基于系統觀的“自動控制原理與系統”課程改革與探索＊

高曉霞，徐洪亮

（長春汽車工業高等專科學校電氣工程學院，吉林 長春 130011）

1 研究背景

“自動控制理論與系統”課程是高職院校電氣自動化技術專業、工業機器人技術專業及智能控制技術專業的必修課。課程主要任務是使學生掌握自動控制系統的相關概念，掌握自動控制系統分析方法，理解校正的設計原理及基本方法[1]。課程內容涉及到“高等數學”“電工基礎”“電子技術”和“傳感檢測技術”等多門課程的專業知識，課程理論性強、知識面廣、內容繁多，公式推導和計算復雜，因而課程具有相當多的知識點，學生難于理解和掌握其核心知識[2]。加之高職院校學生與普通本科院校學生不同，大部分學生理論基礎知識比較薄弱，而且缺乏對理論知識學習的興趣，教師很難調動學生的學習積極性，導致教學目標難以達成。而這些專業知識理論又是學生所必須掌握的。高職院校的學生畢業后多數側重或面向生產一線，如何建立系統的概念？如何判斷一個系統的好壞？如何構建整體建立全局意識？如何用科學的方法解決工程實際中的問題？這些相關知識、技能和意識需要在“自動控制原理與系統”課程中學習，因此教好這門課具有重要意義。

2 引用系統觀概念，更新教學理念，完善教學目標

“自動控制原理與系統”相對其他課程，對數學和物理要求較高，高職院校的學生在學習過程中會感覺到難度較大。在教學過程中強調不能把自動控制原理當成數學和物理來學，應當建立系統的概念，用學過的課程及相關知識點搭建一個系統的概念。教師講授課程時不要強調數學的推導，更多要求學生注重系統的背景和應用，要求學生掌握的自控系統的概念、會判斷系統的好壞，能用具體的方法對系統進行分析，能發現系統的缺陷并知道如何校正。在教學過程中引入生活或企業的具體案例進行講解和分析，從而讓學生可以建立自控系統的觀念和控制的思想。改變學生出現問題從單一的角度思考，強調解決實際問題時，應從全局的角度出發，用自控的思想去思考問題，運用反饋的原理去分析和解決問題，培養學生的整體和全局意識，具體的目標如下。

知識性目標：①明確控制系統的任務、組成及自動控制的基本概念，開環控制和閉環控制的基本原理和特點；②理解系統的微分方程，認識系統的傳函和系統的結構圖，熟悉拉普拉斯變換，掌握典型環節的傳函；③掌握時域分析法和頻率特性法；④掌握系統的穩定性概念、系統的穩定必要條件、代數判據、對數頻率判據、自動控制系統的穩定性分析，掌握系統穩態誤差的概念、系統穩態誤差的求法，掌握系統動態性能指標的求取、動態性能指標與對數開環頻特的關系；⑤理解校正的概念和基本過程，明確串聯校正、反饋校正和順饋校正的作用，并掌握利用這些手段提高系統性能的方法。

技能性目標：①在理解有關自動控制系統的基本概念和建立控制系統數學模型的基礎上，掌握并靈活運用時域法頻率法進行系統分析及正確的性能分析；②掌握系統分析、校正的思路和方法，為日后控制系統的分析設計打下基礎。

3 改革教學內容，構建多元化的課堂

3.1 結合企業需求，修訂教學目標，明確教學任務

“自動控制原理與系統”課程作為高職院校一門專業課程，須與相關企業生產或實際設備聯系起來。課程從應用的角度出發，增加對應的技能目標，比如：從生活的角度引入自動控制系統的概念，學生在理解有關的基本概念的基礎上，建立控制系統數學模型，靈活運用時域法頻率法進行系統分析及正確的性能分析；根據企業實例，展開分析，從而掌握系統分析方法、掌握校正的思路和方法。制定實用性強的教學目標，根據教學目標，更新教學任務。教學內容要時刻與現代智能制造領域中的自動控制技術相結合，也要時刻與相關企業實際相結合，樹立要在教學中解決面向實際工程問題的目標，確保教學內容與時俱進，才能充分調動學生積極性。講解課程內容時也務必目標明確，從實際應用的需求出發，不斷為學生搭建自控系統的框架，讓學生明確知道自己現在學習的內容是自控系統的哪個部分，減少公式的推導過程，讓學生理解課程內容和企業相聯系的部分，從而鞏固學生的理論知識。

3.2 優化課程體系，整合教學內容

“自動控制原理與系統”課程由自動控制的基本概念、控制系統數學模型的建立、控制系統的性能分析、控制系統的設計和校正等內容組成。由于課程內容繁多并且理論性較強，在為高職學生講授時，需要精選教學內容，根據各章節不同的重點和難點，結合教學目標，對教學內容進行篩選，增加廣度同時減小理論深度。本課程設計了5個模塊[3]，分別是自動控制系統概述、自動控制系統的數學模型、分析自動控制系統性能常用的方法、自動控制系統的性能分析和自動控制系統的校正。

每一個模塊都有對應的工程實例，都有具體的工作任務，例如，模塊一自動控制系統的概述，工作任務是通過示例和實訓，建立起系統的基本概念，初步掌握由系統工作原理圖畫出系統方塊圖的方法。掌握系統的性能指標，正確理解對控制系統穩、準、快的要求。完成每個模塊，還需要分析每個模塊的重點難點，例如，模塊一的難點是系統組成框圖的繪制。繪制系統框圖是分析系統的最終結果，也是日后分析建立數學模型的理論基礎，它是自控系統的一個入門點，所以非常關鍵。但由于實際系統往往比較復雜，如果理論基礎薄弱的話，學生分不出來各部件究竟屬于組成框圖中的哪一個單元，會使初學者感到無從下手。所以在完成該部分時，教師會帶領學生學習并繪制思維導圖，同時總結出一套方法。常用的方法是先找到被控量，按照被控量（輸出量）→控制對象→執行元件→放大元件→比較環節→給定元件→反饋元件（檢測元件），逐步畫出各單元的框圖，再標寫：給定量→反饋量→擾動量→各中間變量，逐漸把組成框圖分析清楚。

本課程教學內容源于企業崗位典型工作任務，經過科學提煉與教學設計；課程教學目標源于企業相關崗位知識技能要求，突出能力培養但不放棄對基本知識的講解，強調基本知識與企業實例的緊密聯系；本課程教學的實訓系統源于企業實際設備，課程模塊內容來源于實訓設備的分解，通過分解實訓設備各個模塊的功能，使每個環節都與自動控制的基本概念相聯系，讓學生真實看到自控系統的每個環節在設備上是怎樣的一種形式。實訓環境是企業工作環境的縮影與再現。課程采用項目式教學及多種教學方法并用，將素質教育引入專業課教學，明確學生的學習目的，激發學生的學習興趣，挖掘學生的學習潛能，保證課程教學任務的完成與教學目標的達到[4]。對于課程標準中要求的重點內容，應該做到刪繁就簡，推陳出新，涉及到的基本理論和具體應用應講深講透，減少公式和結論的推導，重點突出理論的使用方法；一些不重要的純理論性教學內容可以略講；課程中規定的了解性內容，應少講或者不講等等。通過課程內容的整合提高學生學習興趣，從而加強高職學生對自動控制概念和方法的理解。

3.3 精選案例，強化學生的專業背景

設計課程內容時應精選案例，選擇案例的原則是將理論知識與生活實例相結合，將系統框架與工程實例相結合，使具體案例融入到教學中，可以降低學生理解的難度。講授時以問題為導向，引出知識點，將關鍵知識點結合具體實例，重點講解物理意義，最終以解決問題。從緒論開始注重課程的引入和方向的引導，課程每個章節講解都要循序漸進，舉例要從日常生活中的實例開始，例如，從學生熟知的空調控制系統和熱水器控制系統開始，然后再引入經典的爐溫自動控制，再到較為復雜的與工作相關的領域，如汽車領域自動噴涂系統、農業自動澆灌控制系統，最后到高科技領域，如自動導航巡航控制系統、人造衛星控制系統等，使學生可以充分認識自動控制領域的相關應用。講授過程中，可以舉例某一個控制系統的分析過程，如熱水器，然后讓學生自行分析系統結構、組成、相互關系和控制過程等。然后逐漸加大實例的難度，從而不斷地培養學生的系統分析能力，鍛煉學生運用課本中的知識，解決生活和工作過程中實際的自動控制相關的問題。

4 構建“混合式”教學模式，實施多元化考核方式

4.1 線上線下有效銜接的應用

5G網絡、物聯網、人工智能等信息科學的出現和發展，將會進一步加快產業的轉型升級，也將賦能職業教育。各大教學平臺，乃至全國各大教學機構，可以實現互聯互通，各個專業開展教學時，可跳出學校有限資源的束縛，依托5G平臺里的全國乃至國際教學資源，用來準備教學相關資源。尤其是在疫情后，大量的網絡課程出現，網絡資源使用已經被教師和學生所熟知。學生可通過各種智慧媒介，快速訪問云端豐富的教學資源，隨時隨地觀看直播，可看視頻完成線上學習，還可在任課老師指導下通過各種新型教學方式來完成線下學習。但是無論是線上教學還是線下教學都有它的缺陷，它們不僅僅是簡單的疊加融合，更重要的是如何融合。

新技術的出現同時對課程內容的要求也越來越高。要求高職院校自動化類專業的學生具有較高的學習能力、分析能力和學科融合能力，線上教學能為學生提供更多的自主學習的空間，它是移動的圖書館，實現隨時隨地學習。線下教學可以實現重難點解析，提高學生學習主動性，實現師生之間、生生之間的個性化互動。把教學過程劃分為課前線上預習行為做指導、課中線下互動為核心、課后鞏固參與來夯實3個階段，如圖1所示。

圖1 課程實施

4.2 以學生為中心的多元評價體系

傳統的課程以試卷考核為主，以教師為中心，考核方式較為單一，缺少自主思考，難以反映學生的真實學習狀況。本課程根據學生的特點，增加了實訓考核的比例，考核過程為過程性考核，考核以學生為中心，注重考核學生的能力。本課程利用線上線下相結合的方式開展教學，注重線上課程與線下課程有效銜接。考核方式具體實施也是由線上和線下共同評價來完成。如圖2所示，本課程的考核內容分以下4個部分，分別是采用線上任務20%、項目考核20%、實訓考核20%和期末理論考核40%。線上評價可利用智慧樹或超星平臺發布學習資源和測驗、作業、課程討論等。線下評價通過考核學生掌握實訓的程度和考核面授課程后的相關知識點來實現。期末理論考試改變以往死記硬背知識點的卷面考試，以綜合題為主來考核學生的能力。線下評價及考核也可利用智慧樹或超星平臺的工具，可以采集課堂學習相關數據。這樣，通過線上線下相結合的方式來考核，參考學生課前、課中和課后學習的情況，能從多維度、多環節考核學生學習本課程的學習效果和學習能力，從而激發學生的學習積極性和主動性，課程相關數據也為教師課程改革提供了方向。

圖2 考核評價體系

5 總結

通過對“自動控制原理與系統”的課程特點、教學內容、學生的現狀和傳統的教學方法現狀的分析，對課程進行了改革，精選和優化教學內容，改革考核方式，采用了線上線下相結合的方式。實踐表明，通過這些改革，學生理解了自動控制系統的構成及相關概念，構建了負反饋的思想，充分了解Matlab軟件的用處和意義，提高了學生學習的積極性，培養了學生的獨立思考能力、分析判斷能力和解決實際問題能力，為將來從事相關領域的工作打下了理論基礎、建立了系統框架。