自動控制原理課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

鄭玲玲，張 金，劉 芳，丁俊香，朱 敏

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院，合肥 230031）

隨著科技創(chuàng)新步伐的加快，自動化、智能化、數(shù)字化趨勢也進(jìn)一步顯現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、航天航空及軍事等領(lǐng)域?qū)τ谧詣涌刂萍夹g(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，自動控制技術(shù)的作用在新一輪技術(shù)變革的浪潮中將發(fā)揮重要作用[1]。我國軍隊現(xiàn)代化、裝備現(xiàn)代化改革正快速推進(jìn)，自動控制原理課程作為電子、信息、計算機(jī)領(lǐng)域基礎(chǔ)性理論知識體系已經(jīng)成為了軍隊院校重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對培養(yǎng)打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭的軍事指揮人才提供了有效支撐。

該課程具有較強(qiáng)的理論性、抽象性和復(fù)雜性，從授課對象來看，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中存在學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、學(xué)習(xí)方法單一化等共性問題；從授課主體來看，課程教學(xué)存在如“戰(zhàn)”的濃度不夠、“融”的深度不夠、“聯(lián)”的廣度不夠等一些個性問題。所以基于軍隊院校要面向戰(zhàn)場、面向部隊的教學(xué)需求，本文以“注重工程素養(yǎng)，突出軍事特色”為指導(dǎo)思想，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和課程思政四個方面，提出教學(xué)內(nèi)容向需求聚焦，學(xué)習(xí)效果向崗位看齊的課程教學(xué)改革，力求從知識層面和精神層面達(dá)到全面育人的教學(xué)目的。

一 更新教學(xué)理念

課程教學(xué)堅持以學(xué)為本，樹立“因需而學(xué)、學(xué)有所成、因?qū)W而教、有教之學(xué)”的教學(xué)理念，沿著“瞄準(zhǔn)實(shí)戰(zhàn)、崗位牽引、逆向設(shè)計”體系化課程改造的方向，利用有限的學(xué)時把學(xué)員第一崗位任職亟需、影響長遠(yuǎn)發(fā)展的核心知識和技能基礎(chǔ)打牢，發(fā)揮課程承上啟下的作用。結(jié)合科研和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將更多軍事領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)案例增加到課堂教學(xué)中，注重對學(xué)員的軍事能力培養(yǎng)，拓展學(xué)員的知識面，使學(xué)員了解科學(xué)前沿、培養(yǎng)科學(xué)探索精神。

二 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)學(xué)院校教學(xué)大綱和人才培養(yǎng)方案，針對專業(yè)背景課的需求，提出堅持經(jīng)典與現(xiàn)代、設(shè)計與校正、理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程內(nèi)容體系。課程體系結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。課程以“基本概念-數(shù)學(xué)模型-性能分析-系統(tǒng)校正”為主線，讓學(xué)員在了解自動控制相關(guān)的基本概念基礎(chǔ)上，通過微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖和信號流圖四種方式構(gòu)建分析模型，應(yīng)用時域法、復(fù)域法和頻域法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三大性能評估指標(biāo)進(jìn)行分析，當(dāng)系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)不滿足給定技術(shù)指標(biāo)要求時，選取最優(yōu)校正方式對系統(tǒng)進(jìn)行校正[2]。

圖1 課程體系結(jié)構(gòu)圖

課程本著以戰(zhàn)領(lǐng)教、為戰(zhàn)教戰(zhàn)的導(dǎo)向，注重自動控制理論與工程實(shí)際相結(jié)合，在教學(xué)內(nèi)容案例選取上以實(shí)際應(yīng)用需求為驅(qū)動載體，增設(shè)與自動控制技術(shù)相關(guān)的軍事案例貫穿整個教學(xué)始終。例如將“火炮隨動控制系統(tǒng)的分析設(shè)計問題”作為教學(xué)內(nèi)容的一條主線，從原理分析到數(shù)學(xué)建模，再到性能分析及校正，讓學(xué)員在了解武器裝備基本組成的基礎(chǔ)上，對整個控制系統(tǒng)有了完整性的認(rèn)識，從而使主線落到實(shí)處，同時培養(yǎng)了學(xué)員知裝愛裝情懷。通過學(xué)習(xí)反饋效果來看，學(xué)員對軍事典型案例與課程內(nèi)容的立體化學(xué)習(xí)模式的教學(xué)效果給予了高度評價，也受到了學(xué)校督導(dǎo)組專家和同行的一致認(rèn)可。

三 改進(jìn)教學(xué)策略

課程教學(xué)堅持以學(xué)員為主體，教員為主導(dǎo)，以首次任職崗位核心能力要素和任職培訓(xùn)知識需求為導(dǎo)向，將信息技術(shù)手段與教學(xué)內(nèi)容深度融合，從知識脈絡(luò)、教學(xué)形式、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)戰(zhàn)機(jī)制和考核體系五個方面合理改進(jìn)教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)的有機(jī)銜接。

（一）文字圖形交匯，理清知識脈絡(luò)

教員不僅注重在知識層面上幫助學(xué)員梳理各知識點(diǎn)能找到各章節(jié)之間的相關(guān)性，也注重在分析方法上引導(dǎo)學(xué)員找到知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，授課過程中要善于運(yùn)用思維導(dǎo)圖，將不同環(huán)節(jié)知識點(diǎn)通過歸納、演繹等邏輯方式有效連接，把主題關(guān)鍵詞與圖像、顏色等輔助要素建立關(guān)聯(lián)，通過圖文并重的方式表現(xiàn)出來，一方面提高“把知識記住”的效率，另一方面幫助學(xué)員有效理解、掌握課程內(nèi)容和邏輯關(guān)系[3]。線性系統(tǒng)時域分析法的思維導(dǎo)圖如圖2所示。

圖2 線性系統(tǒng)時域分析法的思維導(dǎo)圖

（二）線上線下融合，提升教學(xué)效果

依托“智慧校園工程”、校園網(wǎng)課程教學(xué)資源云平臺等大型網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用平臺，聚力聚焦智慧教室、電子書包、云存儲等對課堂教學(xué)手段的改變。目前云平臺和愛課堂學(xué)習(xí)平臺有相關(guān)教學(xué)視頻和各種電子教材資源10 多部，提供EWB、LabVIEW、Matlab 等多種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，并附有相關(guān)電子學(xué)習(xí)教程。利用網(wǎng)絡(luò)資源，分別在“課前”“課中”和“課后”三個階段實(shí)施線上線下的融合式教學(xué)。課前階段，教員做好學(xué)習(xí)任務(wù)，并上傳至愛課堂等學(xué)習(xí)平臺，學(xué)員參照學(xué)習(xí)任務(wù)清單，提前搜索、挖掘相關(guān)知識資源，開展自主學(xué)習(xí)，并將結(jié)果進(jìn)行反饋；課中階段，教員以線上反饋問題為牽引，利用思維導(dǎo)圖、微課視頻、導(dǎo)學(xué)定標(biāo)和疑問翻轉(zhuǎn)等方式開展典型問題探究，結(jié)合具體案例引導(dǎo)學(xué)員開展研究性的學(xué)習(xí)活動；課后階段，學(xué)員通過課后練習(xí)鞏固知識點(diǎn)，并根據(jù)條件進(jìn)行拓展性學(xué)習(xí)，在各種學(xué)習(xí)平臺討論區(qū)與教員、其他學(xué)員之間進(jìn)行實(shí)時交流和問題反饋。通過這種三段式融合式教學(xué)形式，將“板書+ppt”的傳統(tǒng)課堂展現(xiàn)方式插上信息技術(shù)的翅膀，使學(xué)習(xí)效果呈現(xiàn)螺旋式上升的超循環(huán)效果，實(shí)現(xiàn)高效、生動的課堂教學(xué)[4]。實(shí)踐表明，基于愛課堂的線上線下融合式教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)課程內(nèi)容的可視化、學(xué)習(xí)過程的軌跡化和教學(xué)評估的數(shù)字化，將教員學(xué)員等主體和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)載具等客體之間形成深度融合，有效提升了教學(xué)質(zhì)量，從問卷調(diào)查結(jié)果來看學(xué)員滿意度高達(dá)85%。

（三）理論實(shí)踐一體，增強(qiáng)動手能力

為了提高學(xué)員理論聯(lián)系實(shí)際的能力和科學(xué)主導(dǎo)工程的創(chuàng)新思想，課程依據(jù)理論分析—軟件仿真—硬件仿真的探究過程，依據(jù)現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)環(huán)境積極開展實(shí)踐教學(xué)活動。首先以案例為牽引理論講授其工作原理；其次利用控制系統(tǒng)仿真軟件如Matlab/Simulink 等將控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和內(nèi)在運(yùn)作機(jī)理進(jìn)行測試，了解系統(tǒng)輸出指標(biāo)和各輸入變量指標(biāo)的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的分析；最后借助硬件實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)平臺，開展控制系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)[5]。學(xué)員通過搭建模擬電路，觀察實(shí)驗(yàn)效果，分析現(xiàn)象原因，解決矛盾問題，真正實(shí)現(xiàn)案例探究的理論實(shí)踐一體化，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)員將理論應(yīng)用于實(shí)踐的內(nèi)在動力，有效增強(qiáng)學(xué)員實(shí)踐動手能力。二階系統(tǒng)的軟件仿真界面和硬件模擬電路如圖3、圖4 所示。

圖3 二階系統(tǒng)軟件仿真界面

圖4 二階系統(tǒng)硬件模擬電路

（四）比武競賽亮劍，鍛造實(shí)戰(zhàn)技能

聚焦實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)，為提升學(xué)員們“練為戰(zhàn)”的思想意識和專業(yè)能力，學(xué)員在導(dǎo)師指導(dǎo)下以興趣為導(dǎo)向，組成不同的自動控制興趣小組，如機(jī)器人小組、人工智能小組、無人機(jī)小組等，積極參與全國、全軍、學(xué)院組織的各種技能比武、專業(yè)競賽。學(xué)院“開拓杯”比賽、安徽省智能車大賽、全國教育機(jī)器人大賽、國際ICAN 大賽等分層次、分模塊的競賽形式，都在很大程度上激發(fā)了學(xué)員參與的積極性，開拓了學(xué)員的眼界和視野，讓學(xué)員感受到了競爭的壓力和實(shí)戰(zhàn)的考驗(yàn)。從整個參賽主題的分析、參賽內(nèi)容的設(shè)計、參賽作品的打磨到參賽現(xiàn)場的組織及參賽結(jié)果的復(fù)盤等各個環(huán)節(jié)給予學(xué)員身臨其境的戰(zhàn)場氛圍，讓其思考在未來作戰(zhàn)環(huán)境下自動控制原理相關(guān)知識的應(yīng)用，從而達(dá)到反哺教學(xué)的目的。

（五）多元考核并行，完善評估機(jī)制

課程針對各階段教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，堅持終結(jié)性考核、形成性考核相結(jié)合，構(gòu)建多元化考核體系，將考核評價分為傳統(tǒng)考核、成果考核、實(shí)踐考核、自我評估及小組總體評估等幾部分，通過綜合考核體系來全面評價學(xué)員，以激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的自主性。傳統(tǒng)考核主要采取課堂測試、課后作業(yè)、階段性測試和閉卷考試等形式；成果考核采取在線自主學(xué)習(xí)、線上討論考核等形式；實(shí)踐考核采取模擬電路搭建分析系統(tǒng)性能考核、比武競賽考核等；自我評定及小組總體評估以學(xué)員學(xué)習(xí)行為評估為主，包括學(xué)習(xí)筆記、課堂互動、團(tuán)隊配合等方式[6]。針對不同的考核內(nèi)容制定詳細(xì)的課程考核制度，側(cè)重對學(xué)員學(xué)習(xí)過程和綜合應(yīng)用能力的檢查與評定，細(xì)化相應(yīng)的激勵與懲罰措施，調(diào)動學(xué)員學(xué)中做、做中學(xué)的積極性。通過多元化考核成績的反饋，科學(xué)評價學(xué)員學(xué)習(xí)效果。

四 注重課程思政

自動控制原理課程內(nèi)容相對抽象、復(fù)雜，理論內(nèi)容偏多，學(xué)員學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)興趣偏弱，課程教學(xué)組將思想品德、工匠精神、三觀教育、家國情懷及強(qiáng)軍興軍等思政點(diǎn)與課程知識點(diǎn)結(jié)合構(gòu)建課程思政元素庫。例如講解自動控制理論的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)自動化技術(shù)對我國生產(chǎn)力的促進(jìn)，發(fā)揚(yáng)艱苦奮斗和改革創(chuàng)新精神，增強(qiáng)為人民服務(wù)的理念；講解控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，引入基于“錢學(xué)森彈道”設(shè)計的高超音速導(dǎo)彈DF-17 的案例，給學(xué)員樹立了科技強(qiáng)軍的思想；通過講解系統(tǒng)的時域性能分析，由系統(tǒng)穩(wěn)定性引出國家穩(wěn)定的重要性，啟發(fā)學(xué)員正確認(rèn)識個人利益與祖國利益的關(guān)系，樹立社會主義核心價值觀；由根軌跡的漸進(jìn)線引出人生目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須遵守一定的規(guī)則才能走得更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；通過講授頻域帶寬與抗干擾的關(guān)系引導(dǎo)學(xué)員做人做事要有底線有原則，堅守職業(yè)素養(yǎng)；將系統(tǒng)校正的過程比如人生，引導(dǎo)學(xué)員要設(shè)立人生目標(biāo)，并不斷自我約束、自我修正，實(shí)現(xiàn)人生價值。

授課過程中將思政教育內(nèi)容以潤物細(xì)無聲的方式自然和諧地融入到課程教學(xué)中，增強(qiáng)思政教育的親和力與感染力，給學(xué)員帶來真實(shí)的參與感與獲得感，讓看似枯燥的專業(yè)知識更加鮮活生動，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提升了對專業(yè)知識的吸收，讓學(xué)員在增長知識的同時又能促進(jìn)人格的全面發(fā)展，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)軍校學(xué)員在自動控制領(lǐng)域工程素養(yǎng)的課程育人目標(biāo)[7]。

五 結(jié)束語

為了適應(yīng)軍隊院校高等教育改革趨勢，本文以自動控制原理課程為例從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和課程思政四個方面入手，突出教學(xué)理念對象化、教學(xué)內(nèi)容實(shí)戰(zhàn)化、教學(xué)策略混合化和課程思政具體化，充分凸顯了教學(xué)中心向?qū)W員轉(zhuǎn)移，教學(xué)手段與時俱進(jìn)的教學(xué)改革建設(shè)思路。教學(xué)實(shí)踐表明，通過教學(xué)改革可以提升學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)知識傳授和能力培養(yǎng)的雙重目標(biāo)，進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)良性循環(huán)，達(dá)到全方位育人的目標(biāo)。