基于新工科理念的自動控制原理課程教學改革與實踐

摘" 要" 針對目前自動控制原理課程教學中存在的問題和不足，從課程內容、教學方式、實踐環節、考核方式、課程思政、課程自主學習資源等方面進行改革，采取相應的措施，經過近幾年教學實踐，取得一定的成效，學生的創新能力和工程實踐能力得以提高，畢業生普遍受到就業單位好評。

關鍵詞" 新工科；自動控制原理；教學改革；課程思政；工程實踐能力；混合式教學

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）14-0089-03

0" 引言

2017年以來，教育部提出新工科建設的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，旨在應對新一輪科技革命和產業變革所面臨的新機遇、新挑戰，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，在世界新一輪工程教育改革中發揮全球影響力，由此形成的新工科理念開始廣為人知。新工科建設的當務之急在于培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，這使得新興工科專業的建設和傳統工科專業的更新升級紛紛被提上日程。新興工科專業目前普遍著眼于人工智能、物聯網、大數據和智能制造等前沿技術進行課程設置，而傳統工科專業的更新升級除了引入部分新工科課程外，對傳統工科課程的全面改革是無法回避的核心問題。這種改革不是對課程的簡單調整或擴容，而是要打造具有高階性、創新性和挑戰度（“兩性一度”），能體現行業標準和企業需要的精品工科課程，并采取校企合作、多元協同的方式進行課程建設。

本文以自動控制原理課程為切入點，該課程是傳統電氣信息類專業一門重要的專業基礎課程，也是智能制造工程、機器人工程等新興工科專業的核心課程之一。該課程理論性較強，抽象概念多，公式推導和計算過程相對復雜，難以理解和掌握，在傳統課堂中普遍存在教學手段單調、教學內容與工程實踐脫鉤等問題。因此，按照新工科理念對人才培養的需求，工程教育認證的要求以及一流課程“兩性一度”的標準，對該課程開展教學改革與實踐勢在必行。

1" 課程教學中存在的主要問題

1.1" 教學內容理論性強，與工程實際結合不夠緊密

傳統課程教材普遍存在重理論、輕實踐的問題，即為了學生清晰理解自動控制的基本理論和解題方法，強調自控理論中的數學推導而弱化實際控制問題的建模分析。在如今物聯網、大數據、智能制造等高新技術快速發展的形勢下，被控對象具備更高的復雜度和綜合性，控制過程實現網絡化和智能化，難以直接獲取傳遞函數形式的系統模型，這使得課程教學內容與工程實際的結合不夠緊密，存在一定的滯后性[1]。

1.2" 教學方式以教師為中心

大多數課程教師仍然采用以教師為中心的傳統教學方式，這種教學方式固然有其易于開展的優越性，但本質上仍屬于單方面的信息復制與傳輸，不易調動學生學習積極性，從而影響課堂教學效果。另外，多數采用此種教學方式的教師教學內容固定化、模式化，從而減少學生對課程內容主動提出問題、進行發散思維和互動討論的機會，在一定程度上影響學生對課程知識的深入理解。

1.3" 實踐環節對學生能力的培養有限

目前開展的課程實驗以基于專用實驗箱的驗證性實驗為主，對MATLAB等系統仿真軟件的教學與應用的重視程度不夠。學生往往只是機械地根據實驗指導書對所學的部分理論知識進行簡單驗證，缺乏對相關問題的比較分析和深入思考，對系統分析與設計能力的培養有限，且不利于創新性和發散性思維的培養。

1.4" 考核方式考查能力過于單一

本課程的考核方式一般以筆試為主，普遍側重考核學生對基礎理論和控制系統分析能力的掌握程度，較少涉及實際工程案例中系統設計方面的內容。這就往往會導致學生采用刷題的方法應對考核，偏向解題思路的歸納和強化記憶，無法有效考查學生的實際應用能力和工程實踐能力，與新工科理念不相符。

1.5" 缺乏有效的課程思政融入

作為傳統工科專業的基礎課程，自動控制原理的課程內容僅包含自然科學理論知識，不包含人文社會知識，給課程思政的融入帶來挑戰。由于部分教師對課程思政缺乏足夠的重視，實際課程教學中往往缺乏思政內容或只有較少的案例、時政層面的思政內容，難以承擔起育人育德、激勵學生踐行社會主義核心價值觀的重要任務。

1.6" 課程自主學習資源不夠契合

在當前形勢下，由“線上自主學習+線下課堂教學”組成的線上線下混合式教學模式已經是一種新常態。除課程直播外，課程教師一般會給學生提供網絡上已有的慕課、微課等教學資源用于線上自主學習，未能提供基于線下教學內容深度定制的課程自主學習資源。現有的網絡教學資源雖然方便獲取，但是無法保證教學內容和思路與線下課程教學的契合度，不利于學生結合線下課程教學內容進行自主學習[2]。

2" 課程教學改革與實踐

2.1" 課程教學改革與實踐核心思路

依托工程教育理念，貼合新工科發展方向，以培養創新應用復合型人才為目標，優化課程教學內容及課程目標，改進傳統課程教學方式，拓寬實踐教學環節，完善以過程性考核為主的考核方式，深度融入課程思政內容，建設課程自主學習資源，從而提高自動控制原理課程的系統性、工程性、實踐性、高階性、創新性與挑戰度，培養學生工程實踐能力、創新思維和發散思維能力、分析解決復雜問題能力、團隊協作能力等各方面能力。

2.2" 課程教學改革與實踐措施

針對目前課程教學中存在的主要問題，提出以下六大改革措施。

2.2.1" 優化課程教學內容與課程目標

對課程教學知識體系進行模塊化整合，適當淡化推導和證明，著重講述與控制領域學科前沿密切相關的方法、理論和示例；增加來自實際工程項目的案例，將案例的各個重要環節對應每個章節知識點，與相應理論結合進行分析。例如，通過“神舟十五號宇宙飛船發射”教學視頻講解控制系統穩定性[3]，通過“工業機器人控制”教學視頻講解控制系統的開環與閉環控制方式。教學內容在基礎知識點的基礎上加入智能控制、智能制造等新興技術的討論與學習，并及時進行充實更新，以適應新工科發展的需要。

課程目標是整個教學大綱的核心，是衡量課程教學產出的具體指標，支撐著畢業要求的達成，應該緊密圍繞課程目標進行課程教學內容、學習活動和考核方式的設計[4]。自動控制原理課程經過優化的總體課程目標為：通過自動控制理論的學習，培養學生對待專業知識的科學態度，提高科學素質和創新精神，能以科學的方式使用自動控制領域的概念、理論和方法對該領域的復雜工程問題進行研究與分析，并能應用問題分析的結論進行自動控制系統的初步建模、仿真、求解。可以劃分為若干具體可衡量的分目標，對應不同的課程章節、實驗及考核方式。

2.2.2" 改進課程教學方式

改變以教師為中心、以灌輸為主的單一授課方式，綜合運用以學生為中心的線上線下混合式教學模式。例如，研討課可將學生分為6～8人一組，基于教師提供的討論話題，使用學習通、雨課堂等智慧教學手段，在課堂上進行自由討論，最后每組派出一名成員進行討論結果匯報，并由教師點評。或者采用翻轉課堂教學模式，課前要求學生通過教師提供的課程自主學習資源進行線上自主學習；課中讓學生以自由提問、互動討論等形式進行學生之間、師生之間的積極交流與溝通，注重培養學生發現問題和利用所學知識解決問題的能力；課后要求學生對知識及時復習，完成鞏固練習，通過線上或集中答疑方式及時解決疑難問題。這樣的教學方式有助于充分調動學生的學習積極性，激發學生的學習興趣。

2.2.3" 拓寬實踐教學環節

將實驗項目分為若干層次：基于自控基礎理論的驗證性實驗、綜合運用相關理論知識的設計性實驗、基于實際系統或科研成果轉化的綜合研究性實驗。根據實驗項目的不同層次，可將實驗類型分為必修性、選修性和開放性三種類型[5]。對于必修的驗證性實驗，采用現有的控制系統實驗箱結合MATLAB Simulink仿真軟件完成。設計性實驗可采用必修和選修結合的方式，核心內容為必修，拓展內容為選修，二者都可采用硬件設計和軟件設計結合的方式完成。開放性的綜合研究性實驗由合作企業參與命題，學生自由組隊、自主選題，并積極合作完成實踐課題，從而培養學生解決實際問題的能力、團隊合作能力和創新能力。

2.2.4" 完善課程考核方式

強調過程性考核，課程最終成績由過程性考核成績與筆試成績組成，且過程性考核成績占比不低于50%。過程性考核成績包括平時成績、實驗成績和課外研學成績三部分：

1）平時成績主要包括課堂互動、線上MOOC平臺學習情況和課后作業成績等，主要考查學生對課程知識點的掌握情況和自主學習效果；

2）實驗成績需考慮必修和選修實驗的完成情況，基于實驗過程和實驗報告給出成績，主要考查學生控制系統的綜合和設計能力及工程實踐能力；

3）課外研學活動與企業合作完成，學生需要對合作企業給出的工程實際問題設計方案，并分組提交報告，根據設計方案的實用性和創新性進行評分，綜合考查學生的創新能力、團隊合作能力等多種能力。

2.2.5" 深度融入課程思政內容

打造符合新工科需要的融合思政知識反饋的教學模式，即在專業知識的教學環境中，以專業知識閉環為外環，嵌入思政知識反饋閉環[6]，從思想品德修養、愛黨愛國情懷、科學的“三觀”培育、職業素質培養四個方面，將思政元素、思政案例有機融入教學內容，讓學生在深入理解課程內容的同時，激發學生主觀能動性，達成立德樹人的目標。

2.2.6" 建設課程自主學習資源

采用線上線下混合式教學模式，圍繞線下課程內容建設慕課、微課等課程線上自主學習資源，同時加入符合新工科要求的拓展內容，如自動控制領域前沿技術介紹、雙語教學內容等，并通過校園網絡教學平臺、中國大學MOOC平臺、bilibili等網絡視頻平臺發布，方便學生隨時隨地進行自主學習。課程自主學習資源的建設應與線下課程教學內容高度契合，在保證準確性、高效性的基礎上，兼顧趣味性與反饋機制，以提高學生自主學習的積極性和學習效率。

3" 課程教學改革與實踐成效

近年來，通過實施課程教學六個方面的改革舉措，取得以下成效。

1）根據基于工程教育專業認證標準的課程目標達成度評價及問卷調查得知，通過自動控制原理課程學習，大多數學生可以扎實掌握自動控制理論的基礎知識，并能適當了解智能制造等領域的前沿知識，拓展學習的深度和廣度，培養設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，提升工程實踐能力和創新能力。

2）電氣信息類專業結合本課程內容申報的大學生創新訓練項目數目增多。在全國大學生電子設計競賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽等學科競賽中，結合自動控制原理課程內容的獲獎項目數量取得突破。

3）電氣信息類專業畢業生的綜合能力有所提升，考研上線率和就業率不斷攀升，畢業生的綜合素質普遍受到就業單位好評。

4）對其他相關課程的改革與實踐有一定的可借鑒性，對以企業行業技術創新要求為目標的人才知識體系以及創新人才培養新模式的建立起到一定的促進作用。

4" 結束語

根據新工科背景下社會發展對人才的需求，傳統工科課程亟須開展創新性改革。本文以自動控制原理課程為切入點，分析課程現存的主要問題，提出課程改革的幾點措施，并通過課程實踐取得一定的成效，驗證了提出措施的合理性和可行性。今后應進一步深化課程改革，持續改進課程教學的各個環節，不斷提高學生的綜合素質，培養適應新工科發展需求的創新應用復合型人才。

5" 參考文獻

[1] 李艷輝，任偉建，康朝海，等.新工科背景下自動控制原理“金課”建設探索[J].經濟師，2021（6）：194-195，198.

[2] 鄧攀，魏瑋，何嘯峰，等.獨立學院自動控制原理課程的微課開發與應用[J].中國現代教育裝備，2017（9）：57-59.

[3] 金紅嬌，羅時光，齊峰.新工科背景下“自動控制原理”教學改革研究與實踐[J].無線互聯科技，2022，19（6）：163-164.

[4] 劉艷君，陶洪峰，劉成林，等.面向新工科的自動控制原理課程“金課”建設與實踐[J].高教學刊，2023，9（1）：94-96，101.

[5] 楊揚，張清勇.新工科背景下“自動控制原理”實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2021，43（4）：157-160.

[6] 劉婷婷，笪誠，葉松，等.融合思政知識反饋雙閉環教學模式：《自動控制原理》課程思政教學改革探索[J].中國多媒體與網絡教學學報，2020（10）：79-82，85.

*項目來源：教育部2021年第二批產學合作協同育人項目“面向新工科的《自動控制原理》課程改革與建設”（編號：202102211010）。

作者簡介：鄧攀，講師；盛義發，通信作者，博士，教授。