金課建設(shè)背景下“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐研究

田雪虹，劉海濤

（廣東海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

2018 年6 月教育部陳寶生部長(zhǎng)第一次提出了“金課”概念。11 月24 日教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖作了“建設(shè)中國(guó)金課”的報(bào)告。通過(guò)金課的建設(shè)，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證體系“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的理念要求，充分發(fā)揮專業(yè)核心課程在人才培養(yǎng)中的重要作用，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和人才質(zhì)量。

1 自動(dòng)控制原理課程的內(nèi)容及特點(diǎn)

控制論既是廣義的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，又是唯物辯證法的方法論的一門學(xué)科，它對(duì)啟迪和發(fā)展人的思維有很大的作用[1]。自動(dòng)控制原理是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，該課程主要講述經(jīng)典控制論的相關(guān)內(nèi)容，如何從動(dòng)力學(xué)角度認(rèn)識(shí)和理解事物發(fā)展變化的本質(zhì)屬性及其動(dòng)態(tài)過(guò)程。該課程以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究單輸入單輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。課程的主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定、系統(tǒng)的性能指標(biāo)及校正以及線性離散系統(tǒng)初步。研究的問(wèn)題主要包括系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立，求出傳遞函數(shù)，根據(jù)二階欠阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，推導(dǎo)出系統(tǒng)快速性能指標(biāo)（上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp和調(diào)整時(shí)間ts）和平穩(wěn)性能指標(biāo)（最大超調(diào)量Mp和振蕩次數(shù)N）；根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求要求（穩(wěn)、快、準(zhǔn)）和系統(tǒng)的性能指標(biāo)，判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定并滿足系統(tǒng)給定的性能指標(biāo)要求，如果系統(tǒng)不滿足要求，通過(guò)改變系統(tǒng)的參數(shù)或者是加入某種裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使?jié)M足系統(tǒng)預(yù)定的性能指標(biāo)要求[2-3]。自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)是涉及的專業(yè)知識(shí)面廣，理論性和應(yīng)用性強(qiáng)，內(nèi)容抽象。例如建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和求系統(tǒng)傳遞函數(shù)要用到高等數(shù)學(xué)、電工學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)以及拉普拉斯變換等基礎(chǔ)知識(shí)。

2 “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題

2.1 教學(xué)模式單一

自動(dòng)控制原理課程的理論性強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是大多數(shù)老師利用多媒體播放課件的形式教學(xué)，老師是教學(xué)活動(dòng)的主體，學(xué)生被動(dòng)的填鴨式接受知識(shí)，學(xué)生跟著老師的思路，整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考問(wèn)題、缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，缺乏課堂互動(dòng)，課堂死氣沉沉，枯燥無(wú)味，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生不能將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的工程應(yīng)用中，不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4-5]。

2.2 重理論輕實(shí)驗(yàn)

課程實(shí)驗(yàn)是課程的重要組成部分，做好實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)技能，可以培養(yǎng)科學(xué)思維能力和動(dòng)手能力，也是學(xué)好本課程的主要手段之一。但是目前很多高校還是以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)課時(shí)很少或基本沒(méi)有，如果有也僅僅是利用Matlab 做簡(jiǎn)單的仿真實(shí)驗(yàn)，不能充分發(fā)揮學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力，不能用實(shí)驗(yàn)解決復(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題。

2.3 教學(xué)內(nèi)容有待優(yōu)化

“金課”要求適當(dāng)增加課程的難度和擴(kuò)大課程知識(shí)的深度，自動(dòng)控制原理教學(xué)內(nèi)容與金課要求以及“以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜實(shí)際工程問(wèn)題能力”的理念相差甚遠(yuǎn)。自動(dòng)控制原理主要涉及經(jīng)典控制論的內(nèi)容，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握“系統(tǒng)”的概念，并學(xué)會(huì)從動(dòng)力學(xué)角度分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，需要學(xué)生掌握和應(yīng)用更多的理論知識(shí)，對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，基于上述原因，課程內(nèi)容亟需優(yōu)化。

2.4 課程思政教育挖掘不深入

如何充分發(fā)揮專業(yè)課程中課程思政元素的作用，引導(dǎo)學(xué)生具有正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀極為重要。但是課程思政必須結(jié)合課程內(nèi)容教學(xué)，以“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的方式將課程內(nèi)容的思政資源內(nèi)涵延伸至專業(yè)知識(shí)，做到科學(xué)性與價(jià)值性、知識(shí)性與思想性的辯證統(tǒng)一。同時(shí)應(yīng)以案例式、實(shí)證式的形式將專業(yè)知識(shí)中的思政資源具體化，而不是抽象的說(shuō)教式輸出。因此，自動(dòng)控制原理課程中的思政元素挖掘不夠具體。

2.5 考核方式單一

目前，很多高校課程采用傳統(tǒng)考核方法：總成績(jī)＝平時(shí)成績(jī)（包括考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)）占30%+期末考試占70%。這樣終結(jié)考試（期末考試）基本上就決定了學(xué)生的最終成績(jī)，導(dǎo)致部分學(xué)生遲到、早退、曠課，應(yīng)付作業(yè)抄襲作業(yè)現(xiàn)象嚴(yán)重，他們認(rèn)為，考前集中復(fù)習(xí)，臨陣“磨刀”也能有個(gè)不錯(cuò)的成績(jī)，不利于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握，也不利于學(xué)生的身心發(fā)展。

3 “自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

3.1 教學(xué)模式的改革

“自動(dòng)控制原理”是一門理論性很強(qiáng)的核心專業(yè)課程，理論知識(shí)學(xué)生不容易理解和掌握，本課程使用多種教學(xué)方法，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，如講授法、案例法、課堂討論法以及項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法。在講解控制系統(tǒng)分類時(shí)——根據(jù)系統(tǒng)有無(wú)反饋分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，先講授反饋、開環(huán)和閉環(huán)的概念，接著以教室里的風(fēng)扇和空調(diào)為案例進(jìn)行分析，分別屬于哪種控制系統(tǒng)，然后讓學(xué)生尋找生活中開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的案例，加深學(xué)生對(duì)反饋、開環(huán)和閉環(huán)等基本概念的理解。在講解特征根和自由響應(yīng)的關(guān)系時(shí)，運(yùn)用前置課程所學(xué)的內(nèi)容，分組討論特征根分布情況對(duì)自由響應(yīng)的影響，并得出結(jié)論，課堂討論法增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的思考能力。在講解校正相關(guān)內(nèi)容時(shí)，以自動(dòng)生產(chǎn)線的改造項(xiàng)目為依托，對(duì)原系統(tǒng)的控制器進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.2 重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)是人們認(rèn)識(shí)客觀世界最重要的手段之一。認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)技能，可以培養(yǎng)科學(xué)思維能力和動(dòng)手能力。自動(dòng)控制原理課程理論性較強(qiáng)又與實(shí)際工程問(wèn)題緊密結(jié)合，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)操作不僅能加深對(duì)理論知識(shí)的理解還能提高學(xué)生的動(dòng)手能力。例如操作控制系統(tǒng)及校正實(shí)驗(yàn)時(shí)，先建立仿真模型系統(tǒng)，先將控制器設(shè)為比例控制器，K 取不同的值，觀察輸出波形；再將控制器設(shè)為比例積分控制器，把積分環(huán)節(jié)的時(shí)間取定值，改變比例環(huán)節(jié)K 的參數(shù)，觀察對(duì)應(yīng)的輸出波形的變化，可以直觀看出參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的影響。把學(xué)科競(jìng)賽引入課程教學(xué)[6]，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加控制類相關(guān)的競(jìng)賽，如智能小車避障賽、機(jī)器人與人工智能賽和智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽等，讓學(xué)生把所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用到實(shí)踐中，真正做到學(xué)以致用。學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽獲國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)，三等獎(jiǎng)3 項(xiàng)。

3.3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“自動(dòng)控制原理”課程安排50 學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多，僅僅利用有限課堂學(xué)時(shí)學(xué)生很難把相關(guān)知識(shí)學(xué)懂、學(xué)透，這就需要對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。將課程內(nèi)容分為低階（記憶和簡(jiǎn)單理解）和高階（分析和應(yīng)用），對(duì)低階的知識(shí)點(diǎn)線上學(xué)生自學(xué)完成，對(duì)于高階的知識(shí)點(diǎn)，如典型案例分析，老師線下講解。課后活動(dòng)即收集反饋信息，學(xué)生對(duì)于線上不能理解的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)平臺(tái)反饋給老師，根據(jù)反饋情況，老師線上或線下講解，形成閉環(huán)，有利于教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)，提高教學(xué)質(zhì)量。課程內(nèi)容分解如圖1 所示。

圖1 課程內(nèi)容分解

3.4 課程思政融入課堂

課程思政由于專業(yè)不同、課程不同，專業(yè)課引入的方式和方法也不相同。自動(dòng)控制原理融入課程幫助學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義、勇于攀登的科學(xué)精神，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。如講解自動(dòng)控制原理緒論時(shí)，講述中國(guó)近年來(lái)自動(dòng)化技術(shù)在航空、航天、交通和智能制造領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)控制學(xué)科有更深入的認(rèn)識(shí)和了解，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)自信心；講解控制論的發(fā)展史內(nèi)容時(shí)引入中國(guó)的科學(xué)家燕肅、張衡、蘇頌、錢學(xué)森使學(xué)生了解科學(xué)家的事跡、貢獻(xiàn)以及中國(guó)是一個(gè)發(fā)明創(chuàng)造的國(guó)度，增強(qiáng)學(xué)生民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新、科技報(bào)國(guó)思想；講解系統(tǒng)三頻段論時(shí)，不同的頻段映射出人生不同階段的奮斗目標(biāo)等等。將課程思政潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的融入課堂，學(xué)生不僅學(xué)到了專業(yè)知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義精神，達(dá)到了專業(yè)知識(shí)與思想政治理論同向同行的效果。

3.5 多元化考核方式

傳統(tǒng)的考核方式，期末考試所占比例重，忽視了過(guò)程性考核，不能全面考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的點(diǎn)掌握程度，不能全面、客觀的評(píng)價(jià)學(xué)生的成績(jī)。參考工程教育專業(yè)認(rèn)證的考核方式，調(diào)整了考核評(píng)價(jià)機(jī)制，提高平時(shí)成績(jī)的比重，重視過(guò)程考核，增加課堂討論、章節(jié)測(cè)試、課堂測(cè)試以及大作業(yè)等評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題和解決復(fù)雜實(shí)際工程問(wèn)題的能力[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

金課背景下為培養(yǎng)新工科時(shí)代具有分析問(wèn)題和解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題能力的人才，結(jié)合工程教育理念對(duì)自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程內(nèi)容、課程考核方式等方面進(jìn)行了分析和研究，提出了使用多種教學(xué)方法、重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)、優(yōu)化課程內(nèi)容以及多樣化的考核方式等改革措施，重視過(guò)程考核，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，提高了學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐等綜合能力[8]，提高了教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)新工科背景下的應(yīng)用型人才提供了有力的保障。