專業(yè)教育與課程思政協(xié)同融合的《自動(dòng)控制原理》 課程教學(xué)探究

田麗欣 呂宏麗

（唐山學(xué)院 河北 唐山 063000）

1 課程教學(xué)中存在的問題

1.1 課程理論性強(qiáng)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣。該課程主要包含自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)分析和系統(tǒng)校正與綜合等，涉及到的知識面廣泛，對于控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)涉及到大量理論公式的推導(dǎo)和應(yīng)用，高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路原理、模擬電子技術(shù)等課程的知識貫穿于教學(xué)過程的始終，因此在教學(xué)中存在著學(xué)生覺得課程枯燥、乏味，從而缺乏學(xué)習(xí)興趣和熱情的問題。

1.2 授課多采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。傳統(tǒng)教學(xué)主要以教師講授理論知識為主，大多數(shù)學(xué)生對所學(xué)知識的理解只限于理論層面，形成了“只會(huì)做題，不會(huì)應(yīng)用”的不良局面，不能將所學(xué)理論知識有效地融合到實(shí)際工程中解決實(shí)際系統(tǒng)的控制問題，與新工科理念不符，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

針對于上述問題，打破傳統(tǒng)教學(xué)方式，結(jié)合新工科培養(yǎng)要求，以O(shè)BE 教育理念為主導(dǎo)，在有限的教學(xué)課時(shí)條件下使學(xué)生掌握自動(dòng)控制的基本原理，并加強(qiáng)應(yīng)用能力培養(yǎng)，豐富學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是《自動(dòng)控制原理》課程創(chuàng)新教學(xué)改革的關(guān)鍵。課程教學(xué)采用線上線下相結(jié)合的形式進(jìn)行，利用項(xiàng)目式教學(xué)、案例法教學(xué)等多種教學(xué)方式，并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件Matlab/Simulink 仿真教學(xué)，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加生動(dòng)、直觀易懂。教學(xué)項(xiàng)目基于智能制造的實(shí)際工程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，融合多課程知識，注重對學(xué)生專業(yè)能力的提升，并且根據(jù)教學(xué)內(nèi)容深挖思政點(diǎn)，將思政教育潛移默化地融于課程教學(xué)過程始終，做到真正的“三全育人”。

2 融合專業(yè)教育和思政教育的教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)過程主要采用項(xiàng)目式教學(xué)法和案例式教學(xué)法，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和案例的來源從工程實(shí)際出發(fā)，摒棄傳統(tǒng)的“先理論后做題”的教學(xué)形式，將理論知識的講授貫穿于對實(shí)際項(xiàng)目問題的解決中，使學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)知識進(jìn)行更深層次的理解，真正知道“學(xué)為何用”。在每個(gè)項(xiàng)目和案例的教學(xué)中都融合了思政教育，在“知識傳授”的同時(shí)進(jìn)行“價(jià)值導(dǎo)向”的引導(dǎo)，使學(xué)生克服惰性思想，從根本上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，以培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞闹袊厣鐣?huì)主義合格建設(shè)者和可靠接班人。

具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

在第一章講解反饋控制系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu)時(shí)，由于學(xué)生是首次接觸自控系統(tǒng)，還沒有物理模型的概念，所以在教學(xué)中，采用案例分析法幫學(xué)生建立起反饋控制系統(tǒng)的概念。案例的選取結(jié)合工程實(shí)際和前期專業(yè)課程基礎(chǔ)，以“電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”和“水位控制系統(tǒng)”兩個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)為例，使學(xué)生理解反饋的精髓，然后自然地歸納總結(jié)出反饋控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)組成。之后結(jié)合圖像和視頻資料對我國在控制系統(tǒng)開發(fā)方面的前沿研究成果進(jìn)行展示，讓學(xué)生感受國家科技的力量，從而激發(fā)學(xué)生的國家自豪感和專業(yè)認(rèn)同感，提升學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。

第二章為系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，第三、四、五章分別為經(jīng)典控制的三大分析方法：時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法。對于這部分內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)主要局限于理論知識的推導(dǎo)以及對公式的“做題”應(yīng)用，與實(shí)際脫鉤，造成學(xué)生不知學(xué)有何用。基于此，圍繞“工業(yè)機(jī)器人控制”，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的形式展開教學(xué)，將原來孤立的章節(jié)有機(jī)融合在一起。具體分析和設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)，從分析其物理含義入手建立工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)不同表達(dá)形式的數(shù)學(xué)模型，使學(xué)生自然掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式以及不同形式之間的轉(zhuǎn)化方法。然后以數(shù)學(xué)模型為主，展開對控制系統(tǒng)的分析。在以工業(yè)機(jī)器人為代表的實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性是前提，快速性、平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性是對自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求。由學(xué)生分別采用時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域法對機(jī)器人控制系統(tǒng)性能展開分析，從而使其真正理解三大分析方法的內(nèi)涵和它們之間的聯(lián)系，掌握如何利用三大分析方法對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，而不再局限于傳統(tǒng)教學(xué)中脫離實(shí)際應(yīng)用的做題。

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即為對控制系統(tǒng)所要研究問題本質(zhì)的描述和表征，映射到人的自我認(rèn)識，即要正確的審視自我，做一個(gè)內(nèi)外兼修的人；數(shù)學(xué)模型之間的等效變換就如同人與人之間的相處之道：自由、平等、公正。通過時(shí)域三大性能指標(biāo)是互相矛盾、相互制約的，沒有絕對完美的系統(tǒng)，映射要用辯證統(tǒng)一的觀點(diǎn)看待問題，講究中庸之道；并映射到團(tuán)隊(duì)合作中要顧全大局，不能只顧一己之私，要講究合作共贏。通過根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能，是一種借助圖形的近似分析方法，要抓住關(guān)鍵要素才能完成對系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能的分析，影射解決問題要抓住主要矛盾和問題關(guān)鍵；此部分進(jìn)一步采用課外實(shí)踐的形式完成，通過調(diào)研本專業(yè)領(lǐng)域企業(yè)在自動(dòng)控制方面面臨的一些實(shí)際問題，由學(xué)生分析問題關(guān)鍵所在，提出解決方案，完成方案報(bào)告，通過此種形式使思政教育和專業(yè)教育緊密結(jié)合。頻域分析法中三頻段理論是基礎(chǔ)，三個(gè)頻段影響控制系統(tǒng)的不同性能，根據(jù)對控制系統(tǒng)的性能要求來設(shè)計(jì)三頻段，就如同人生不同階段有不同的努力目標(biāo)，要做好規(guī)劃，以更好地實(shí)現(xiàn)各階段更優(yōu)、更精彩。

第六章為系統(tǒng)校正和綜合設(shè)計(jì)。當(dāng)控制系統(tǒng)三頻段不滿足要求時(shí)，需要加入校正裝置來調(diào)節(jié)。繼續(xù)以“工業(yè)機(jī)器人控制”為例，經(jīng)過前面的系統(tǒng)分析過程找出其自身性能存在的不足之處，從而引出系統(tǒng)校正方式和方法的應(yīng)用。校正方法存在不唯一性，在由教師對常用校正方法理論講解的基礎(chǔ)上，由學(xué)生自主選擇校正方法對原工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行校正，并對校正前后系統(tǒng)的性能進(jìn)行對比，使學(xué)生對校正的原理達(dá)到真正意義上的理解。該部分主要思政映射點(diǎn)為：遇到挫折時(shí)要調(diào)整心態(tài)、建立自信、自我糾正以達(dá)到最優(yōu)。具體實(shí)施通過小型演講或微視頻的形式由學(xué)生來講述自己的人生規(guī)劃和勵(lì)志故事，通過共同分享來激發(fā)更多學(xué)生的斗志。

之后針對于經(jīng)典控制方法PID 控制，圍繞“一級倒立擺控制器設(shè)計(jì)”項(xiàng)目展開教學(xué)。首先創(chuàng)設(shè)情境引出日常生活中倒立擺應(yīng)用的例子，如：手指支撐木棍不倒的游戲、獨(dú)輪車的平衡控制等，由學(xué)生感興趣的話題吸引學(xué)生興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，從而進(jìn)一步引伸出倒立擺在工業(yè)控制、航空航天領(lǐng)域和機(jī)器人控制等方面的應(yīng)用；并通過“中國制造2025”突出控制的關(guān)鍵性作用以及對人才工程應(yīng)用能力的要求，從而強(qiáng)調(diào)本專業(yè)掌握控制理論的重要性，繼而引出如何利用基本控制理論解決倒立擺的控制問題。采用理論與仿真相結(jié)合的方法解決PID 控制器設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)問題，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用微處理器作為控制核心實(shí)現(xiàn)倒立擺的控制，將教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展至相關(guān)課程的應(yīng)用，讓學(xué)生對控制理論的應(yīng)用有更直觀的理解，提高工程意識。

3 結(jié)語

通過對課程內(nèi)容體系和教學(xué)方式的改革，以“數(shù)學(xué)建模、控制系統(tǒng)性能分析和系統(tǒng)校正”為主線，從實(shí)際工程項(xiàng)目和典型案例入手，強(qiáng)化了自動(dòng)控制理論的工程應(yīng)用，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，真正做到了學(xué)以致用。授課過程中將思政教育自然而然地滲透其中，達(dá)到了思政教育和專業(yè)教育的有機(jī)融合，做到了對學(xué)生潛移默化地影響，真正激發(fā)了學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，從根本上解決了學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足的問題，實(shí)現(xiàn)了能力培養(yǎng)和思想提升的統(tǒng)一，有利于高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。