新工科背景下自動控制原理課程教學模式探究與實踐

胡汪洋，江善和，陳世軍，張朝龍

（安慶師范大學 電子工程與智能制造學院，安徽 安慶）

一 引言

為深化推進新工科建設，2020 年5 月，教育部印發了《未來技術學院建設指南（試行）》的通知，指出要把握新工科“新的工科專業、工科的新要求”建設內涵，突破常規、突破約束、突破壁壘，探索專業學科交叉合作規律，探索未來科技創新領軍人才培養新模式，探索工程人才培養的中國方案[1-2]。

“新工科”是指新興工科專業，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等原來沒有的專業，一是對傳統工科專業（電子信息科學技術、建筑工程、機械、材料、自動化、交通工程、冶金、采礦、系統工程等等）的升級改造，實現更新的理念、更好的模式、更高的教育質量。二是強調新結構和新體系，新結構要與社會產業發展相匹配，既面向當前急需，又考慮未來發展，新體系是促進學校教育與社會教育的有機結合[3]。

《自動控制原理》課程是自動化專業培養方案中綜合性很強的專業課，以傳遞函數為基礎的經典控制理論，涉及電路分析、機械原理等專業培養前序課程，核心內容包括自動控制系統的基本組成和結構、性能指標（穩定性、準確性、快速性）、過程分析（時域法、頻域法等）、類型特點（連續、離散、線性、非線性等）、綜合校正和設計方法等[4]。在長期的教學過程中，發現該課程主要存在重難點內容抽象性強，高等數學理論要求高，注重理解與實踐相結合，課程章節前后關聯性密切等特點，部分學生基礎知識薄弱，如跟不上課程節奏及容易造成后續學習困難。

結合我校地方性地方應用型高水平大學辦學定位，主要圍繞“區域經濟發展和產業轉型升級”充分發揮支撐作用。同時在人才培養理念革新和教育教學模式進行改革[5-7]，以培養適應于未來工程科技發展需求的復合型、創新型和應用型人才，培育學生具備比較扎實的行業背景知識、較強工程實踐和創新、跨學科交叉融合、自主終身學習和溝通交流等多重能力。圍繞以“學生中心、產出導向、持續改進”為中心的新工科教育理念，我們提出更新一種與之相符的自控原理課程教學方案，面向全體學生，關注學習成效，建設質量文化，持續提升學校工程人才培養水平。

二 自動控制原理教學現狀分析與思考

（一） 課程教學重點應側重于時域分析和控制器設計等

所在教研室在11 月29 日聆聽了中國科學技術大學吳剛教授《面向智能制造的自動化專業教學改革》主題報告，報告中以《自動控制原理》課程教學舉例，一些大學不講信號流圖，確實用處不大且僅限于考試，Routh-Hurwitz 穩定性判據、Nyquist穩定性判據也提倡少講；例如華北電力大學（保定）的教學改革試驗，不講復頻域法，頻域法也少講，這是過程控制行業的特色，過程控制系統有純滯后，甚至是大純滯后、大慣性，在頻域、復頻域中建模、分析和設計都很不方便，反倒是在時域中研究更容易理解，分析、設計更加方便。一些大學不講根軌跡，控制器設計增多了PID 控制器內容，但主要還是超前、滯后、超前滯后校正網絡。

（二） 課中環節涉及重難點內容部分學生呈現滯后

因《自動控制原理》課程內容與電路分析、機械原理、高等數學等知識關聯性大，如有源無緣電路網絡、質量-彈簧-阻尼系統、拉氏變換、卷積分、傅里葉級數、Routh-Hurwitz 判據等基礎概念或原理都是必備掌握要點[8]，且該課程中針對控制系統時域和頻域性能分析等章節的知識點本身就有一定的抽象性，而學生的基礎知識掌握程度和理解能力差異性較大，導致部分學生不能及時理解通透知識要點，出現掉節奏跟不上教學計劃內容現象，反復呈現非良性循環后學習積極性逐漸降低，甚至放棄該課程學習。

（三） 實踐教學環節應引導學生主動思考

因學校當前實驗室硬件條件有限，延用的還是老版的DSP 試驗箱，結合示波器、信號發生器做理論課程中有關“典型環節”的驗證型實驗，內容上較為單一，且實驗課程設置較為固定，第二、第三課堂進行的不夠深入，因此往往學生理解理論僅停留在完成實驗，而主動思考控制原理和分析解決問題的能力有待進一步加強。可建立以驗證型實踐教學內容為輔，課程綜合涉及和創新設計為主的拓展實踐教學體系。

（四） 教學中間過程線上線下融合不夠

傳統第一課堂向線上線下混合式新型第一課堂正處于逐漸轉換的過程，當前《自動控制原理》課程線上線下教學結合方式較為單一，第一課堂中還是以PPT 多媒體輔助課堂教學為主，線下MOOC 資源輔助課堂教學和自主學習方式融合不夠，結合自身教學實踐、教研室同行和學生深度評價，該課程MOOC 資源的主體作用還有待進一步充分挖掘，融入課堂教學過程需一定時間積累才能形成完整課程教學體系。

（五） 應注重加強課程思政教學研究

在自動控制原理課程教學研究中，應注重挖掘思政元素，突出應用目的，例如在講反饋原理是，將自己的現狀與理想做差比較，由認識自己的進步增加自信心（正反饋），由防止產生倦怠避免停止進步（負反饋）；在講系統輸入量和輸出量時，教會學生當遇到挫折“系統”遭遇外來干擾量時，應以一種積極心態改變自己的“固有特性”，我們在干擾存在的情況下仍要保持穩定和不斷地輸出，同時教育學生不僅要在校園學習生涯學好專業知識，更要培養堅強的意志力和敢于受挫的能力；在講控制系統綜合校正章節時，教會學生在人生偏離預期時，注重“三省吾身”避免誤入歧途，在過程中及時“校正”。只要教師注重從學生人文關懷的角度出發，勤于總結思考類比，每章節均可挖掘思政元素，達到理想教學效果[8]。

三 自控原理智慧教學模式探究

（一） 總體方案

圍繞解決自動控制原理傳統課程中側重點不明確、重難點內容不易掌握、學生主動思考不強、課堂線上線下融合不夠等問題，圍繞新工科背景下地方性應用型高水平大學辦學目標，初步探索了針對該課程如圖1 所示的“三維融合”的改革教學模式。

圖1 教學改革模式總體設計

（二） 課前預習環節

在每次授課前兩天, 在MOOC 教學網絡平臺上發布課程預習教案，具體內容包括本節課的學習目標、重難點和問題清單;在新知識學習前需要復習哪些知識點; 列出問題清單, 通過問題引導學生預習,實現課前自學。下表1 是以《自動控制原理》第四章根軌跡繪制為例進行說明。

表1 根軌跡繪制章節預習教案

（三） 課中理論教學環節

（1）加強優質學習資源共享。把傳統第一課堂教學方式優勢和網絡學習優勢有效結合，教師的教學行為由課堂上擴展到了課堂外，學生除了課堂學習外，當出現課程跟不上掉節奏時，采取“先記后補”學習方式，課上先記錄，課下自習時間通過校園MOOC 平臺、線上互動平臺及時消化課程計劃內容，加以鞏固。結合課程教材實際，在本學期所帶專業課程中為學生推送了與教材匹配清華大學董景新教授主講的《控制工程基礎》教學視頻資源共享，保障學生跟上節奏與學習進度。

圖2 校園MOOC 網絡教學平臺課前預習教案

（2）探索網絡教學資源輔助授課方式。通過選擇合適網絡教學資源進行重難點理論講解或啟發性授課，例如在第四章根軌跡章節，是具體分析和設計線性定常控制系統穩定性的圖解方法，使用簡便并在工程實踐中應用廣泛，屬于重難點內容，現有教材中列舉了實例講解如何利用基本法則與公式畫出根軌跡圖，但漸近線與實軸交點交角、分離點坐標、實軸虛軸上軌跡交點等各法則對應求解公式的證明方法未有說明，課堂中若花費大量時間深入講解較為困難，這種情況下選擇利用華中科技大- 自動控制原理(合集)MOOC 資源的詳細證明方法和優質實例演示動畫PPT，采取網課資源輔助教學并將資源共享學生的方式，邊看教學資源邊做重點講解，幫助同學們課堂理解和課后復習。在第一章緒論部分，圍繞控制系統在工程中的應用發展，播放機器人發展史紀錄短片和自動生產線碼垛機械手臂操作短視頻，目的是通過尋找非直接教學型網絡資源輔助授課，啟發學生進一步理解控制系統對工程應用的重要性，激發同學們產生學好該課程的愿望，同時該方式對活躍課堂氛圍有較好的影響。新型教學模式既可以發揮教師的主導作用，又可以發揮學生的主體性作用。尤其是“重、難點”系列微視頻，拓展了多樣化教學模式和第一課堂育人主渠道，讓學生在課程學習過程中有途徑做到“溫故而知新”。

（3）理論結合工程實踐創新案例講解。結合“新工科”教學模式改革和《自動控制原理》課程教學大綱，把課程教學重點放在了控制系統模型建立、思路講解和案例分析上，基本按照“一點一例”的方式，注重加強學生理論結合實踐的應用理解，例如在講授第二章建立受控機械對象數學模型章節時，以個人研究課題顆粒物小袋包裝糾偏控制系統和空中料柱預測補償稱重控制系統為例，舉例說明了控制系統的六大基本環節和相應輸入輸出控制變量，前者是位置參數信號，后者是稱重精度，并由此引出介紹了控制系統性能分析三要素，即穩定性、準確性、快速性，采取結合案例分析講解方式，幫助于學生產生“浸入式”思考，強化他們對理論知識在工程實踐應用上的理解。

（4）提升適應新形勢線上線下混合式教學能力。在疫情期間對18 自動化專業同學采取了線上授課方式，建立騰訊會議學習群共享上課界面，演示了matlab 實例操作過程，并且采取網頁錄制功能，幫助同學們可以回放上課視頻復習實踐，由此提高學生將理論知識和工程實踐進行結合。

（四） 課后答疑交流環節

（1）構建師生良好互動氛圍，必須依靠平時有效的課堂外教學管理，設置“教師在線答疑專區”，一是針對學生提出的個別性問題，建立qq 班級課程交流群，在線上答疑時間展開有針對性交流討論，在定期討論過程中就和學生形成了良性互動，有助于掌握學生對每章節內容的理解程度，從而適當調整課程講解進度。二是針對學生存在的共性問題通過上傳解題詳細步驟附件或微視頻至網絡教學平臺，如根軌跡分離點高階方程求解步驟、奈氏圖判斷穩定性方法等，供學生下載后隨時觀看或暫停回放解惑,也有利于自主學習。三是鼓勵學霸分享學習經驗和方法，形成學生間互幫互學濃厚氛圍。

（2） 加強課后練習, 除了布置傳統的練習作業外，也可在校園網絡教學平臺布置線上作業，圍繞培養學生工程實踐應用能力提升，注重布置結合工程實踐案例的作業，設計了關于控制系統matlab 仿真階段性作業，包括建立爐溫控制系統傳遞函數數學模型、轉化零極點增益模型、串并聯閉環控制系統模型，構建水位控制系統PID 控制器，并繪制其線性定常連續系統階躍響應、脈沖響應、斜坡響應、加速度響應曲線等。要求學生盡可能用所學知識解決實際工程問題，強化獨立思考能力和創新意識。

四 課程考核評價與教學效果分析

（一） 課程考核評價

在本學期面向2019 機制專業學生授課過程中，采用了以上分析的學習資源共享、網絡輔助教學、工程實踐案例講解、線上線下混合等多維結合的教學模式改革后，著重依靠學生的自主學習，強調鍛煉學生理論結合工程實踐應用基本素養，培養學生分析工程實際問題并嘗試綜合運用所學解決問題的能力。在這種情況下，不能采用傳統考核方式，而要加強對學生中間學習過程給予關注和評價，圍繞平時課堂表現、課后作業、考核，注重評價多元化和考核過程化，考核內容和分值如表2 所示。

表2 課程考核綜合成績評價說明表

（二） 教學效果分析

結合2020 機制（專升本）和2019 機制兩個專業自動控制原理課程教學改革實踐效果，采取對學生實驗成績及期末考試成績進行相關性分析，結果如圖3 所示，反映出學生期末考試成績與課中表現實驗成績之間具有非常好的正相關性，期末成績較好同學均在課中參與師生互動率較高，并且19 機制專業學生期末綜合平均成績為74.3 分，在同標準情況下比2020 級機制（專升本）該專業課程期末平均綜合成績高15.5 分，及格率、優秀率均有較高提升，這也表明了高質量的師生互動更加有助于學生對知識的內化吸收。綜合來看，采取三維融合教學模式得到了授課專業學生的積極支持，不僅體現在學生到課率上升，而且明顯感受到學生聽課更加認真，課中互動效果明顯，課堂氣氛活躍，取得了預期的教學效果。

圖3 課中表現成績與期末考試成績的相關分析

五 結語

教育理論中強調知識的掌握共分為知識獲取、知識理解、知識拓展、知識糾錯和知識應用5 個階段，這與自動控制原理課程教學的最終目標不謀而合，就是在有限的時間內提高學生的學習效率、培養學生的將理論知識轉化到工程實踐的能力。因此本課題的研究重點是如何讓學生既扎實學好專業知識，又充分提高學習效率，達到最佳的學習效果。

針對這一核心問題，本文結合新工科背景和所在學校的辦學定位，從智慧教學的內涵意義考察，初步探究了關于自動控制原理課程三維融合教學改革模式，采取啟發性和鼓勵式的教學方法，借助網絡教學平臺和教學資源提升學生課前課后自主學習能力，將課中寶貴時間充分應用于師生高質量互動學習，有效掌握學生對知識的理解程度，對應調整課程進度安排；利用校園MOOC 平臺等多種教學資源和教學手段,精心備好授課教案，設計新穎實用的工程實踐案例并按“一講一練”方式投入教學，培養學生靈活思考和創新思維方式，讓學生們真正清楚“新工科”的內涵意義，從質上提高學生動手實踐解決問題和自主學習的能力。此外，我們將教學中間過程評價貫穿了課程考核全過程，客觀評價了學生對課程知識掌握的學習效果，進一步強化學生自主學習能力提升和創新實踐思維養成，提高自動控制原理課程本科教學質量，促進學校適應型工程人才培養水平持續提升。該模式下的教學方法和實踐經驗可供相關專業課程借鑒推廣。