新工科背景下“自動控制原理”實例教學方法探索

潘琪 馮寶 徐龍 李靜 李歐迅

[摘 要] 新工科背景下傳統工科課程的教學方法必須改進。“自動控制原理”是自動化專業的核心基礎課，該課程理論性強，學習難度較大。介紹了以單擺模型為例講解多個核心知識的實例教學過程，旨在闡述如何在教學設計過程中挑選優秀實例，將理論與實際應用緊密結合講授。實例教學不僅能夠讓學生更好地掌握課程知識，還能提高學生利用理論知識解決實際問題的能力，激發學生對課程的興趣，提高人才培養質量。

[關鍵詞] 新工科;自動控制原理;實例教學;自動化;單擺

[基金項目] 2019年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“新工科視域下地方院校自動化類專業工程創新人才培養模式研究與實踐”（2019JGA337）;2019年度廣西高等教育教學改革工程項目基金“‘新工科理念下工程管理本科專業創新人才OBE+CDIO培養模式的研究與實踐”（2019JGA333）;2018年度桂林航天工業學院教育教學改革項目（2018JB02）

[作者簡介] 潘 琪（1991—），男，湖北黃岡人，碩士，桂林航天工業學院電子信息與自動化學院專任教師，主要從事機器人運動規劃方面的研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）25-0104-04? ?[收稿日期] 2020-10-30

一、引言

2017年，教育部高等教育司發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，希望各地高校開展新工科的研究和實踐活動，從而深化工程教育改革，推進新工科的建設與發展。新工科建設對工程科技人才提出了更高要求，相比于傳統的工科人才，新工科人才的定義為工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才[1]。為了更好地培養新工科應用型工程科技人才，不能完全沿用以前的工科教育模式，教學方法必須改進。

“自動控制原理”課程是自動化專業的核心基礎課。自動控制技術在任何工程和科學領域都是必不可少的。在宇宙飛船、機器人系統、現代制造系統，以及包括溫度、壓力、濕度、流量在內的任何工業操作中，自動控制都是其重要的組成部分[2] （P1-2）。因此，“自動控制原理”也是測控、電氣、機械、能源等工科專業的必修課程。該課程的特點是概念多、抽象，理論分析和數學計算比重大[3]，學習難度較大;所以，要特別注意教學方法的改進，否則會讓學生認為是在學習一門數學課，無法從繁雜的推導中跳出，將理論與實踐聯系起來，喪失對課程的興趣。因此，在授課過程中尤其要注意將理論與實際相結合，多結合生活生產中的實例講解。同時要善于利用多媒體、仿真軟件等工具，在課堂上將實例通過視頻、動畫、仿真的形式展現給學生。這樣不僅能夠讓學生更好地掌握課程知識，還能提高學生利用理論知識解決實際問題的能力，激發學生對課程的興趣。

二、課程的現狀分析

我校自動化專業畢業生的就業區域主要分布在廣西壯族自治區和珠三角地區，就業崗位相對集中在工業控制、裝備與系統集成、電子信息等行業，這些行業需要的是能夠把成熟的技術和理論應用到實際的生產、生活中的技術技能型人才。本課程是我校自動化相關專業最重要的專業基礎課，在應用型人才培養中具有關鍵作用。

我專業依據應用型本科院校人才培養目標和學生的實際情況，多次研討專業人才培養方案和教學計劃，將自動控制原理的教學學時設置為80個學時;其中理論60學時，實驗20學時，課時較多且實驗課時所占比重大。選用的教材為程鵬主編，高等教育出版社出版的《自動控制原理》第二版。在授課內容上，主要講述經典控制理論，闡述自動控制系統的基本概念和自動控制系統分析、設計、校正的基本方法，是進一步學習和掌握“現代控制理論”“計算機控制系統”“工業過程控制”等后續控制類課程的基礎，在課程體系中占據核心地位。

“自動控制原理”課程內容中包含機械、電子、流體、熱力等各類系統數學模型的推導，控制的本質是微分方程的求解和分析，使用的基本數學工具為拉普拉斯變換，所以涉及較多的高等數學、復變函數與積分變換、大學物理、電路分析等理論知識，理論推導繁雜，系統框圖設計復雜。

“自動控制原理”教材中控制系統建模部分的內容非常重要，因為經典控制理論是基于模型的控制，必須先建立控制系統的數學模型，才能分析和控制系統。自動控制技術應用于各行各業，所以各類教材選取了來自不同領域的實際系統進行建模，例如RLC無源網絡、m-K-f機械平移系統、他勵直流電機等。這些實例大多比較陳舊，有的模型還比較復雜，學生掌握起來較為困難。經典控制理論研究的是傳遞函數模型，傳統的理論教學及實驗教學通常用傳遞函數來表示某個系統，基于傳遞函數表達式去設計、分析和校正系統，很少從某個實際系統出發去設計控制器、校正器，觀察在實際系統上的控制效果，嚴重脫離工程實踐。學生經常陷入復雜的理論推導中，興致不高，難以體會到理論知識在實際中的應用，甚至認為這門課沒有用處，課堂教學氣氛不夠活躍，難以保證授課質量。因此，結合優秀的實例講授課程對提高上課質量非常重要。

三、“自動控制原理”實例教學實踐

實例教學是以應用案例為教學素材，通過典型實例的講解，使理論具體化，同時引導學生利用所學理論解析案例，使理論和實踐有機結合，能快速提升學生解決實際問題能力的方法[4]。實例教學的重點是挑選優秀的實例。筆者認為，優秀的實例應該具備如下幾個特征：（1）能充分說明知識點，這是使用實例教學法的目的，也是最基本要求;（2）難度不大，學生容易掌握，不會產生畏懼心理，愿意聽，能聽懂;（3）學生很感興趣;（4）一個實例可用于多個知識點的講解。

筆者在“控制系統的數學模型”一章的第一次課中結合單擺系統模型講授了如下內容。

（一）控制系統微分方程的建立