面向新工科的自動控制原理課程“金課”建設與實踐

劉艷君，陶洪峰，劉成林，徐穎琴

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

隨著《中國制造2025》戰略和“一帶一路”倡議等計劃的展開，教育部先后發布了“新工科”建設復旦共識和“新工科”天大行動計劃，要求各大高校深化工程教育改革，推進“新工科”的建設與發展，培養科學基礎雄厚、工程能力強、綜合素質高的工程科技人才，服務于以新技術、新業態、新產業和新模式為特點的新經濟發展[1]。在新工科背景下，自動化專業作為老牌的信息科學相關工科專業，需要轉型和升級，如何改變人才培養模式和改革課程的教學模式，提升工程教育人才培養質量，是目前亟需解決的問題[2-3]。

提高人才培養質量，首要任務是提高課程教學質量。自首次提出“金課”的概念以來，建設“金課”已經成為高校教育教學改革的重要主題[4]。2019 年10 月，教育部發布了《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》(教高〔2019〕8 號)，進一步推動了全國高校“金課”建設的探索與實踐。自動控制原理是自動化及其相關專業的專業基礎核心課程，在專業教學中占有重要地位。在過去的幾年中，江南大學自動控制原理課題組面向卓越課程計劃，進行了深入的教學改革和探究，實施了小班化教學、分組討論、翻轉課堂、課堂教學與課外仿真實訓相結合等教學策略，取得了較好的教學效果[5-7]。隨著工程教育認證的推廣，在新工科背景下，課題組在提高課程的高階性、創新性和挑戰度方面做了許多工作。本文對照“新工科”人才培養需求、工程教育認證的要求，以及一流課程“兩性一度”的標準，對自動控制原理課程的教學內容、教學模式和方法、考核方式和教學評價等進行改革優化。

一、課程教學中需要改進的問題

對照“新工科”人才培養目標，以及“金課”建設“兩性一度”的標準，自動控制原理課程的教學有以下幾方面需要改進。

(一)課程內容需要完善和提升

目前課程講授的控制系統受控對象大多是簡單的物理和化學過程，通過簡單的機理分析即可得到系統模型，系統的分析和綜合大都建立在抽象的數學模型之上，對工程背景的介紹不多，導致學生對工程問題缺乏基本的認知，解決復雜工程問題的能力不夠，且現有教學內容對學科的前沿、行業的最新動態反映不夠，與當今智能時代的工程實際存在一定脫節。

(二)創新思維和能力訓練需要加強

自動控制原理不僅是專業核心課程，也是相關專業的考研專業科目。為滿足學生的學習需求，我們的教材除了課后習題外還有大量的例題精講，課題組授課時也會有例題精講，在歷年的期末考試命題中也會保證一定的難度。因此，大部分同學，尤其想考研的同學會陷入應試學習，把大量的時間放在作業和刷題上，偏向解題思路的歸納和強化記憶，一定程度導致知識面過窄，以及創新思維和創新能力訓練的缺乏。

(三)課程內容的挑戰度需要提升

現有教學模式設置了討論環節和翻轉課堂模式，學生的積極性較高，但大部分的討論題通過理論分析和實驗分析都能得到準確的答案，為提升學生的創新思維，討論題的復雜性可以適當提高。另外目前課程的課內實驗仍以驗證性實驗為主，設計型和綜合性實驗偏少，雖有Matlab 仿真實訓做為補充，但實訓課題的挑戰度仍需提升，給學生以創新發揮的空間。

(四)課程的考核方式有待完善

江南大學自動化專業在2017 年已通過工程教育專業認證，OBE 理念已被廣泛接受與實踐。課程的考核從原來的以期末考試成績為主逐步轉化成期末考核與平時多元化的過程性考核并重。但是從考核內容和手段來看，仍側重于對系統性能分析能力的考核，對控制系統的綜合和設計方面的考核偏弱，對工程背景、其他學科知識的融合及創新能力等的考核少有涉及。

二、“金課”建設探索與實踐

針對物聯網、大數據和智能制造等新技術的高速發展，江南大學自動化專業新修訂了具有“新工科”特色的人才培養方案，以培養具有知識融合、集成創新和國際視野的高素質復合創新型新工科人才為目標，并從學生應擁有的道德價值觀、社會責任感、專業知識和技能、綜合素質和職業發展能力出發，制定了詳細的畢業要求。課程教學是本科教育最重要的環節，是人才培養的落腳點。基于“新工科”人才培養需求，針對目前課程教學中存在的問題，課題組以學生為中心，為了學生在獲取知識的同時能夠得到能力提升和素質養成，進行了一系列探索實踐。

(一)設置科學、具體和可衡量的課程目標

課程目標是整個教學大綱的核心，是課程教學的產出，支撐著畢業要求的達成。所有的教學內容、學習活動和考核方式都要圍繞課程目標進行設計。為了方便畢業要求達成度的計算，課程目標的設置要求科學、具體和可衡量。“科學”是指課程目標要有一定的高階性，不僅要體現學生知識獲取的目標，還要體現能力提升和素質培養的目標;“具體”是指課程目標要有相應的教學內容和教學活動為支撐;“可衡量”是指要有具體的考核方式和評分標準。

圍繞課程目標，課題組將教學內容進行梳理和延伸，制訂了7 個課程目標，每個課程目標均支撐相應的畢業要求。以課程目標1 為例，其具體描述為：能夠凝練工程案例中的控制問題，闡述控制系統工作原理、區分其控制方式和類型;能夠基于系統的機理，利用物理、化學、電路和梅森公式等自然科學和工程基礎知識建立系統的模型;明確機理建模的局限性，通過分析討論，獲悉工程實際中控制系統的數學模型形式。該課程目標對應的教學內容為教材的第1 章、第2 章和實驗一，包含了控制系統的概念、分類、性能要求和控制系統建模等知識目標，通過圖書館數據庫、互聯網等多渠道達成信息綜合獲得有效結論的能力目標，以及拓寬知識面、培養工程觀念等素質目標。圍繞該課程目標，設置的教學活動有課堂講解、MOOC 學習、課內實驗、Matlab 仿真、專題討論和翻轉課堂等教學活動。

(二)整合面向新工科的課程教學內容

按照工程認證“產出導向”的理念，教學內容要面向“課程目標”這一產出設置。現有的教材和課堂教學內容側重于理論分析，通常是將工程問題抽象、簡化為數學問題，然后用數學的方法求解，弱化了工程實際中的控制應用問題。本課題組編寫的教材中，盡管納入了磁盤驅動讀取系統、烘烤爐溫控制系統等工程案例，但對照新工科背景下新的課程目標，這些工程案例仍是落后的。學生也習慣了用學數學的方法去學習專業課程，熱衷于刷題、分析解題思路和方法、追求考高分，對于理論分析背后的工程背景并不關心，從而導致工程觀念薄弱，解決復雜工程問題的能力不足。

打造一門“金課”，在教學內容上要做到擠“水”添“金”，提升課程內容的高階性。本課程的擠“水”是指在課堂上去除一些與先修課程重復的內容，弱化一些數學理論的推導。添“金”是指圍繞新的課程目標，在傳統的經典教學內容上巧妙地引入更高階的工程案例和學科前沿，以拓寬學生的知識面，激發學生的學習興趣和創新思維。仍以課程目標1 為例，課堂教學內容中微分方程模型的建立和求解可以弱化，機理建模所需的牛頓定律、基爾霍夫定律和復阻抗等效電路等與先修課程重復的內容，可以讓學生課前通過例題和習題的形式自行學習;在講授第1 章引論時，引入一些新的工程案例，如生物發酵過程控制和機器人控制等案例。通過凝練發酵過程中的控制問題，分析其控制方式，使學生增加對行業背景的了解;通過分析機器人的控制問題，了解學科的前沿及工業智能化的發展。在講授第2 章控制系統的數學模型時，通過分析機理建模的局限性，增加大數據時代背景下的系統辨識建模、數據驅動建模和無模型控制等學科前沿，拓寬學生的知識面。

(三)采用靈活多樣的教學方法和教學手段

在“新工科”建設理念下，課程目標進行了升級，課程內容作了新的整合。在有限的教學時間內，必須要采用靈活多樣的教學方法和手段，才能保質保量完成所有的教學內容，使學生在夯實基礎知識的同時，了解行業動態、接觸學科前沿和訓練思維能力。

在教學模式上，我們開展了線上、線下混合式教學研究。在“互聯網+”環境下，教學資源豐富多樣，除了多媒體課件外，在中國大學MOOC、嗶哩嗶哩等網絡學習平臺上還有許多優質的教學資源，方便學生自主學習。混合式教學需要合理利用這些網絡資源，設計教學內容和教學活動，確保教學質量和教學進度。為了豐富課程的教學資源，課題組通過中國大學MOOC 平臺建設了自動控制原理在線課程。最近，我們對課程知識點的討論題、作業、測驗和課外導讀材料等進行了完善，提升了課程內容的高階性。仍以課程目標1 為例說明教學設計，對應的教學內容中與先修課程聯系較密，相對獨立、完整的知識點，如控制系統的微分方程模型的建立、結構圖的繪制與等效變換、信號流圖與梅森公式等，要求學生在規定的時間內完成線上自學和在線習題。課堂上進行專題討論，歸納總結學習要點。授課教師通過MOOC 平臺習題解答情況，及時了解學情，并在課堂上進行補救教學和重難點的講解。另外，還可推送嗶哩嗶哩、抖音等平臺上一些優秀的視頻，如美國波士頓動力的機器人等作為專題討論素材。通過分析、凝練機器人控制中的控制問題，使學生了解機器人控制中的動力學建模、控制原理、數據融合算法和導航避障等控制領域專業知識，以及圖像識別、電池技術和機械設計等跨專業知識，同時通過網絡、圖書館數據庫等多個渠道了解機器人技術和產品的國內外差距，激發學生的學習興趣和社會責任感。

在教學方法上，借助于“雨課堂”等智慧教學手段，開展專題討論、頭腦風暴和翻轉課堂等教學活動，充分調動學生的學習積極性，激發學生的學習興趣。“雨課堂”可以有效組織課前、課堂和課后多個環節的學習活動。針對課程目標1 的教學，前面提到的微分方程模型的建立、結構圖的繪制與等效變換等需要自主學習和預習的內容及學習要求在課前以PPT 的形式通過“雨課堂”推送給班級，并在課堂上設置測試題實時檢測學習效果，也可以開啟彈幕功能，和學生無障礙溝通互動。關于前面提及的兩個工程案例，生物發酵過程案例可在課堂上發起討論，首先由授課教師在課堂上講述具體的生物發酵過程，然后學生以小組討論和頭腦風暴的形式分析、歸納發酵過程中的控制問題和控制方式，最后各個小組一起展示討論結果，看哪個小組的總結最全面、最到位;機器人控制案例的分析通過課后專題討論和翻轉課堂的形式進行，授課教師利用“雨課堂”將視頻資源推送給班級，列出討論綱要，課后學生進行分組討論、小組協作制作課件，在課堂上展示結果，學生之間互相討論和點評，最后由教師進行總結點評。教師在點評過程中，可在解析學習重點和學科前沿的同時，結合學科的發展歷程和國內外的研究現狀，加入課程思政元素，增加學生的學習動力，鼓勵學生參與創新項目訓練。

(四)構建虛實互補、多層次的實驗環境

新工科人才的培養重點是提升學生的創新能力，大力培養工程科技創新人才和產業創新人才。落實到自動控制原理課程上，在厚基礎的同時，需要通過實踐教學強化工程能力的培養、創新思維的提升和綜合素質的提高。原有的實驗教學以實驗箱模擬的驗證型實驗為主，Matlab 仿真實訓為輔，內容較單一，無法滿足新工科人才培養的要求。為此，我們對實驗教學進行了改革，構建了一個虛實互補、多層次的實驗環境。首先，合并了原有驗證性的實驗和仿真實驗。其次，加入了綜合性和創新性實驗，提升了實驗課題的挑戰度，且實驗課時由原來的8 學時增加到12 學時。綜合性實驗要求有工程背景，如直流電機的轉速控制、雙容水箱的液位控制和倒立擺的平衡控制等，要求學生通過小組討論，完成系統的建模和性能分析，并根據工程需求，基于Simulink 分析和設計控制方案，驗證控制效果，并以報告的形式提交。創新性實驗在課后分組進行，要求學生通過小組協作的形式，借助單片機技術，以實物形式搭建一個單閉環的PID 控制系統，如熱電偶的溫度控制。在改進的實驗環境下，學生通過多層次的實踐訓練，工程實踐能力和創新思維能力得到了提升。

(五)完善多元化、全方位的課程評價

“以學生為中心，以產出為導向，持續改進”是工程教育認證的核心理念。為了檢驗課程教學目標是否達成和衡量學生的學習成果，課題組基于OBE 理念，制定一套完善的考核和教學評價方法。本課程的考核評價分為課程的總體評價和課程目標的評價，課程的總體評價用于評定學生的總體學習成績，課程目標的評價從學生的學習成果分析每個課程目標的達成情況，用于課程的持續改進。

根據新工科人才培養要求，課程總體評價應從知識、能力和素質全方位評價。自動控制原理的總評成績共有五部分組成，其中期末測試成績占55%，實驗成績占10%，平時成績占10%，MOOC 平臺測驗成績占15%，專題討論成績占10%。課程的考核注重學習過程，各種過程性評價占比達44%，平時成績包括平時作業成績和隨堂習題成績，用于鞏固所學知識點，及時評價階段性的學習效果，MOOC 平臺測驗成績考查學生的自主學習能力，保障線上學習效果，實驗成績考查控制系統的綜合和設計能力及工程實踐能力，專題討論考查知識融合創新能力和團隊協作、成果展示及交流溝通的能力。

根據中國工程教育認證的標準與要求，課程目標的評價由課程目標的達成度來衡量。課程目標的達成度評價以教學大綱為依據，授課教師根據每個課程目標對應的教學內容和教學活動確定評價依據，并確定每個評價依據的權重，各項評價依據權重和為1。評價依據是指能夠考核該課程目標的期末試卷題、作業、實驗、MOOC 測試題和專題討論等。評價依據的選擇和權重的設置由課題組負責人或專業負責人進行審核。課程目標的達成度為所有學生各評價依據的平均分與該評價依據總分比值的加權和。完成課程目標達成度計算后，授課教師對課程目標的達成情況進行分析，對教學內容、教學方式、教學手段和考核形式等進行反思，提出持續改進措施。

三、結束語

江南大學自動控制原理課題組多年來一直堅持教育教學改革研究，該課程被評為學校首批卓越課程、至善課程，首批江蘇省一流課程。在新工科工程教育背景下，課題組努力推行“金課”建設，堅持以學生為中心、以產出為導向，重新凝練了課程目標、編寫教學大綱、優化提升教學內容、改革教學模式和教學方法及完善課程評價，將課程打造成一門融知識傳授、價值塑造和能力培養為一體的“金課”。