“自動控制原理”教學改革發展動向

摘 要：“自動控制原理”作為機械電子工程、電氣工程及其自動化、機器人工程等工科專業的重要專業基礎課程，主要包括控制系統數學建模、針對脈沖與階躍指令的時域響應分析、針對正弦與余弦指令的頻域響應分析、控制系統校正等方面的內容，對培養學生解決復雜工程問題有非常重要的作用。本文針對近幾年來關于“自動控制原理”課程方面的教學研究與改革做了深入的調研和分析，并結合當前社會科技、文化等方面的發展情況對后續此課程在教學方法、教學資源、沉浸式學習、課程思政建設、課程圖譜建設、考核評價等方面改革的發展動向給出了相應的預判，以期為此課程的教學探索與改革起到拋磚引玉的作用。

關鍵詞：自動控制原理；控制工程；教學改革；發展動向

1 概述

“自動控制原理”作為機械電子工程、電氣工程及其自動化、機器人工程等工科專業的重要專業基礎課程，主要講授控制系統數學建模、針對脈沖與階躍指令的時域響應分析、針對正弦與余弦指令的頻域響應分析、控制系統校正等方面的內容。為了提高學生在控制系統工程方面的能力，大量文獻針對本課程從課程教學內容、實驗教學內容、教學方式、考評方法等方面進行了研究與改革探索。從國內發展階段來看，我國已走到了民族復興的關鍵時間節點，國家綜合實力邁上了嶄新的臺階。從生產力表現形式來看，新的物質生產力在信息化、智能化條件下形成，關鍵性技術突破成為生產力增長的重要源泉。因此，當前形勢對自動控制工程方面的人才提出了越來越高的要求，亟須開展適應當前形勢或迎接未來新形勢的“自動控制原理”教學改革。

2 研究現狀

參考文獻［1］針對課程中的時域響應分析、頻域響應分析等基礎理論知識采用實驗室已有的小型實驗箱進行驗證；針對課程中的根軌跡分析、校正分析等較為復雜的理論知識采用基于MATLAB軟件進行仿真分析實驗；此外，為了提升學生的綜合能力，結合現實中的典型物理系統如磁懸浮、倒立擺、飛行控制等半實物仿真實驗平臺開展了控制方面的設計、調試與分析實驗。在教學內容改革方面，參考文獻［2］結合與日常生活緊密相關的倒立擺、磁盤驅動控制系統等易于理解的工程案例庫，進行了控制對象的數學建模、響應分析及系統校正等貫穿全課程內容的講解，以此激發學生的興趣。同時，結合學科發展前沿、科研技術成果、工程應用與實踐等內容，開發更多易于理解的工程案例。為了落實立德樹人根本任務，通過將思政元素與課程內容密切相結合，建立了相應的課程思政庫，從而培養學生愛國愛家的情懷。通過錄制課程視頻，開展線上學習資源建設。課堂上以學生為中心，以問題為引導，引導學生主動去解決問題；課后對學生的作業練習進行總結、解答，從而實現線上、線下混合式的教學模式。在實踐方面，帶領學生搭建水溫控制、液位控制等小型控制系統，提高其專業方面的技能，促使理論與工程實踐的緊密結合。為了不僅強調課程基礎知識的理解與掌握，而且注重應用、分析和創新等綜合能力的培養，參考文獻［3］將課程最終考核成績設置為考試卷面成績、模擬實驗成績與仿真實驗成績的加權和，根據課程目標達成度的評價方法形成了課程目標的達成度，通過深度分析對提高教師的教學質量以及學生的學習效果具有重要的指導意義。參考文獻［4］通過積分控制啟發學生學習歷史先驗知識總結經驗，從而指導行動、厚積薄發，達到收斂與穩定的最終效果；通過微分環節啟發學生做事要有長遠的規劃才能夠行穩致遠；通過比例—積分—微分控制啟發學生在團隊工作中要團結協作并發揮各自的優勢才有利于提高最終的工作效果。為了將課程各部分相關內容緊密聯系起來并且激發學生的發散思維能力，參考文獻［5］針對控制系統的穩定性分析，結合Hurwitz系統穩定性判據、Routh系統穩定性判據、根軌跡法、Nyquist系統穩定性判據以及對數頻率系統穩定性判據等方法開展了一題多解的教學方法研究。針對本課程的重點內容，參考文獻［6］對其進行分類、歸納進而提煉出核心關鍵詞并構建網狀思維圖，同時根據這些關鍵詞選擇或創建恰當的教學視頻資源，并將其共享到網絡平臺中供學生使用，之后通過持續更新并結合任務導向、多樣化考核教學方式提升最終的教學效果。這種線上教學方式不僅使提供的學習資源更加有條理，而且使學生的學習過程更加有邏輯。參考文獻［7］結合自身高校在石油與石化方面的特色，以石油與石化應用中的自動化控制系統為背景，依托新工科、新理論、新方法、新思政，結合課程基礎內容，將這些領域的前沿發展、前沿成果融入教學內容中，同時將這些領域內典型的石油化工儲存罐液位控制案例融合到課程講授中，對整個系統進行數學建模、響應分析與校正等，進一步提高課程內容質量。參考文獻［8］以慣性導航系統領域廣泛用于仿真與測試的測試轉臺裝備為例，結合線上與線下混合教學等模式開展本課程控制器設計與分析方面內容的講授，同時結合相關的卡脖子技術，進一步引導學生關注國家科技，從而培養其愛國愛家的情懷。參考文獻［9］通過MATLAB軟件中的GUI模塊開發了本課程中時域/頻域分析、根軌跡法、系統校正等典型控制內容實驗，這種方式不僅操作簡單、便于演示，而且有助于提高學生解決工程難題的素養。參考文獻［10］基于經典的Outcome Based Education教育理念，以學生的學習成果為導向，綜合考慮專業培養目標和社會實際需求，開展注重知識、能力與素養等方面高端人才的培養。參考文獻［11］依托于實際的科研項目，以永磁同步伺服電機作為被控制的對象，結合MATLAB軟件開發了一套用于課程實驗教學的實物驗證平臺，可用于系統數學模型建立、控制器設計、響應性能分析等方面的實驗。為了實現虛擬與現實的沉浸式體驗，參考文獻［12］建立了一個可同時用于課堂教學和虛擬仿真功能的實驗平臺，可實現多媒體教學課件展示、課堂實時測試、教學實時評價及意見反饋、數字仿真、三維虛擬控制對象仿真等功能。參考文獻［13］通過對歷年大學生創新創業競賽方面的優秀作品進行評估，篩選出一系列與本課程內容與目標密切相關的典型教學案例，包括多自由度機械臂運動控制、小車位置與速度控制、鍋爐溫度控制、反應器過程控制等，對培養具有創新與實踐能力的人才具有重要的推動作用。參考文獻［14］以STM32硬件控制旋轉倒立擺為例開展了本課程實驗教學，此方法不僅使學生學習到了本課程的知識，而且拓展了控制器硬件方面的知識，還有助于學生理解控制理論知識如何在實際對象中實現，對提升學生解決復雜工程難題有重要意義。

3 發展動向

經上述調研分析可知，教師們針對本課程做出了一些非常重要的探索，并取得了一定的教學效果。當前本課程教學改革主要朝著以下方向發展。

3.1 有效教學方法

恰當教學方法的選取和運用，能有效地調動學生的積極性，引導他們主動地去探究和獲取新知識，加深對新知識的理解和掌握，有利于培養學生的創新意識，直接決定著課程教學目標的實現以及良好的教學效果。當前，本課程主要采用啟發式、案例式、課堂翻轉式、項目教學式等教學方法，隨著社會的發展和本課程內容的更新迭代，需要進一步研究先進有效的教學方法。

3.2 先進教學資源

綜合開發與利用現代教學資源，不僅可以提高教學效果，而且可以增加教學效能。當前，教師們已通過國內知名視頻網站等教學資源建立了包括課件、視頻、課堂測試、課后作業等內容的學習資源，并進行了本課程的講授。如何根據不同課程內容的特點充分利用好各自教育平臺、遠程教學、網絡資源等教學資源的優勢，對各類教學資源進行靈活選配，從而進一步拓展教育學習資源的路徑，以滿足各類學生的學習特點和學習興趣，實現教學效能的最優化值得進一步探索。

3.3 沉浸式學習

沉浸式學習是一種注重以學生為中心，通過營造良好的學習情境和利用有效技術手段來提升學生體驗的學習方式。這種方式能夠提供近乎真實的學習環境，使學生能夠身臨其境地感受和體驗學習內容，具有交互性、真實性和多感官刺激等特點。當前，本課程主要通過搭建虛擬仿真平臺以及半實物仿真平臺給學生提供相應的沉浸式學習體驗的情境，如何通過創造真實情境并利用多媒體資源支持提供其他先進有效的沉浸式學習體驗情境并將其貫穿到整個課程內容的學習中，對學生提高學習興趣與積極性、加深記憶與理解、培養實踐能力和團隊協作能力等具有重要的作用。

3.4 課程思政建設

課程思政是一種將思政元素包括思政教育理論知識、價值理念及精神追求等融入本課程中的教育理念，此理念強調全員、全程、全課程育人格局，以期春風化雨地對學生的思想意識、行為舉止等產生積極影響，實現立德樹人的教育目標。當前，教師們針對這門課挖掘了很多思政元素，尤其是結合自身高校的背景整理了很多案例，并將其運用到課程教學中。同時，我們還要結合學生的成長背景以及當前的時事熱點不斷更新當前的思政案例庫，還應積極關注學生個體的日常生活，融合其當前的人生遭際和心靈困惑，有意識地回應其在學習、生活、社會交往和實踐中所遇到的真實問題和困惑，真正觸及他們的心靈，改變其認知與實踐，從而對他們產生積極的影響。

3.5 知識圖譜建設

知識圖譜，即知識域可視化或知識領域映射地圖，是通過可視化技術表達知識資源及其相應的載體，可圖形化展示知識發展進程與結構關系。通過將本課程與圖形學、人工智能、應用數學、信息可視化等多學科相融合，挖掘、分析并構建知識及其錯綜復雜的關系，從而可視化地展示本課程的核心結構、發展歷史、前沿領域及整體知識架構的圖譜。通過本課程知識圖譜的建設，人工或自動地梳理課程內容并抽取課程知識點，建立知識點和知識點之間的關系網絡結構，關聯知識點和課程資源而形成課程內容之間的結構化、可視化成果。知識圖譜通過對課程內容進行精煉、歸納，將會對課程教學產生重大的推動作用，尤其是對于線上教育，教師們可以基于知識點的掌握情況對每個學生進行個性化教育，規劃學習路徑并展示學情狀況，從而做到千人千教。

3.6 多元化評價

當前，本課程的考核評價主要基于平時作業、期末考試成績和實驗成績等，這種評價方式傾向于結果而對過程關注較少，并且缺乏對其他教學環節的有效評價，難以適應本課程培養具有解決復雜工程問題能力的人才的目標，因此亟須構建多元化的考核評價體系。同時，應關注學生的平時學情狀況、能力提升指數、團隊協作、多方面評價以及價值觀等因素，建立多維度、全方位的評價考核機制。此外，還需要對學生的學情進行及時分析，以便對課程教學進行動態調整，還有助于對課程教學質量的持續改進。

結語

通過對“自動控制原理”課程教學方面的探索與改革進行深入的分析與總結，預判了當前本課程需要進一步研究先進有效的教學方法，需要綜合開發與利用好各類教學資源與教學平臺，需要提供先進有效的沉浸式學習體驗情境并將其貫穿到整個課程內容的學習中，在挖掘各類思政元素的同時還需要關注學生在日常生活中所遇到的各類問題與困惑并對其產生積極的影響，需要加強課程知識圖譜方面的建設以及建立多元化的考核評價方式。尤其是近年來隨著低空經濟、具身智能機器人等產業的快速發展，支撐這些產業發展的重要基礎課——“自動控制原理”也應當與時俱進。

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教改項目：南京工業大學2023年度教育教學改革研究項目——機械控制工程沉浸式教學研究（項目編號：20230126）

作者簡介：楊貴超（1989— ），男，漢族，河南南陽人，博士研究生，副教授，研究方向：機電液伺服控制。