新工科背景下農業院校自動控制原理課程教學改革

摘 要： 自動控制原理課程是山西農業大學電氣工程及其自動化、農業電氣化專業的必修課，為后續專業課奠定控制理論基本知識。以新工科背景下對人才培養的交叉型、創新型和實踐型要求為導向，針對農業院校自動控制原理課程教學中存在的不足，重新修訂教學大綱，對該課程的教學內容、教學方式和實踐教學模式進行了一系列教學改革，取得了一些效果，為新工科背景下兄弟院校自動控制原理課程教學改革提供參考。

關鍵詞：新工科；農業院校；自動控制原理；教學改革

中圖分類號：S24;G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0138-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.023

0 引言

自動控制原理課程是山西農業大學電氣工程及其自動化專業、農業電氣化專業的必修課，在培養學生的理論知識能力方面占有重要地位，本課程是銜接電氣工程及其自動化方向的基礎課與專業課之間的紐帶。通過課程講授，使學生掌握自動控制理論的基本原理和應用、控制系統建模方法和分析方法，并初步具備綜合設計與校正簡單控制系統的能力，為后續進行控制理論類課程學習奠定必要的基礎。

2017 年，教育部啟動新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，開拓了工程教育改革新路徑[1-3]。山西農業大學作為全國首批深化創新創業教育改革示范高校，積極推進新工科建設。2019 年10 月，山西農業大學和山西省農業科學院合署改革，成立新的山西農業大學。合署改革以來，學校在專業設置、人才培養模式等方面做出重要改革，切實推動了新工科建設的步伐[3-5]。新工科具有引領性、交融性、創新性、跨界性和發展性等特征，對課程體系、教學內容、教學方式等都提出了新要求，為農業院校電氣工程及其自動化專業、農業電氣化專業的課程教學改革指明了方向[6]。

雖然自動控制原理課程已經調整了部分課程內容和教學方式，但仍存在許多不足。本研究從教學內容、教學方式和實踐教學模式等方面進行了相應的教學改革，使自動控制原理課程符合新工科提出的創新型、多學科交叉型、實踐型培養要求，使學生掌握新工科領域前沿知識、多學科交叉復合知識，具備解決復雜工程問題能力和創新創業能力，為新工科背景下兄弟院校自動控制原理課程教學改革提供參考。

1 教學現狀及存在問題

1.1 教學內容偏理論，學科交叉較少

自動控制原理課程具有理論性強、抽象概念及分析方法多等特點。經典控制理論部分主要講自動控制一般概念、控制系統數學模型、線性系統時域分析法、線性系統根軌跡法、線性系統頻域分析法及自動控制系統設計與校正，課程內容理論性較強，理論推導偏多。自動控制原理課程涉及高等數學、復變函數、電路、模擬電子技術及Matlab 程序設計等多學科知識，受到傳統教學內容和壓縮課時的限制，對于控制理論和電氣工程、農業工程相關學科的結合較少，學科交叉融合未能得到充分體現[7-8]。教學內容缺乏新意，對于自動控制理論在我國國防、現代工業、農業和航天等領域的研究進展講解較少，沒有將控制工程前沿領域知識引入課堂。

1.2 教學方法單一

傳統的自動控制原理課程主要以教師課堂講授為主，通過課堂提問和課后答疑進行互動。盡管近年來通過共享優質在線教育資源，引入了線上線下混合式教學模式，但由于本課程對于學生的數學知識和自然科學知識等預備知識要求較高，學生容易產生畏難情緒，學習主動性欠缺，課堂參與度不高，缺乏廣泛地互動研討，學生學習積極性有待提高。

1.3 實踐教學模式固化

在各高校普遍壓縮課程學時的背景下，自動控制原理課程采用理論教學（38 學時）+實驗教學（10 學時）的培養模式，在培養模式中，重理論、輕實踐的現象依然存在。在教學過程中缺少理論與工程背景相結合，從而導致學生缺乏對工程問題的深入認知。新的教學大綱調整后，盡管每一章后面增設了Matlab/Simulink 仿真驗證環節可以有效地幫助學生對控制理論相關知識有更深入的認識，但僅停留在仿真層面，沒有將工程實踐與控制理論結合起來。在實驗教學中，以驗證性實驗居多，創新性實驗偏少。這種傳統的培養模式，不利于學生對復雜工程問題的理解，也不符合新工科對創新型、實踐型人才的培養要求。如何在有限的學時內讓學生掌握自動控制基礎知識和相關技能、具備設計控制系統的能力是本課程的核心教學任務，是教學改革的主要目標。

2 教學改革措施

2.1 修訂教學大綱

以新工科為背景，以培養交叉型、創新型和實踐型人才為目標，將課程思政融入教學中，從山西農業大學電氣工程及自動化專業最新人才培養目標和畢業要求出發，結合課程專業特點綜合考慮，明確本課程所支撐的畢業要求指標點，據此確定本課程的4 個培養目標[9]。課程目標對畢業要求的支撐矩陣如表1 所示。在此基礎上，確定課堂教學內容、實驗內容、教學策略及課程教學目標達成考核評價方式，從而完成教學大綱的修訂。

2.2 教學內容改革

以新工科為契機，根據新的教學大綱，對教學內容進行整合、梳理、更新。對原教學內容進行梳理，以系統建模、系統分析、系統設計和系統應用為主線，將經典控制理論部分整合為自動控制系統基本概念、控制系統數學模型、線性系統時域分析法、線性系統根軌跡法、線性系統頻域分析方法和線性系統校正方法6 大塊內容。深入挖掘思政元素，將思政教育貫穿全程。通過不同時期我國自動控制理論發展的典型人物和案例，引導學生思考、體會我國在自動控制領域取得的成就，深刻體會到專業知識的應用與專業發展前景，樹立努力學習、科技報國的理想。通過“穩定性”的概念，引導學生意識到現在的幸福生活得益于社會穩定，從而啟發學生身體力行，從我做起，為班級、社會穩定做出自己的貢獻[10]。

針對各個章節內容，增加該領域的最新研究進展，將專業領域前沿知識帶進課堂，激發學生的學習興趣。在反饋控制部分，添加神州十六號載人飛船與火箭成功分離，進入預定軌道與空間站組合體對接；無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行；人造衛星準確進入預定軌道并回收；現代化生產流水線上的裝配機器人將零件精確安裝等[11]。在控制系統數學模型部分，添加智能電網控制系統，將電路、復變函數、數學和物理知識綜合起來，體現多學科交叉融合的特點。在控制系統分析與設計校正部分，添加溫室小氣候監測與控制系統，如圖1 所示，將農業工程與電氣工程交叉融合，科研融入教學。

2.3 教學方式改革

新工科專業要求注重提高學生的學習興趣、參與度、學習效果和能力的培養，在原有的教師課堂板書講授的基礎上，充分利用現代化智慧教室的優勢，開展多樣化的教學方式改革[6]。

（1）開展案例式教學。自動控制原理課程具有較強的抽象性和理論性，為了幫助學生更好地掌握自動控制的基本理論和分析設計方法，為今后從事自動化領域應用打下堅實的基礎，針對學生考研和就業的不同需求，將團隊教師的科研項目融入教學案例設計，典型案例教學設計如圖2 所示。

（2）小組合作學習。將學生分為若干小組，每組布置一道包含多個知識點的綜合性題目，學生課下通過查閱文獻、軟件建模完成，課堂選派一名代表上臺展示，據此打分作為學生平時成績的一部分。如給出一個實際控制系統，要求設計校正裝置，使系統滿足一定的性能指標（相角裕度、穩態誤差、截止頻率等）。學生需要查閱資料對控制系統建模，選擇校正裝置，計算性能指標等，還要使用Matlab/Simulink 軟件對校正前后進行仿真對比。這個過程將復雜工程問題逐層分解，運用不同的學科知識來解決，既提高了學生的學習參與度，又體現了新工科多學科交叉融合的特征，提升了學生解決復雜問題的能力。

（3）混合式教學。新工科人才培養面臨嚴重的自動控制原理等專業課程課時不足問題，通過在學習通平臺建課，由團隊教師主講，建立精品課程資源，將線上教學和線下教學作為互相補充的兩個部分，形成課前預習、課中認真聽課、課后復習的培養模式。一方面通過線上學習提高課堂教學的效率，將經典控制理論的25 個知識點通過課程團隊教師研討在學習通平臺建課，提前發布教學資源，以此作為學生課前預習課后復習的參考。另一方面，線下課堂集中講授，更加形象直觀地突出強調重點和難點，能進一步加深學生對自動控制原理基礎知識的掌握，有助于培養學生用自動控制知識解決工程復雜問題能力。

2.4 實踐教學模式改革

為了適應新工科背景下人才培養實踐性的要求，有效培養學生解決復雜工程問題的能力，提高學生的創新創業能力，對原有的自動控制實踐教學模式進行了創新。①打破原有實驗教學模式，在完成原有驗證性實驗的基礎上，增加設計性、創新性和綜合性實驗。在人才培養方案的修訂中，增設自動控制原理課程設計環節。②鼓勵學生參加學科競賽，如數學建模大賽、全國大學生電子設計競賽、大學生工程實踐與創新能力大賽。理論聯系實際，以賽促學，開展實踐能力、應用能力和專業素養的培養[6]。③通過與國網山西電力太谷分公司、平遙減速器廠、中國一拖集團合作，建立了產學研實踐平臺，為新工科人才培養提供了有利條件。帶領學生參觀企業實驗室，邀請企業一線工程師講解，并鼓勵學生參與解決企業實際工程問題。

3 實踐效果

新工科背景下，對自動控制原理課程進行教學改革以來，取得了一系列教學成果。近3 年來，農業電氣化專業獲批山西省高校一流專業建設點，自動控制原理課程獲批校級一流本科課程，擬申報省級一流精品課程。團隊教師獲批省級教改項目3 項，校級教改項目1 項。學生學習積極性和主動性都有了較大提升，課堂參與度高，對知識點的掌握牢固，考試不及格率低，能靈活地運用自動控制理論的知識解決電氣工程、農業工程領域相關問題。近3 年的教學成果數據統計，學生參加“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生數學建模競賽、全國大學生電子設計競賽、中國無人機與機器人應用大賽及中國大學生工程實踐與創新能力大賽等多項競賽活動并獲得優異成績。2021 屆學生考研升學率34.00%；2022 屆學生考研升學率27.59%，就業率近90%；2023 屆學生考研升學率21%，就業率79%。學生畢業大多赴國家電網或電力工程相關企業工作，成為電力行業的技術骨干。

4 結束語

本研究以新工科背景下對人才培養的需求為導向，針對農業院校自動控制原理課程教學中存在的不足，重新修訂教學大綱，對本課程的教學內容、教學方式、實踐教學模式進行了教學改革探究。構建了具有前沿性、多學科交叉融合的教學內容，開展了多樣化教學方式，激發了學生學習興趣，提高了學生學習積極性和主動性。構建了新的實踐教學模式，提高了學生分析與解決復雜工程問題能力、實踐能力和創新創業能力，增加了實踐育人水平，為新工科背景下兄弟院校自動控制原理課程教學改革提供參考。

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