工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下“自動控制原理”課程教學(xué)方法探索

摘 要 自動控制原理是控制學(xué)科的核心基礎(chǔ)課程，在自動化等專業(yè)的課程體系中起著極為重要的作用。針對目前課程中存在的課程內(nèi)容多、難度大，學(xué)生基礎(chǔ)與需求不統(tǒng)一，課程內(nèi)容缺乏實(shí)踐和創(chuàng)新等問題，文章從工程教育專業(yè)認(rèn)證背景出發(fā)，結(jié)合新時(shí)代、新環(huán)境和新工科理念，從多層次立體教學(xué)、改善教學(xué)方法、改革課程設(shè)計(jì)和加強(qiáng)反饋迭代等方面，對自動控制原理課程教學(xué)方法進(jìn)行了探索性改革。

關(guān)鍵詞 自動控制原理；工程認(rèn)證；產(chǎn)出導(dǎo)向；持續(xù)改進(jìn)

中圖分類號：G424 " """""""""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A """DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.15.035

Teaching Exploration of Automatic Control Principle under the Professional

Certification of Engineering Education

WANG Yuxiao， ZHAO Yuyu， LI Zongshuai

（Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300）

Abstract The principle of automatic control is the core foundational course of the control discipline and is extremely important in the curriculum system of this field. At present， there are problems in the curriculum， such as a large amount of content， high difficulty， inconsistent student foundation， and a lack of practical and innovative content. Based on the professional certification of engineering education， combined with the new era， new environment， and new engineering concepts， we have explored the reform of teaching methods for the course of automatic control principles in multi-level and three-dimensional teaching， improved teaching methods， and reformed course design and evaluation methods.

Keywords automatic control principle; engineering certification; output oriented; continuous improvement

自動控制原理課程是控制學(xué)科最重要的基礎(chǔ)課程之一[1]。課程以高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路分析等先導(dǎo)課程為基礎(chǔ)，講述自動控制的基本概念與基本理論、控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，旨在使學(xué)生理解基本的控制框架，掌握基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法。課程對學(xué)生理論知識的掌握、理論與實(shí)踐結(jié)合的能力和解決工程中基本控制問題的能力提出了要求。同時(shí)，課程所提供的基礎(chǔ)專業(yè)知識也為該領(lǐng)域后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

工程教育專業(yè)認(rèn)證是對高校專業(yè)教育質(zhì)量的一種保障和考核制度，旨在實(shí)現(xiàn)國際上的工程教育互認(rèn)和工程師資格標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心就是要確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價(jià)。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念囊括了三大方面：學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)，即OBE（Outcomes-based Education）教育理念[2]。目前全球科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)勞動密集型產(chǎn)業(yè)在向新興產(chǎn)業(yè)包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域轉(zhuǎn)化[3-4]，計(jì)算機(jī)、深度學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)也在不斷更新，給控制學(xué)科的發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來了巨大的支撐動力。近些年來，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等相結(jié)合的新控制理論層出不窮，使得控制學(xué)科發(fā)展迅速，知識體系更新頻繁，同時(shí)也給自動控制原理的課程建設(shè)增加了新的困難與挑戰(zhàn)。在此新環(huán)境下，如何幫助學(xué)生構(gòu)建基礎(chǔ)知識體系，強(qiáng)化其對復(fù)雜工程問題的分析能力，也是迫切需要思考解決的難點(diǎn)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，通常以“教”為主，而對學(xué)生的“學(xué)”不夠重視。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，需要站在學(xué)生的視角，以學(xué)生需求為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，引導(dǎo)教學(xué)方法的設(shè)計(jì)和教學(xué)活動的實(shí)施[5]。將學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出目標(biāo)放在核心位置，反向設(shè)計(jì)教學(xué)過程，并貫徹落實(shí)到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，最終與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，形成產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)閉環(huán)課程建設(shè)體系。

本文從工程認(rèn)證OBE理念出發(fā)，首先分析了目前課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法所存在的問題與不足，結(jié)合學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)三大方面，探索實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性與積極性調(diào)動、工程能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，以提升自動控制原理課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 "教學(xué)改革的必要性

1.1 "課程內(nèi)容多且難度大

本課程目前選用教材為胡壽松主編的《自動控制原理》（第七版）[6]。該書分為十個(gè)章節(jié)，總頁數(shù)高達(dá)630余頁。內(nèi)容量巨大，知識點(diǎn)較多。所學(xué)內(nèi)容與先導(dǎo)課程聯(lián)系緊密，知識點(diǎn)囊括基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、電學(xué)等多領(lǐng)域內(nèi)容，學(xué)習(xí)難度較大。因課程內(nèi)容晦澀難懂，內(nèi)容又多，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，一部分學(xué)生選擇放棄聽課，等待期末突擊刷題，形成惡性循環(huán)。

1.2 "學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)目標(biāo)不同

課程所面向的學(xué)生在大學(xué)一、二年級階段已學(xué)習(xí)大部分?jǐn)?shù)學(xué)和物理領(lǐng)域的課程，如高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路分析等相關(guān)課程，但成績和掌握程度參差不齊，因此在學(xué)習(xí)自控原理課程時(shí)，理解能力和接受能力不一致。此外學(xué)生的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)也不盡相同，以電氣專業(yè)某班學(xué)生為例，一部分學(xué)生主方向還是電類課程，控制理論僅僅需要掌握基本知識和方法即可，不需要深入學(xué)習(xí)；而另一部分學(xué)生想在控制學(xué)科繼續(xù)深造研究生，因此需要更深入地掌握自動控制原理課程的知識。

1.3 "理論抽象并與實(shí)踐脫節(jié)

自動控制原理所學(xué)內(nèi)容和知識點(diǎn)大多會涉及較為抽象的數(shù)學(xué)推導(dǎo)或應(yīng)用，會脫離實(shí)際具象物理場景而上升到抽象理論層面。以第五章線性系統(tǒng)的頻率分析法為例，該章節(jié)從對穩(wěn)定系統(tǒng)輸入不同頻率的正弦信號入手，最終以繪制奈氏曲線和波特圖的形式展現(xiàn)系統(tǒng)的頻率特性，知識點(diǎn)極為抽象，數(shù)學(xué)運(yùn)算較復(fù)雜。學(xué)生在學(xué)完課程后記憶點(diǎn)只有頻率特性如何算、如何畫，卻已經(jīng)不記得為何畫、如何用，這與課程教學(xué)目標(biāo)嚴(yán)重不符。課程理論程度深、研究跨度大、與實(shí)際問題聯(lián)系弱，以及實(shí)踐環(huán)節(jié)的缺失使得學(xué)生的學(xué)習(xí)僅停留在應(yīng)試層面，難以從實(shí)際問題出發(fā)，也難以回歸到解決實(shí)際問題。

1.4 "缺乏內(nèi)容更新

自動控制原理的內(nèi)容多為對單輸入單輸出定常系統(tǒng)的研究，理論可靠性高。但隨著數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，如今涌現(xiàn)了許多更加先進(jìn)、適用范圍更廣的控制理論。如自抗擾控制、滑模控制，以及與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)結(jié)合的智能控制理論等。這些先進(jìn)的控制理論與經(jīng)典控制關(guān)系密切，但自動控制原理課程內(nèi)容在發(fā)展的過程中并沒有與當(dāng)前控制領(lǐng)域和信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)結(jié)合，整體內(nèi)容相對陳舊。這會使學(xué)生誤以為該課程內(nèi)容已經(jīng)過時(shí)，與新方法新技術(shù)無關(guān)，失去學(xué)習(xí)的興趣和動力。

2 "工程認(rèn)證背景下的教學(xué)方法改革探索

2.1 "多層次立體化教學(xué)

2.1.1 "豐富教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在工程認(rèn)證教育理念下，必須改革教學(xué)思維和方法，采用多層次、立體多樣化的教學(xué)模式和手段（如圖1所示），在夯實(shí)學(xué)生專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生的思維能力。在教學(xué)資源上除了傳統(tǒng)課堂教學(xué)外，還應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，讓學(xué)生多維度地接受知識，形成立體的知識體系。此外，還可以利用翻轉(zhuǎn)課堂、實(shí)踐環(huán)節(jié)等，提高學(xué)生的課堂參與度。教師可開展線上和線下答疑，對有興趣拓展的學(xué)生進(jìn)行課外指導(dǎo)，同時(shí)建立學(xué)習(xí)小組，利用小組競賽等方式激勵(lì)學(xué)生討論互助，真正做到“一體化教學(xué)”。

圖1 立體化教學(xué)結(jié)構(gòu)

2.1.2 "多層次管理，因材施教

學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，學(xué)習(xí)目標(biāo)也不盡相同，因此統(tǒng)一的授課和管理方式難以適應(yīng)不同程度的學(xué)生。應(yīng)采取多層次教學(xué)和管理模式，將課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)必學(xué)部分、進(jìn)階選學(xué)部分和高階探索部分，如圖2（p111）所示。教學(xué)模式下相應(yīng)的過程學(xué)習(xí)任務(wù)也分為基礎(chǔ)必做作業(yè)和探索選做作業(yè)。這樣用多層次管理模式開展彈性教學(xué)，最大程度上讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生都能找到適合自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏。對于想要進(jìn)一步在控制方向上深造的學(xué)生，采取自學(xué)探索為主、教師引導(dǎo)解答為輔的方式，不耽誤班級整體課時(shí)，統(tǒng)一了主體教學(xué)進(jìn)度，不給低需求學(xué)生造成額外負(fù)擔(dān)的同時(shí)，給予高需求學(xué)生更多的學(xué)習(xí)空間。

圖2 多層次管理教學(xué)模式

2.2 "問題主導(dǎo)，靶向回歸

2.2.1 "問題指引，加強(qiáng)實(shí)踐

對于理工科學(xué)生，培養(yǎng)其工程和解決問題的思維是重中之重。因此在課程教授中，教師需要緊緊圍繞實(shí)際問題，以工程中的實(shí)際問題為引，盡量代入物理場景。以PID控制設(shè)計(jì)為例，教師教學(xué)中不應(yīng)只在傳遞函數(shù)等數(shù)學(xué)層面分析，可以用車速控制、熱水器溫度控制等常見的生活場景來幫助學(xué)生去理解控制思想，使得理論分析建立在解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)上，避免學(xué)生停留在應(yīng)試層面，而無法將知識和實(shí)際聯(lián)系起來。在保障課程大綱實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，在理論課講授中增設(shè)實(shí)驗(yàn)演示和互動環(huán)節(jié)。以控制系統(tǒng)校正章節(jié)講授為例，教師借助Matlab搭建控制系統(tǒng)模型，對控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。另外為學(xué)生布置仿真實(shí)踐作業(yè)，使學(xué)生對所學(xué)知識形成實(shí)踐反饋，加強(qiáng)學(xué)生的理論理解深度。

2.2.2 "學(xué)生中心，鼓勵(lì)探索

信息化時(shí)代，單一的教師授課方式已經(jīng)不能很好地達(dá)成課程目標(biāo)。要充分利用學(xué)生的積極性和自主能動性，讓學(xué)生不只是知識的接受者，還是知識的探索者和發(fā)現(xiàn)者。因此在教學(xué)中要將課堂重心從以教師為中心轉(zhuǎn)換到以學(xué)生為中心，鼓勵(lì)學(xué)生積極發(fā)現(xiàn)生活或科研小項(xiàng)目中的實(shí)際工程問題，積極探索和設(shè)計(jì)解決方案。教師可以在課堂上定期組織學(xué)生將自己探索的成果進(jìn)行交流和“PK”，讓學(xué)生真正感到“學(xué)有所成”，利用積極、正面的學(xué)習(xí)反饋體驗(yàn)來激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，建立教師和學(xué)生“教學(xué)相長”的新式一體化教學(xué)課堂。

2.3 "反饋迭代，持續(xù)改進(jìn)

2.3.1 "重視課堂反饋，及時(shí)調(diào)整

時(shí)代在前進(jìn)，學(xué)生在更替，一成不變的教學(xué)方式無法永久滿足課程目標(biāo)，課程建設(shè)一定是在改革中發(fā)展的。因此課程建設(shè)必須要重視教學(xué)質(zhì)量反饋，建立閉環(huán)的課程反饋體系，從而及時(shí)地作出相應(yīng)的改革和調(diào)整。首先，要及時(shí)采集課堂反饋，采用師生交互或課后問卷的方式，獲得學(xué)生視角的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整課程內(nèi)容，保證教學(xué)質(zhì)量。獲取學(xué)生視角下的課程難點(diǎn)以及知識盲區(qū)，有針對性地解決教學(xué)中存在的問題，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

2.3.2 "結(jié)合課程目標(biāo)達(dá)成度，反向指導(dǎo)課程改革

合理分析課程考核結(jié)果和評教結(jié)果，建立課程反饋體系閉環(huán)。通過分析學(xué)生各個(gè)考核環(huán)節(jié)的成績、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成情況，以及反饋的教師評價(jià)內(nèi)容，反向指導(dǎo)課程改革。課程教學(xué)大綱通過大綱制訂、審核、結(jié)果反饋、提出改進(jìn)措施、完善大綱、再審核的循環(huán)機(jī)制，不斷完善課程教學(xué)大綱，明確課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求觀測點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容和方法、考核環(huán)節(jié)等內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系，保證課程教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程考核、畢業(yè)要求的一致性，從而確保課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

3 "結(jié)語

自動控制原理是控制學(xué)科的核心專業(yè)課程，在信息化背景下，高校應(yīng)改革傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程教學(xué)來適應(yīng)新技術(shù)、新發(fā)展。本文分析了自動控制原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以工程認(rèn)證理念為指引，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)、課程評價(jià)等方面對教學(xué)方法改革作出了一些探索。本文提出的方法改進(jìn)了目前自動控制原理課程教學(xué)中的一些短缺與不足，使得課程教學(xué)緊密圍繞學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，滿足新時(shí)代國家對工科人才培養(yǎng)的需求。

*通訊作者：趙昱宇

基金項(xiàng)目：2022年中國民航大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下自動化專業(yè)學(xué)生非技術(shù)能力培養(yǎng)探索與實(shí)踐”（CAUC-2022-C2-025）。

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