理課程教學過程中，讓學生了解控制理論的應用。例如，在某逆變器LCL濾波器設計課題研究中，由于LCL濾波器具有三階特性，易引起系統諧振，我們采用雙環或多環負反饋對控制系統物理結構進行改進，對控制系統降低階次，從而避免了諧振，同時提高了系統的動態響應速度[4]。通過這個項目的研究，拓寬學生的科學視野，提高學生的學習興趣，增強學生的求知欲望。

通過自動控制原理課程教學改革，學生對該課程的興趣大增，在學習中善溝通、會協作，具備了自主學習的信心和積極性，開拓了創新思維與創新能力，學生在教務系統中對課程和教師的評價優秀率達93%以上。在近幾年的全國大學生數學建模競賽、全國大學生電子設計競賽、全國大學生智能車競賽、大學生“互聯網+”、大學生創新創業大賽等都有獎項斬獲。同時學生在考研專業課自動控制原理考試中成績突出，2016級15名考研學生專業課平均成績達116分，2017級23名考研學生專業課平均成績達118分。

在自動控制原理課程教學改革實踐中，課程組教師的專業知識水平和授課能力得到顯著提高，在參加省級和校內中青年教師賽講、全國教師創新教學大賽及教科研工作中都有許多收獲。2020年，課程組成員共發表論文10篇，省級和院級科研項目2項，同時自動控制原理課程被評為院級教改項目和精品課程。

四、結語

自動控制原理課程教學改革取得了一定的成績，得到了學校及學生的認可，但是距離國家對新工科教育理念的要求還有距離，尤其對催生新技術和孕育新產業的研究還未深入涉及。因此，課程組將繼續積極嘗試通過課程教學改革與實踐，培養和造就引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力支持和人才保障，為增強學生的實踐創新能力做出積極的貢獻。

參考文獻：

[1]戚靜.高校課程思政協同創新研究[D].上海：上海師范大學，2020.

[2]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實驗教學的改革[J].實驗室研究與探索，2005（S1）：192-195.

[3]趙靜.基于自動控制原理的教學改革實踐探究[J].中國成人教育，2011（17）：147-148.

[4]趙晉斌，張元吉，屈克慶，等.單相LCL并網逆變器控制策略綜述[J].電工技術學報，2013，28（10）：134-142.

◎編輯 鄭曉燕