面向實踐與創新能力提升的車輛工程專業自動控制原理課程改革與實踐

申江衛 張政 郭鳳香 陳崢

摘? 要：在汽車智能網聯化發展背景下，為滿足社會對車輛工程專業高素質人才需求。該文針對目前自動控制原理課程在教學過程中存在的缺乏實踐與創新能力培養問題進行分析，并對課程教學內容、教學方式等進行改革與實踐。將團隊最新的科研成果融入教學當中，通過理論教學與科研相結合、理論研究與實踐并重的啟發式培養模式，達到提高學生實踐與創新能力的目的，使學生能充分運用理論知識分析解決車輛工程領域控制類問題。

關鍵詞：車輛工程;自動控制原理;課程改革;智能網聯汽車;教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）08-0145-04

Abstract： In the context of the development of automobile intelligent networking， in order to meet the society's demand for high-quality automation talents in vehicle engineering. In this paper， the lack of practice and innovation ability in the teaching process of Automatic Control Principle is analyzed， and the teaching content and teaching methods of the course are reformed and practiced. The latest scientific research results of the team are integrated into the teaching， and through the heuristic training mode of combining theoretical teaching and scientific research， and attaching equal importance to theoretical research and practice， the purpose of improving students' practice and innovation ability is achieved， so that students can make full use of theoretical knowledge to analyze and solve control problems in the field of vehicle engineering.

Keywords： vehicle engineering; Automatic Control Principle; curriculum reform; Intelligent Connected Vehicle; teaching practice

隨著國家節能減排和“碳達峰”“碳中和”戰略的實施，汽車電動化、智能化與網聯化已成為未來發展的主流方向[1]。自動控制原理課程是車輛工程本科專業基礎核心課程，對培養學生建立自動控制思想和掌握相關控制技能具有重要支撐作用[2]。在汽車工業“三化”發展背景下，行業企業也對車輛工程專業畢業學生提出了面向產業新技術的實踐技能和創新能力要求。因此，自動控制原理需要結合汽車工業發展趨勢，更加注重培養學生應用控制理論解決智能網聯和電動汽車相關控制工程問題的能力，為車輛工程專業自動控制領域的學習提供必要的理論和技術支撐，為從事新形勢下車輛工程專業技術工作及研究打下堅實基礎[3]。

因此，本文圍繞昆明理工大學車輛工程專業人才培養目標及定位，結合自動控制原理課程教學內容特點及車輛工程領域專業知識，在課程教學過程中，充分發揮學校現有科研平臺和學生競賽對人才培養的支撐作用，注重從車輛系統控制方面引出控制理論的分析方法，通過理論教學與問題分析相結合，啟發式培養學生運用理論知識分析解決車輛智能控制問題的能力，以滿足汽車行業電動化、網聯化、智能化發展背景下對技術人才的需求，提升本科生創新與實踐能力。

一? 車輛工程專業自動控制原理課程現狀與問題分析

自動控制原理課程涉及的學生范圍相對較廣，在機電自動化、工業機器人技術、儀器系統工程和車輛工程等專業均開設了該課程[4]。面向車輛工程專業學生的課程授課內容、教學形式及教學目標需根據人才培養目標進行針對性設計，為車輛類專業課程的學習和深造打下必要的知識基礎。在汽車電動化、智能化、網聯化快速發展的背景下，自動控制原理課程在車輛工程專業的教學中迎來了全新挑戰，總結目前在課程教學過程中存在問題如下。

（一）? 在教學內容方面

目前該課程的授課內容一般只要求學生掌握自動控制的基本理論和基本分析方法，能應用控制理論對自動控制系統進行性能分析，能對系統進行校正和提出改善系統性能的途徑和方法，了解一些實際自動控制系統的控制原理等。然而這樣的教學內容已經無法滿足培養具有復雜工程實踐能力及勝任未來汽車行業電動化、網聯化、智能化發展背景下的人才需求。自動控制原理是幫助學生認識和了解自動控制理論、系統，建立自動控制思想的入門課程，以講授經典控制理論在傳統工業及車輛工程領域應用為主[5]。然而，伴隨著電動汽車技術、自動駕駛技術及智能網聯技術的快速發展，控制理論在車輛工程領域的應用對象及控制要求逐漸發生變化，要求學生掌握控制理論并應用于新領域的實踐及創新能力也逐漸提高。但在教學過程中由于缺少對相關內容的講授與針對性實踐過程設置，從而導致學生不清楚如何用相關知識解決車輛工程領域電動化、智能化控制相關工程問題[6]。

（二）? 在教學模式方面

目前仍與“培養創新與實踐兼備型人才”的育人理念存在差距。當下該課程主要的授課模式為傳統的線下授課方式，并以網絡資源補充上課內容。偏重理論知識講授和灌輸，無法讓學生成為主動學習的主體，從而缺少學習的積極性、主動性和創新性[7]。同時，以課堂理論知識授課為主的教學形式，使學生對知識學習停留在理論層面，缺乏與汽車整車及關鍵部件相關控制理論的實物應用與操作演示，理解不深，應用能力不足[8]。

（三）? 在教學目標方面

目前，主要是為了培養學生掌握與現代汽車相關的自動控制工程基本原理和概念，并具備對自動控制系統進行分析、計算和實驗的初步能力，為專業課的學習和參加控制工程實踐提供必要的理論基礎。然而大多數學生往往只熟悉課程內容，并沒有與科研或實際運用相結合，以至于大多數學生并不具備對汽車領域控制問題的基本研究能力[9]。因此，在重點培養學生掌握汽車自動控制理論原理的同時，也應鼓勵學生積極參加一些競賽項目或者科研項目以加深對理論知識的理解和運用，同時有效地提高學生的創新與實踐能力[10]。為今后從事汽車相關控制工程技術工作、科學研究以及開拓智能網聯汽車領域新技術，打下堅實的基礎。

二? 自動控制原理課程改革與探索

昆明理工大學車輛工程專業是教育部首批新工科實踐與探索專業，入選云南省一流本科專業，并通過了教育部工程教育認證。專業緊跟社會發展和國家經濟建設需要，以培養新型實踐與創新能力兼備的復合型高級工程技術人才為目標。自動控制原理課程是車輛工程本科專業基礎核心課程，課程的總體目標是啟發培養學生運用理論知識分析解決車輛智能控制問題的能力。通過課程的改革，使學生能夠在更好地掌握控制原理的基本理論與方法的同時，掌握自動控制原理的實際工程應用及實踐操作，能夠較熟練地運用MATLAB軟件進行系統分析與設計，培養學生分析、解決自動控制問題的能力和實踐技能，為車輛工程專業學生在今后自動控制領域的學習、應用打下堅實的理論基礎和技術支撐。因此，為了滿足自動控制原理課程的預期教學目標，以提高學生創新實踐能力為目標，圍繞汽車電動化、智能化、網聯化發展背景，對該課程進行改革。具體改革思路如下。

新型教學理念具體實施方法如圖1所示。

（一）? 教學與科研緊密結合，相互促進

秉持科教協同的教育理念，以增強學生實踐與創新能力為目標。堅持科學研究與課程教學相結合，以科研帶動教學，以教學反哺科研，通過校企合作與成果轉化，充分結合理論知識與實踐操作，提高教師隊伍水平。構建以教授博導為帶頭人的教學團隊，充分利用團隊負責人以及團隊教師在自動控制領域取得的科研成果，依托云南省內燃機重點實驗室、昆明市新能源汽車重點實驗室、昆明理工大學-貝加萊工業自動化聯合實驗室、車輛工程實驗中心等多個科研平臺，為學生提供自由探索、自主創新的平臺，帶領學生參加各類科研項目與課題競賽，充分發揮試驗基地的平臺作用。

為使學生加深對自動控制原理在汽車產業中實際應用的理解，基于團隊對智能網聯電動車研究基礎，在授課過程中引入本團隊所發表的前沿科研論文。引入智能網聯汽車動力系統控制與決策的案例，如跟車控制、速度規劃等問題中的自動控制技術應用，同時指導學生使用編程軟件編寫相應的控制程序算法，實現控制結果的直接展現。通過引入相關前沿技術講授與實踐操作應用案例，不但可以實現教學內容與實際應用的有效關聯，還可以幫助學生理解課程理論知識，提升行業內重要工具軟件的使用水平，引導學生創新思維培養。

（二）? 理論研究與實踐結合

實踐環節也是科教協同的主陣地，作為一門融合了數學、計算機以及機械等多領域內容的核心課程，在理論學習過程中融入實踐環節，增強學生對自動控制理論知識理解和應用十分關鍵。為提升學生實踐與創新能力，促進學生理論知識學習，并與實踐相結合，有必要圍繞汽車工業發展背景，依托培養單位現有科研裝備與成果，促進實踐與理論教學深度融合。例如在授課過程中，建立了軟件實驗與硬件試驗相結合的多層次教學體系，通過課堂的理論學習，結合MATLAB設計軟件進行實操演示，利用實驗基地具備的條件進行硬件操作，培養學生的軟硬件實操能力。在教學環節中，依托現有科研裝備，增設電動汽車電機控制、智能網聯汽車協同控制等教學案例，并指導學生進行編程和實操測試。同時，積極引導和組織學生參與大學生科技競賽和教師科研項目，用自動控制原理所學知識，解決車輛相關實際控制難題，切實提升學生實踐與創新能力。

（三）? 實踐操作與理論考試并重

作為車輛工程的專業必修課，不僅要求學生掌握扎實的理論基礎知識，更需要具備較強等的實踐操作能力。因此，本課程不僅僅以考試為最終評定成績，在平時的授課過程中，提高了課后作業以及軟硬件操作的考核比例，讓學生能在實踐中發現問題，并由自身探索解決問題。圍繞車輛工程專業及教學團隊產學研基礎，以研促教，建立以教授為課程負責人，副教授和具有博士學位的青年骨干教師為主體的一流教學隊伍，高效利用教學團隊內教師的科研優勢，實現對教學的有效反哺。在產學研實踐平臺建設上，昆明理工大學車輛工程專業現有云南省內燃機重點實驗室、云南省新能源汽車生產力促進中心、昆明市電動汽車關鍵技術重點實驗室、昆明理工大學-貝加萊工業自動化聯合實驗室和車輛工程實驗中心等多個專項實驗室平臺，建立了軟件仿真與硬件試驗相結合的多層次教學體系，可為學生實踐與創新能力培養提供有效支撐。此外，現有科研、教學平臺全部納入教學實踐基地面向本專業學生開放，為本科生提供創新、競賽平臺，指導學生參與多屆中國大學生方程式汽車大賽、“飛思卡爾”杯智能汽車競賽、貝加萊學界聯盟競賽等競賽，并多次榮獲國家級競賽獎勵。

三? 課程改革成效與心得

（一）? 課程改革成效

在多年的教學工作中，課程組圍繞車輛工程專業人才培養要求定期召開教學研討會議，多次修改和完善自動控制原理課程教學大綱，有計劃地開展教學研究活動，在教學隊伍、教學資源和實踐教學、現代化教學手段、學生綜合能力與素質培養等方面均取得一定成效。

1）一流教師隊伍建設初步完成。目前課程的教師梯隊已建成以教授為課程帶頭人，副教授和具有博士學位的青年骨干教師為主體的一流教學隊伍，同時仍不斷加強高層次人才的引進，構建更為完善的教學隊伍。

2）實驗教學條件已顯著改善。通過國家自然科學基金，市、校重點實驗室等項目的建設及國內外企業的大力支持，依托現有多個省市級科研平臺及實驗室開展實踐教學，現已具備良好的課程實驗基地。

3）教學手段網絡化建設已取得顯著成效。本課程的授課方式為線上、線下混合式教學，除開展線下理論授課和實驗室實踐教學外，充分利用網絡化教學手段，使學生可以利用網絡資源進行自學、自測，以提高教學質量。

4）推動教學方法交流與創新。本課程目前教學方法加強了教學研究活動，組織授課老師開展校際間的學術交流，促進了教學水平的提高和高質量教改論文的發表，課程教學質量明顯提高。

5）教學內容持續優化。教學內容符合學科建設要求，加強了教學內容與學科前沿發展知識結合，提高了教學內容的技術性和探索性。

6）學生實踐與創新能力不斷提升。通過課程激發學生參與科研項目及科技競賽興趣，提升實踐與創新能力，實現本科生參與科研項目及競賽覆蓋率超過90%;同時，畢業生考研意向和升學率持續大幅提升，2022年車輛工程專業本科畢業生考研升學率超過45%。

（二）? 課程改革心得

通過教學與科研緊密結合，在教學中引入關于智能網聯汽車前沿技術和科研成果相關案例。例如，講解智能網聯汽車控制層原理，控制層屬于智能系統的輸出端口，能夠直接驗證智能操控系統決策方案的準確性，同時在決策操控執行的過程中，同樣需要智能系統對相關的行駛數據進行全面收集，增加收集數據上傳到感知層與決策層中，重新進行數據分析，在智能汽車實際行駛狀態基礎上進行分析，有利于提高智能汽車的實際行駛安全性和有效性。通過首先講解有關技術內容，再對現有技術開展比較和討論的啟發式課堂教學，能夠促使學生主動思考現有技術存在哪些不足，以提出一些改進措施，使課堂更生動，讓教學內容更豐富，能夠有效提高學生的創新思維。

通過理論研究與實踐相結合，要求學生在課下搜索各種前沿技術資料、查閱文獻，初步了解各種控制算法的優缺點。在課堂上，教師結合技術案例深入講解與分析，實施靈活的教學方法，因材施教，為學有余力的學生開辟第二課堂。引導學生思考，從而激發學生對新技術、新結構的探索欲。課后給學生設計一系列控制算法實踐課題，鼓勵學生參加各種學科競賽或加入老師的科研團隊。利用團隊現有科研與教學實驗平臺，指導學生參加“飛思卡爾”杯、“大學生方程式賽車”、貝加萊學界聯盟自動化競賽等比賽，并多次榮獲國家級競賽獎勵。讓學生通過體驗競賽項目或科研項目來加深對課題知識的理解和運用，實現知識的升華，提高學生應用控制理論解決汽車行業相關控制工程問題的能力。

通過實踐操作與理論考試并重，理論教學與動手實踐并行，帶領學生進入實驗室，開展硬件實驗，加強學生的實踐能力。將成績考核分為平時、實驗及期末三個環節。平時成績考察學生上課情況，體現上課過程學生的積極性、主動性，對提高學生創新思維能力有重要作用。實驗部分考察學生的編程能力、競賽能力和工程實踐開發情況，期末成績以筆試的形式考察學生課程內容掌握情況。通過課程考核方式的改革，能更有效地檢驗學生課程知識的掌握情況和應用能力。促進學生除認真學習理論知識以外，進一步加強MATLAB軟件學習、應用與硬件實際操作能力，并積極參與科研和競賽項目，切實有效地實現了學生實踐與創新能力提升。

四? 結束語

本文所提出的面向實踐與創新能力提升的車輛工程專業自動控制原理課程改革方法，通過對教學與科研緊密結合、理論研究與實踐兼顧，以及實踐操作與理論考試并重的教學方式實施，學生參與科研、競賽積極性大幅提升，驗證了所提出課程改革措施的成效。該方法有效地提高了學生運用理論知識分析解決車輛智能控制問題的能力，實踐與創新能力得到有效提升，為培養高素質、高水平、高能力的車輛專業控制類人才打下了堅實基礎。

參考文獻：

[1] 李立軍.“車輛系統動力學”課程教學改革探索與實踐[J].汽車教育，2022（2）：66-68.

[2] 陳鳳祥，孫澤昌.車輛工程類《自動控制原理》課程改革探討[J].教育教學論壇，2014（20）：35-36，37.

[3] 姚雪蓮，楊藝.車輛工程專業《自動控制原理》的教學方法探索[J].智庫時代，2020（34）：225，227.

[4] 張星紅，陳慧波，鄭秀麗，等.“自動控制原理”理論教學探究[J].南方農機，2022，53（5）：133-135.

[5] 張麗，介婧，朱文.基于OBE-CDIO理念的自動控制原理課程教學改革探索與實踐[J].高教學刊，2021，7（36）：128-131.

[6] 鄧加川，劉淑波.自動控制原理課程的教學實踐分析[J].集成電路應用，2022，39（1）：208-209.

[7] 邢卉，孫曉云，王明明，等.自動控制原理課程的混合式教學模式實踐研究[J].科技風，2022（6）：111-113.

[8] 姜曉偉.新工科背景下自動控制原理課程教學方法探索[J].中國現代教育裝備，2022（1）：78-80.

[9] 趙峰，陳向勇，邱建龍，等.“自動控制原理”課程教學改革研究[J].科教導刊，2021（2）：157-158.

[10] 張冉，高聯學.“自動控制原理”混合式課程改革研究[J].南方農機，2021，52（24）：185-187.

基金項目：云南省車輛智能控制與運行安全博士生導師團隊（云學位〔2021〕17號）;2021年度云南省專業學位研究生案例庫建設項目（云學位〔2021〕18號）;2020年度云南省研究生優質課程建設項目（云學位〔2021〕2號）;昆明理工大學學分制一流本科課程建設項目“《自動控制原理A》線下一流課程建設”（109920220007）

第一作者簡介：申江衛（1984-），男，漢族，河北定州人，博士，高級實驗師，碩士研究生導師。研究方向為車載動力電池高效管控。

*通信作者：陳崢（1982-），男，漢族，山東濰坊人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為智能網聯汽車協同控制。