基于現(xiàn)代信息技術(shù)的《自動控制原理》課程思政建設(shè)

肖理慶

（淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 安徽淮南 232038）

積極響應(yīng)教育部號召，國內(nèi)各高校教師積極開展課程思政建設(shè)[1-3]。為了解決學(xué)生目前以及今后學(xué)習(xí)、工作中可能遇到的問題和困惑，強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，在深入挖掘《自動控制原理》課程思政元素的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于《自動控制原理》課程思政建設(shè)中，效果理想。

一、《自動控制原理》課程思政元素

授課教師通過深入梳理《自動控制原理》課程的教學(xué)內(nèi)容[4-7]，挖掘了課程思政元素，主要包括：

很多學(xué)生在計算控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)時，經(jīng)常忽視對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。授課教師首先向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：涉及控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的計算必須首先判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。然后授課教師教育學(xué)生：對個人而言，“德”是做人做事的根本；判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法主要包括：勞斯判據(jù)、繪制控制系統(tǒng)根軌跡以及頻域穩(wěn)定判據(jù)。在講解三種不同方法時，授課教師首先向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：在應(yīng)用中具體采用哪種方法判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況。其次授課教師教育學(xué)生不應(yīng)該盲目跟風(fēng)考研，而應(yīng)結(jié)合自己的實(shí)際情況，就業(yè)和創(chuàng)業(yè)也會有很好的發(fā)展和前途。最后以控制系統(tǒng)閉環(huán)特征方程D(s)=0.125s5+s4+3s3+7s2+6s+2=0時為例，講授由中國學(xué)者提出的謝緒愷判據(jù)，并通過對比，明確其優(yōu)點(diǎn)。

在講解利用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念計算高階系統(tǒng)時域性能指標(biāo)時，授課教師首先按照課程教材所述的方法計算高階系統(tǒng)時域性能指標(biāo)，然后通過MATLAB仿真軟件編程顯示原高階系統(tǒng)與按照課程教材所述方法得到的降階系統(tǒng)在單位階躍輸入信號下的響應(yīng)曲線，如圖1(a)所示，進(jìn)而指出課程教材的錯誤之處，再講解在利用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念計算高階系統(tǒng)時域性能指標(biāo)時的正確方法及注意事項(xiàng)，并通過MATLAB仿真軟件編程驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，如圖1(b)所示。

圖1 控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

最后授課教師教育學(xué)生：在求學(xué)和工作的過程中必須嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)，“盡信書不如無書”，要敢于質(zhì)疑，并要求學(xué)生課后找出并糾正由廠家提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書存在的錯誤；在講解幅值裕度h和相角裕度γ的計算方法時，以GK(s)=6/[s(0.2s+1)(0.5s+1)]為例，授課教師首先演示采用近似估算的方法求得：控制系統(tǒng)的幅值裕度h為0.86（小于1）、相角裕度γ為-4.90°（小于0°），進(jìn)而根據(jù)所學(xué)知識得到“此控制系統(tǒng)不穩(wěn)定”的錯誤結(jié)論。然后分別通過列寫勞斯表、利用牛頓-拉夫遜算法和待定系數(shù)法求得控制系統(tǒng)全部特征根，得到“此控制系統(tǒng)穩(wěn)定”的正確結(jié)論。最后授課教師教育學(xué)生：在今后的學(xué)習(xí)和工作中一定要精確計算、精益求精，否則將“差之毫厘，謬以千里”。

二、基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的《自動控制原理》課程思政建設(shè)

在所主持的2018年安徽省級課程類建設(shè)項(xiàng)目——《自動控制原理》大規(guī)模在線開放課程示范項(xiàng)目的資助下，筆者按問題組織了《自動控制原理》課程不同知識點(diǎn)，錄制了慕課視頻并在安徽省網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)中心平臺上線。截止2020年11月08日，《自動控制原理》大規(guī)模在線開放課程教學(xué)環(huán)節(jié)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，其中學(xué)習(xí)總?cè)藬?shù)包括淮南師范學(xué)院學(xué)生、其他高校學(xué)生及社會人士。

表1 《自動控制原理》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)

課程累計訪問量公告次數(shù)教師發(fā)帖數(shù)教師討論數(shù)課程總發(fā)帖數(shù)互動討論參與人次測驗(yàn)和作業(yè)參與人次考試參與人次72653 56 68 1054 290 4219 24795 690 31465 64 59 1735 339 4390 13080 376

在所錄制的慕課視頻中，有機(jī)融入了授課教師挖掘的上述《自動控制原理》課程思政元素；在課程互動部分，首先由授課教師提出問題，然后學(xué)生回答，最后由授課教師針對有錯誤的回答一一回帖糾正，如圖2(a)所示；在課程公告部分，除了公布線上學(xué)習(xí)進(jìn)度要求、隨機(jī)專題測驗(yàn)的時間、內(nèi)容與密碼外，授課教師不定期推薦學(xué)生觀看有利于培養(yǎng)其精益求精的大國工匠精神的視頻，如圖2(b)所示。

圖2 《自動控制原理》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中課程互動與公告部分

三、基于《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件的課程思政建設(shè)

為了強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生分工合作、取長補(bǔ)短的意識，基于MATLAB獨(dú)立研發(fā)了《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件，如圖3所示。

圖3 《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件

《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件的主界面如圖3(a)所示，由查看學(xué)生《自動控制原理》先修課程期末考試成績、基于改進(jìn)遺傳算法《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配、查看《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配結(jié)果以及查看《自動控制原理》課外拓展要求四部分構(gòu)成。

首先通過查看學(xué)生《自動控制原理》各先修課程的期末考試成績，確定其權(quán)重，并在基于改進(jìn)遺傳算法《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配界面中輸入改進(jìn)遺傳算法參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可以式(1)為算法適應(yīng)度函數(shù)，利用改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配，如圖3(b)所示。

式中：n為《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組總數(shù)；m為《自動控制原理》先修課程數(shù)目(m=7)；αj為第j門《自動控制原理》先修課程期末考試成績的權(quán)重；βij為第i個學(xué)習(xí)小組全體成員第j門《自動控制原理》先修課程的期末考試成績最高分；ε為非常小的正數(shù)。

在《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件中，默認(rèn)每組3名成員。當(dāng)班級學(xué)生總數(shù)N不是3的倍數(shù)時，將學(xué)生《自動控制原理》各先修課程的期末考試成績代入式(2)，所得的值最大（或者最大以及次最大）對應(yīng)的學(xué)生暫不參與分組。待其他學(xué)生分組結(jié)束后，將其增加至按式(3)計算所得的值最小（或者最小以及次最小）對應(yīng)的學(xué)習(xí)小組中。

式中：ηkj為第k位同學(xué)第j門《自動控制原理》先修課程的期末考試成績。

點(diǎn)擊“查看改進(jìn)遺傳算法收斂曲線”按鈕，可查看改進(jìn)遺傳算法收斂曲線，如圖3(c)所示。在查看《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配結(jié)果界面中，如果不輸入學(xué)生學(xué)號，而直接點(diǎn)擊“確定”按鈕，軟件將每隔5秒動態(tài)顯示每組學(xué)生學(xué)號、姓名、頭像以及隨機(jī)分配的課外拓展題目，如圖3(d)所示。如果輸入學(xué)生學(xué)號，軟件將顯示對應(yīng)學(xué)生姓名及其所在學(xué)習(xí)小組成員的全部學(xué)號、姓名、頭像以及課外拓展題目，如圖3(e)所示。點(diǎn)擊“查看《自動控制原理》課外拓展要求”按鈕，可查看《自動控制原理》課外拓展要求，如圖3(f)所示。

四、基于《自動控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件的課程思政建設(shè)

“反饋”不僅是自動控制領(lǐng)域中兩大主題之一，而且屬于控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征之一。為了使學(xué)生親身體會“反饋”，并將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)和今后工作中，授課教師基于MATLAB獨(dú)立研發(fā)了《自動控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件，如圖4所示。

圖4 《自動控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件

《自動控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件主界面如圖4(a)所示，由根據(jù)關(guān)鍵詞搜索查詢《自動控制原理》課程知識點(diǎn)編號、根據(jù)《自動控制原理》課程知識點(diǎn)編號輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動控制原理》智慧教學(xué)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動控制原理》智慧測驗(yàn)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動控制原理》闖關(guān)游戲軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑以及根據(jù)《自動控制原理》期末考試軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑六部分構(gòu)成[8]。

在根據(jù)關(guān)鍵詞搜索查詢《自動控制原理》課程知識點(diǎn)編號界面中，輸入關(guān)鍵詞之后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可顯示對應(yīng)的《自動控制原理》課程知識點(diǎn)及其編號，如圖4(b)所示。

在根據(jù)《自動控制原理》課程知識點(diǎn)編號輔導(dǎo)答疑界面中，輸入課程知識點(diǎn)編號后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可顯示對應(yīng)內(nèi)容（采取圖片形式），并通過聲音進(jìn)行詳細(xì)講解。如果聽完之后仍不明白，可點(diǎn)擊“重復(fù)一遍”按鈕，如圖4(c)所示。

在根據(jù)《自動控制原理》智慧教學(xué)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動控制原理》智慧測驗(yàn)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動控制原理》闖關(guān)游戲軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑以及根據(jù)《自動控制原理》期末考試軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑界面中，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可根據(jù)反饋結(jié)果按順序顯示課程知識點(diǎn)編號及其對應(yīng)內(nèi)容（采取圖片形式），并通過聲音進(jìn)行講解。如果聽完之后仍不明白，可點(diǎn)擊“重復(fù)一遍”按鈕，否則點(diǎn)擊“明白”按鈕，軟件將在反饋結(jié)果中自動刪除此課程知識點(diǎn)相應(yīng)的信息。點(diǎn)擊“下一個”按鈕，便可進(jìn)行下一個知識點(diǎn)的輔導(dǎo)答疑，如圖4(d)-圖4(g)所示。

《自動控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件有利于學(xué)生加深對“反饋”的理解，并將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)和今后工作中，從而不斷提高自己、完善自己。

五、結(jié)語

為了強(qiáng)化學(xué)生的工程倫理教育，在深入挖掘《自動控制原理》課程思政元素的基礎(chǔ)上，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中慕課視頻、課程互動、課程公告以及基于MATLAB獨(dú)立研發(fā)的《自動控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件與輔導(dǎo)答疑軟件，進(jìn)行《自動控制原理》課程思政建設(shè)，充分發(fā)揮了《自動控制原理》課程的育人作用，解決了學(xué)生目前以及今后學(xué)習(xí)、工作中可能遇到的問題和困惑。