本科院校“自動控制原理”課程建設的研究與實踐

程文雅，余夢璐，張 凡，郭洪佚

（西南交通大學 希望學院，四川 成都 610400）

1 課程的定位和特點

“自動控制原理”是所有本科院校自動化類專業的一門重要的專業基礎課，也是考研初試重點考察的專業課科目之一。但是，建筑電氣與智能化專業有著與其他自動化專業顯著的特征，因此，“自動控制原理”也成為該專業的一門專業核心課程。針對專業自身的特點，重點結合建筑的應用背景，在智能建造的大環境下，使學生掌握基本的理論知識，并在各種工程實際中去體會控制的思想，通過改進優化控制的方案，使得建筑的環境更加智慧更加舒適。該課程是一門交叉的學科，涵蓋的知識面廣，內容錯綜復雜，基礎概念多且抽象，研究內容寬泛，要求學生具備良好的數學基礎，例如：高等數學、線性代數、復變函數、大學物理等知識。因此，學生最初接觸該課程會覺得晦澀難懂，抽象復雜，教師教學難度較高。但是該課程在整個課程體系中有著承上啟下的作用[1]，不僅為后續專業課程的學習奠定基礎，而且對于培養學生的邏輯思維、提高分析問題和解決問題的能力有著深遠的意義。此外，為適應新一輪科技革命，支撐科技創新，服務“中國制造2025”，2017 年教育部提出新工科建設方案，將具有較強工程實踐能力，創新思維能力的應用型人才作為新時代高校工科學生人才培養的基本要求[2]。因此，該文積極探索教育教學的改革和創新，細化教學目標，改進教學方法，優化教學內容，豐富評價體系，力求做到在知識傳授過程中即包含顯性教育又包含隱性教育，將思政元素融入教學，真正實現潤物細無聲，引領學生的價值觀，塑造學生品質，培養應用型人才。

2 教學方法的優化

針對本類院校學生的特點和課程本身公式比較多，推導過程復雜，概念抽象等特點，在課程建設的過程中，探索多種教學方法，優化教學過程。

2.1 理論講解加例證

由于自動控制課程內容的概念多且抽象，在講解理論知識的時候，借助網絡視頻和音頻動畫，使學生更加清晰直觀的體會控制的實現過程。借助生活中的典型案例，引導學生思考，建立感性認識。進而從基本概念入手，通過講解加例證的方法，逐步深入，在例證中剖析教學內容。各部分理論知識講解完之后輔助以真實的應用案例來加強理解。例如在講解開環控制的概念和功能后，列舉全自動洗衣機的工作模式，幫助學生深刻的體會開環控制的優缺點。最后以任務的形式驅動學生自主學習，加以鞏固。布置任務，讓學生找尋課程內容相關的控制案例，分析其規律，以小組的形式在課堂上匯報分享。此過程不僅能加深學生對學科知識的理解，也進一步提高其查詢資料和制作PPT的能力，促進小組成員之間的分工合作。該種方式能夠提高學生的學習興趣和課堂參與度。

2.2 滲透式

本課程的公式雖然多，但是有其自身的特點，公式本身都具有物理意義。所以在講授課程的過程中，注重闡釋其蘊含的物理意義。在備課之前，先將本節課用到的基礎理論和基礎公式總結出來，以儲備知識的形式帶領學生重新回顧學習，將公式的基本物理概念和原理滲透到教學過程中。進而本課程教學用到相應公式時，學生能夠清晰理解公式推導之間的變換關系，以及相應的結論對應的物理意義。哪些參數決定系統的哪項性能，使得分析設計系統和改進系統性能時更加有的放矢。

2.3 以賽促學

教學過程設置情景，每個情景都是完整的工作過程，情景設計由簡單到復雜，由單一到綜合，逐層推進。學生通過學習不同的應用情境，不僅能加深對本課程理論知識的理解，而且還可以了解工程的一般設計思路和實現過程。借助四川省機器人大賽、全國大學生智能汽車競賽、電子設計競賽等相關的比賽，以賽促學的方式加強學生的實踐鍛煉，激發學生潛在的創造力，提升學生綜合運用學科知識的能力。最終，使學生在比賽創設的復雜情境中解決實際問題。

2.4 虛擬實驗和現實模擬相結合

將教學過程與MATLAB 仿真工具相結合，進行虛擬仿真實驗教學。MATLAB 是一種面向科學與工程計算的高級語言，它的編程簡單，易學易懂，也被稱為草稿式的科學算法語言。內部包含豐富的函數庫以及SIMULINK 工具箱[3]。通過該軟件老師可以演示較復雜的控制系統，學生也可以課后獨立操作，通過虛擬仿真實驗，生動直觀的觀察系統的響應曲線，分析實驗結果，驗證控制規律。在課程建設過程中，注重實驗室的建設，搭建現實的實驗環境。借助自控實驗箱，學生可以在現實的操作面板上實現典型環節的連接、溫度閉環控制的實驗、直流電機調速實驗、PID 控制算法實驗等。通過模擬仿真和現實實驗相結合的方式，學生不僅能夠在現實條件下實現經典的控制方案，也可以通過仿真驗證復雜高階系統的性能，進而更加系統全面的掌握學科內容。

3 教學內容的改進

“自動控制原理”是一門理論性、綜合性、實踐性強的課程。為了使課程更適合建筑電氣專業的學生，我們秉承“夠用”原則，確立了基礎理論、系統建模、時域分析、頻域分析的四個模塊的體系。在教學改進上，突出控制理論的物理概念以及智能化的工程應用背景，淡化數學證明過程，注重實際應用，培養學生的創新精神。

3.1 注重工程應用背景

在教學內容上，選取控制對象的時候，偏重選擇智慧建筑的物理量控制，更加凸顯專業特色。例如進行系統分析時，主要圍繞穩定性、快速性和準確性這三個指標。無論是時域分析還是頻域分析核心的主題都是這三個指標的優劣。在教學中選取實際工程應用的控制參數，先帶領學生分析工程原理，了解控制需求，建立模型，分析實現過程。例如恒溫恒濕空調機的控制，分析其溫度和濕度的控制原理，建立模型，在節能的需求下如何實現空氣參數快速調節且準確的維持在設定值附近。又例如在電梯運行控制中，如何控制電動機的轉速，保證電梯運行的平穩定和快速性等。在豐富的工程案例中，使學生帶著問題學習，主動尋找解決方法，積極思索，激發學生的學習興趣，提高工程實踐能力，強化學以致用的思維。

3.2 挖掘教學素材

在專業知識的傳授基礎上，塑造學生的價值觀。深度挖掘課程中的思政元素，踐行立德樹人的培養模式。將每個章節中專業知識與思政元素有機結合在一起，促進知識和價值的雙重引領。

教學案例設計如下：

3.2.1 基礎理論部分

該部分主要是講解控制理論的發展以及基本的概念，自動控制是脫離了人工控制，自動實現某種規律運行的方式。在實現過程中有由簡單到復雜，從最初的開環控制，到經典的反饋控制，以及復合控制的實現。在控制方式的改進中，體現出發展的觀點，尤其是反饋控制，將輸出的效應加入控制的調整中。這就指導我們用發展的眼光看待問題，不能固化思想，一成不變，刻舟求劍。在生活中無論做什么事情，要時刻關注結果的輸出，如果效果不理想，及時調整方案。老師在教學過程中，要多關注學生的接受程度，及時調整授課方法和進度。對學生而言，引導學生用聯系和發展的觀點來規劃自己的人生，遇到挫折不放棄，發現問題及時調整思路，改變策略。

3.2.2 系統建模

該部分的內容主要是通過分析控制對象的特征和原理，建立相應的數學模型。建模的目的就是剖開現象分析其中蘊含的原理，在分析不同對象的過程中，引導學生總結得出截然不同的系統最終建立起的模型卻是相同的，通過分析模型中各個參數的影響，來指導不同的系統的設計。通過舉例，驗證不同的系統建立相同的模型，進而凸顯馬克思原理中善于抓住核心問題，分析主要矛盾，圍繞事物的本質特征，分析一般規律。例如：彈簧控制系統和RLC 振蕩電路，從表面看是兩個完全不同的系統，但分析原理建立起的模型都是二階控制系統。以實際案例來啟發學生在生活中不要被林林總總的現象迷失雙眼，善于剖開現象分析事物的本質，總結一般規律。在學習中要善于舉一反三，對于核心知識點要掌握牢固。

3.2.3 時域分析

該部分的內容主要是在直觀的時間域中，評估系統的各項性能指標。系統最首要的性能指標就是穩定性，在這個基礎上，爭取更快更準確。穩定性、快速性、準確性，這三個指標之間卻相互制約相互矛盾。例如：如果過度追求響應速度，則準確性就無法保證。過度關注穩定性，系統的反應過程就會過長。通過二階系統在階躍信號作用下不同阻尼比的響應曲線，系統的綜合性能最優的狀態下，得出最佳阻尼比。這就啟發我們在做事情的時候需要綜合考慮影響因素，達到一個最優解的狀態。對教師的啟發，教學時適當增加作業的難度會激發學生的學習動力，但是如果難度過大，就會抑制學生的熱情。對學生，引導學生把握“度”的概念，綜合分析各種影響因素，不能過度追求單項指標，合理的安排自己的學習和娛樂，使自己的狀態達到優化的狀態。

3.2.4 頻域分析

該部分的內容主要是在正弦信號作用下，分析頻率范圍從0-∞變化下系統的性能特征，該部分的圖形和公式比較復雜。為了在有限的坐標段內，更多表達出曲線的特征，科學家伯德積極探索，對坐標軸進行變換，運用半對數坐標系。將線性坐標軸變換為以對數刻度的橫坐標，實現了坐標軸10 倍頻程的拓展，進而在有限的圖幅上既能展現低頻段、中頻段的頻率特征，也能呈現出高頻段的特性。這部分的教學啟發我們通往成功的路徑不是唯一的，在做事情的時候要發散思維，發揮主觀能動性，另辟蹊徑。引導學生積極思索，激發創新創業的精神，樹立民族自信心，樹立“中國制造”向“中國創造”的飛躍的信念和決心。

4 教學評價

教學評價過程中，除了采用多元評價、過程性評價外，為了提高學生學習的積極性，加強課程的趣味性，增加了開放性的評價元素，以小論文[4]的形式呈現，主題不限，可以是自控領域杰出科學家的事跡、自控最新的技術發展、智能制造紀錄片等，內容必須跟本課程相關，需體現自動控制的工程應用以及所蘊含的科學道理，或者是自身學習過程中的感悟。本課程最終的考核方式采用期末（占比50%）、平時成績（占比30%，包括考勤，課堂表現，小組匯報，作業）、實驗分析（占比15%）、思政元素（5%，小論文）、加分項目（0-10 分，學科競賽的參與度和成果）。

5 結語

針對建筑電氣與智能化專業的“自動控制原理”這門專業基礎課程，教學過程秉承“夠用”的原則，將經典的控制內容分為基礎理論、系統建模、時域分析、頻域分析四個模塊。在授課過程中，重點突出專業特色，注重與工程應用背景相結合和工程應用案例的滲透，以建筑中的控制系統的典型案例來引入和闡述相關的控制概念和實現方法。深入挖掘教學素材和課程中的思政元素，注重學生知識和價值的雙重培養。采用多種教學手段，使學生積極參與到教學中。改革考核方式，多元評價相結合，注重過程考核。