新工科背景下《自動控制原理》課程的教學改革研究

摘?要：為了應對新一輪科技革命和產業革命的挑戰，加快工程教育事業發展，高校正積極探索新的教學方法以提升創新型人才培養質量。本文通過分析高職本科軌道交通信號與控制專業《自動控制原理》課程的教學現狀，針對該課程教學中存在的問題，從整合教學內容、增加MATLAB應用、改進考核體系三個方面出發，研究與新工科建設相適應的教學和人才培養模式。

關鍵詞：自動控制原理;新工科;教學改革

文獻標識碼：A

Abstract：In order to respond to the challenges of the new round of scientific and technological revolution and industrial revolution，and accelerate the development of engineering education career，colleges are actively exploring new teaching methods to improve the quality of innovative personnel training.Based on the analysis of the current teaching situation of the course《Principle of Automatic Control》for the undergraduates majoring in signal and control of rail transit in Higher Vocational College，aiming at the problems existing in the teaching of the course，this paper studies the teaching and personnel training mode required by the construction of new engineering from four aspects：adjusting the teaching targets，updating the teaching contents，optimizing the teaching methods and improving the evaluation system.

Key words：Principle of Automatic Control;new engineering;teaching reform

為推動新時代中國特色社會主義經濟建設，促進經濟轉型升級，政府相繼實施“一帶一路”、“中國制造2025”等重大強國戰略，這對工程領域技術人員的素質和能力提出了更高的要求，對工程教育的改革和發展提出了更新的期望。自動控制技術作為20世紀發展最快、21世紀最重要的高新技術之一，在工業機器人、航空航天、軍事等領域起著關鍵作用，也是智能制造領域的核心技術。自動控制原理作為自動化相關專業的主干課程，闡述了自動控制的共同規律，通過學習該課程使學生具備初步的系統分析和設計能力，為后續課程的學習以及從事相關技術工作奠定基礎。而在《自動控制原理》的教學中，傳統的課堂講授法教學法已不能適應現代教育教學的需要，也無法滿足新工科建設要求，因此改革勢在必行。

一、自動控制原理的教學現狀

《自動控制原理》課程有著理論性強、內容抽象、關聯性強的特點，傳統的課程教學模式強調以書本和黑板為中心，重視數學推導而忽視物理概念，重視純理論內容的介紹而忽視工程應用和對學生能力素質的培養。

（一）教學內容繁多

《自動控制原理》課程從方法論的角度研究了控制系統的建立、分析和設計，其內容包括兩個部分：經典控制理論和現代控制理論。本課程涉及的知識點豐富，既有微分方程的求解、拉普拉斯變換、矩陣分析的數學知識，也有力學、熱學的物理知識，還牽涉電路理論、電機與拖動、模擬電子技術等專業課程的內容，并要求具備一定的數學建模能力和運用綜合知識解決實際問題的能力。由此，該課程信息量大、覆蓋面廣，使學生難以及時吸收所學知識，也影響了教學效果。

（二）教學手段單調

多媒體教學作為現今高校教師主流的教學手段，以其便捷、高效、直觀的特點，為教學改進注入了活力，對教學的輔助作用有目共睹。通過多媒體教學可將冗長的概念、抽象的原理、復雜的計算以簡明扼要、易于接受的形式表現出來。但針對《自動控制原理》這樣理論性較強的課程，對多媒體課件單一教學形式的依賴不僅容易使學生產生疲憊感，也不利于青年教師成長。例如在講到自動控制系統的數學模型時，為了得到系統的傳遞函數，需要將一個實際的物理系統按照物理規律通過構建微分方程、取零初始條件下的拉氏變換的方式過渡到數學系統，從而得到數學模型，對于此部分內容純課件式的講授方式無法集中學生的注意力，不利于他們對知識的理解和掌握。

（三）缺乏實踐環節

實踐教學環節是新工科能力培養的重要環節，對于提高學生實踐能力和創新能力具有重要意義。而在《自動控制原理》課程的教學中，更多的是對于理論的講解，學生感覺內容枯燥乏味，難以激發學習的興趣和動力。同時，理論和實踐相脫節不利于學生深入理解所學知識，也有違應用型本科院校與高職院校聯合辦學初衷。

二、課程改革初探

經過以上論述分析，本文針對在《自動控制原理》課程教學實施過程中存在的問題提出幾點改革建議：

（一）整合教學內容

根據新工科對應用型人才培養的要求，通過研究分析教材和大綱，對《自動控制原理》課程的教學內容進行整合，重視理論內容的實際應用，多講原理少講計算，對于公式的推導證明以及大綱要求了解性的內容不講或略講，對于抽象繁雜的內容可適當降低難度，但注重前后銜接。以此為指導將自動控制原理課程內容分為五大項目模塊。

項目一：自動控制系統概述。包括自動控制系統構成、自動控制系統的相關概念。

項目二：自動控制系統的數學模型。包括如何建立系統的數學模型、系統的傳遞函數、框圖等效變換。

項目三：自動控制系統的性能分析。包括系統的穩態和動態性能分析。

項目四：分析自動控制系統性能常用的方法。包括系統的響應特性。

項目五：校正。包括校正的意義和常用方法的。

在每個項目中設置若干教學任務，幫助學生建立自動控制系統的基本概念，掌握自動控制系統分析、設計（校正）的基本方法。

（二）增加MATLAB應用

將MATLAB軟件與自動控制原理課程相結合，借助于MATLAB語言和Simulink模塊對線性連續控制系統的性能進行編程仿真分析，豐富了課堂教學形式，提高了本課程的實踐性和工程應用價值，使學生掌握一定的計算機輔助分析和設計能力，為今后進一步學習和工作打下良好基礎。下面以一道題為例介紹如何通過MATLAB語言繪制典型二階系統的單位階躍響應曲線。

例1.已知典型二階系統的傳遞函數為G（s）=4s2+s+4，試繪制該二階系統的單位階躍響應曲線。

MATLAB程序如下：

num=4;

den=[1 1 4];

sys=tf（num，den）;%生成傳遞函數模型

step（sys）;%繪制單位階躍響應曲線

title（'單位階躍響應曲線'）;%添加標題

由左圖可知，響應曲線呈現收斂狀態，系統穩定。

（三）改進考核體系

課程考核是人才培養過程中的重要環節，一個完善的教學體系離不開合理、科學的考核方式。我校高職本科軌道交通信號與控制專業《自動控制原理》課程的考核方式以筆試為主，占比情況為筆試成績（70%）+平時成績（30%），針對考試形式單一、考試結構單調的問題，將各項目模塊的MATLAB仿真分析也納入考核體系，不僅考核學生對基本概念和原理的掌握，也檢測他們的實踐能力和運用計算機軟件分析解決問題的能力，調整之后總評成績由筆試成績（60%）+平時成績（20%）+MATLAB仿真分析成績（20%）構成。

三、結語

《自動控制原理》是自動化相關專業承上啟下的一門課程，內容廣泛，有很強的理論性，又同實際應用緊密相連。從多方面研究探索該課程如何通過改革創新激發學生的求知欲、獲得更好的教學成效對于新工科課程建設有著積極的推動作用。

參考文獻：

[1]周磊.MATLAB在自動控制原理教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2010，13.

[2]姜鳴.新工科背景下《自動控制原理》課程改革探索與實踐[J].科學大眾·科學教育，2018，4.

[3]許瑤.淺談項目化教學在高職自控原理課程中的應用[J].求知導刊，2017，12.

作者簡介：沈陸（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：先進控制理論與應用。