新能源專業的自動控制原理課程教學的改革探索

濮天梅，沈文忠，曹九發，朱衛軍，付士鳳

（揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

能源是人類生存的物質基礎，目前，全球能源結構依舊是以煤炭、化石燃料為主，這些能源的使用易造成環境的污染以及全球氣候變暖。習近平總書記在第75 屆聯合國大會上提出，中國將提高國家自主貢獻度，采取有力的政策、措施，爭取于2060 年前實現碳中和[1]。新能源科學與工程專業面向新能源產業，聚焦國家對生物質能、風能等新能源領域的發展需求，致力于培養具有堅實的理論基礎和扎實的工程素質的、能從事新能源領域的科學研究、技術開發、開發制造、運行控制與管理等工作的專門人才[2]。揚州大學新能源科學與工程專業的學生主要側重于學習風能的相關知識，包括風力機葉片設計、風電機組監控、風電場運維、風電機組設備以及電氣設備等的基礎理論，需掌握數學、自然科學、工程基礎和新能源專業課程的基礎知識。因此，該專業涉及學科主要包括動力工程及工程熱物理、機械工程以及電氣工程。

自動控制原理課程是揚州大學新能源科學與工程專業的專業核心課程。該課程的主要教學內容是利用數學、物理、電路等基礎知識解決工程控制問題，實現工業生產的自動化控制、智能作業等任務。由于課程的理論性和專業性很強、概念繁多、內容抽象且枯燥，該課程的學習要求學生具有扎實的數理基礎和較強的抽象思維，學習難度大。如何以“新工科”教育理念為指導，充分利用網絡資源和信息技術，提高課堂教學的質量，培養工程實踐應用人才[3]。

1 教學中的常見問題

目前，新能源專業自動控制原理教學中存在以下問題。

1.1 課堂教學以老師為中心，學生為被動接受方

教師講授知識是傳統的教學方式，此種教學模式下，學生被動接受教師的信息傳輸，無法調動學生的積極性和自主性，限制了學生主觀能動性的發展。另外，在這種傳統的授課方式下，教師容易忽略學生之間的個體差異和多樣性，嚴重阻撓師生之間的有效溝通和互動。

1.2 課件針對性不足，概念抽象且枯燥

新能源作為揚州大學新近成立的專業，教師資源尚且不足，往屆新能源專業學生的本課程均由電氣專業的教師進行授課。一方面，授課教師對專業培養方案不夠了解，導致對學生的知識儲備有些許誤解。另一方面，在教學和科研的雙重壓力下，教學課件往往采用早就存在的成品，內容較老，抽象的概念一般以文字描述，內容枯燥且晦澀。在以往的教學過程中，發現學生很難保持專注度，教師教學和學生學習難度均較大。

1.3 思想政治元素不足

新能源專業的《自動控制原理》教學大綱中設定的課程目標更多地注重理論和專業知識的傳授，在育人方面關注不夠，從而忽略了思想政治教育的重要性。學生在課程學習過程中也更注重學習專業知識，對于科學思維習慣和方式的培養、道德情操的熏陶以及精神層面的充實較少考慮。

1.4 理論與實踐脫節

新能源專業需要培養具有實踐工程應用能力的人才。在以往的教學過程中，大部分內容都是從復雜系統的抽象模型展開教學，涉及的電路及系統也均做了簡化處理。學生缺少對實際復雜系統的感性認識，導致興趣的喪失。

1.5 以考試為主的筆試考核方式

傳統的筆試考核方式易引導學生成為注重理論而忽略實踐的應試型人才[4]，顯然這種單一的考核方式已經不再適用于新工科背景下對應用型工程技術人才的要求。

2 教學改革措施

常艷超等[5]提出，在新工科建設的背景下，自動控制原理課程的教學目標是通過理論基礎知識的教學，培養學生對復雜系統的分析設計能力、工程實踐能力以及創新能力。針對該目標以及新能源專業學生的培養特點，課程組從“課程思政”、教學方法、教學內容以及考核方法4 個方面對該課程進行了改革。

2.1 “課程思政”

我國正在從制造大國向制造強國轉變，課程思想政治要素的添加可以使得學生增加民族自信和自豪感。在講授專業基礎知識的同時給同學介紹相關的知名人物，如中國科學院院士郭雷以及張鐘俊，他們都在自動控制和系統工程領域做出了許多開創性的貢獻。這可以為枯燥的專業知識講授中添加樂趣，有助于培養學生對科學的興趣以及愛國情懷。另外，通過在課程中挖掘豐富的思想政治教育素材，加深學生對中國特色社會主義道路的認同，堅定為富足、強大的社會主義國家做貢獻。

2.2 教學方法

自動控制原理課程的專業性決定了其講授的枯燥，常規的筆書結合PPT 的教學方式使得課堂氛圍沉悶，無法激活學生學習的自主性。課程組在教授根軌跡分析、系統響應等內容時，充分發揮多媒體教學生動直觀的優勢，實時帶著學生繪畫響應曲線，帶動學生思維，并添加與學生的互動，增加課堂的趣味性。例如，利用MATLAB 繪制各種曲線，并動態展示曲線生成過程，并直觀展示參數變化帶來的影響。已知系統的閉環傳遞函數如式（1）所示。

通過MATLAB 仿真，可以直觀分析阻尼比ζ 對系統脈沖響應和階躍響應的影響。計算系統脈沖響應和階躍響應代碼如圖1 所示，通過impulse（）函數和step（）函數即能分析阻尼比ζ 對系統的脈沖響應和階躍響應的影響。系統脈沖響應如圖2 所示，系統階躍響應如圖3所示，可以很容易分析ζ 對系統性能的影響。隨著ζ 的增大，該系統的單位脈沖響應和階躍響應減小。

圖1 計算系統脈沖響應和階躍響應代碼

圖2 系統脈沖響應

圖3 系統階躍響應

MATLAB 是一種功能十分強大的軟件。根軌跡方法是一種圖解法，可以用于分析控制系統的性能指標。針對復雜的系統，人工繪制根軌跡將會變得十分復雜和困難，而MATLAB 繪制根軌跡十分方便。某負反饋控制系統的開環傳遞函數如式（2）所示。

繪制根軌跡代碼如圖4 所示，只需編寫幾行代碼即可快速繪制出該系統的根軌跡，繪制出的系統根軌跡如圖5 所示。

圖4 繪制根軌跡代碼

圖5 系統的根軌跡

2.3 教學內容

自動控制原理課程的教學內容要突出新能源專業的鮮明的行業特色，按照行業就業市場需求的專業知識要求，結合專業方向，追蹤風力發電技術中涉及的控制原理，堅持“基本理論適度、注重工程應用”[6]的基本原則，不斷更新和與優化教學內容，將新能源專業的自動控制原理課程發展成一門適合本專業學生的優質課程。主要從以下方面著手：①結合風力發電的一線生產和科研工作，搜集教學素材，挖掘課程的相關案例，例如，風力機發電中的葉片變槳，就是一種自動控制，通常采用機械液壓或者電動伺服的方式，控制風力機槳葉的旋轉，改變氣流對槳葉的攻角，從而控制風力機槳葉捕獲的氣動轉矩和氣動功率，風電機組變槳距系統如圖6 所示，這就可以作為課程的教學素材。②可以將枯燥乏味的概念或者公式通過形象生動的比喻或者圖像展示給學生，使得學生能夠集中課堂注意力，更為扎實地掌握專業知識。③可以將理論與工程應用相結合，培養學生的工程意識，為其以后從事專業技術性工作奠定基礎[7]。

圖6 風電機組變槳距系統

2.4 考核方式

新能源專業的自控原理課程一直采用傳統的單一期末考試考核方式。課程組改革了考核評價體系，降低了期末考試成績在課程考核成績中的比重，平時成績的給定做到了“有理有據”[8]。實際上，揚州大學擁有自主創設的網絡教學系統，這使得學生學習過程的考核相當便利。首先在網絡系統上創建班級并導入所有學生信息；其次針對每章節的學習內容布置作業，包括習題和涉及工程的思考題；要求學生學習完每章節的內容后及時完成考核內容，這些都作為給定平時成績的基礎[9-10]。

3 結語

隨著全球對可再生能源的需求劇增，各國對新能源的發展都給予了大力扶持，針對人才培養也制定了相應的支持政策。本文針對目前新能源專業的自動控制原理課程教學中存在的問題，從“課程思政”“教學方法”以及“考核方式”出發，進行了課程教學的一些改革，立足培養新工科建設背景下愛國愛黨、心懷抱負的實踐應用性的工程類人才。