金課建設背景下“自動控制原理”課程教學改革與實踐研究

田雪虹，劉海濤

（廣東海洋大學 機械工程學院，廣東 湛江 524088）

2018 年6 月教育部陳寶生部長第一次提出了“金課”概念。11 月24 日教育部高等教育司司長吳巖作了“建設中國金課”的報告。通過金課的建設，結合工程教育專業(yè)認證體系“以學生為中心，以成果為導向，持續(xù)改進”的理念要求，充分發(fā)揮專業(yè)核心課程在人才培養(yǎng)中的重要作用，提高學生的專業(yè)素質和人才質量。

1 自動控制原理課程的內容及特點

控制論既是廣義的系統(tǒng)動力學，又是唯物辯證法的方法論的一門學科，它對啟迪和發(fā)展人的思維有很大的作用[1]。自動控制原理是機械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，該課程主要講述經典控制論的相關內容，如何從動力學角度認識和理解事物發(fā)展變化的本質屬性及其動態(tài)過程。該課程以傳遞函數為數學工具，研究單輸入單輸出的自動控制系統(tǒng)。課程的主要內容包括：系統(tǒng)數學模型的建立、系統(tǒng)的時間響應分析、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定、系統(tǒng)的性能指標及校正以及線性離散系統(tǒng)初步。研究的問題主要包括系統(tǒng)動態(tài)模型的建立，求出傳遞函數，根據二階欠阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應，推導出系統(tǒng)快速性能指標（上升時間tr、峰值時間tp和調整時間ts）和平穩(wěn)性能指標（最大超調量Mp和振蕩次數N）；根據對控制系統(tǒng)的基本要求要求（穩(wěn)、快、準）和系統(tǒng)的性能指標，判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定并滿足系統(tǒng)給定的性能指標要求，如果系統(tǒng)不滿足要求，通過改變系統(tǒng)的參數或者是加入某種裝置，對系統(tǒng)進行校正，使?jié)M足系統(tǒng)預定的性能指標要求[2-3]。自動控制原理課程的特點是涉及的專業(yè)知識面廣，理論性和應用性強，內容抽象。例如建立系統(tǒng)動態(tài)數學模型和求系統(tǒng)傳遞函數要用到高等數學、電工學、大學物理、理論力學、材料力學以及拉普拉斯變換等基礎知識。

2 “自動控制原理”課程教學過程存在的問題

2.1 教學模式單一

自動控制原理課程的理論性強。傳統(tǒng)的教學模式是大多數老師利用多媒體播放課件的形式教學，老師是教學活動的主體，學生被動的填鴨式接受知識，學生跟著老師的思路，整個教學過程中，學生缺乏獨立思考問題、缺乏學習的主動性，缺乏課堂互動，課堂死氣沉沉，枯燥無味，很難激發(fā)學生的學習興趣，學生不能將所學的理論知識應用到實際的工程應用中，不能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[4-5]。

2.2 重理論輕實驗

課程實驗是課程的重要組成部分，做好實驗，掌握實驗技能，可以培養(yǎng)科學思維能力和動手能力，也是學好本課程的主要手段之一。但是目前很多高校還是以理論教學為主，實驗課時很少或基本沒有，如果有也僅僅是利用Matlab 做簡單的仿真實驗，不能充分發(fā)揮學生的思維能力和動手能力，不能用實驗解決復雜的實際工程問題。

2.3 教學內容有待優(yōu)化

“金課”要求適當增加課程的難度和擴大課程知識的深度，自動控制原理教學內容與金課要求以及“以學生為中心，培養(yǎng)學生解決復雜實際工程問題能力”的理念相差甚遠。自動控制原理主要涉及經典控制論的內容，通過本課程的學習使學生掌握“系統(tǒng)”的概念，并學會從動力學角度分析和設計問題。但隨著人工智能技術的發(fā)展和社會的進步，被控對象越來越復雜，需要學生掌握和應用更多的理論知識，對復雜的控制對象進行分析和設計，基于上述原因，課程內容亟需優(yōu)化。

2.4 課程思政教育挖掘不深入

如何充分發(fā)揮專業(yè)課程中課程思政元素的作用，引導學生具有正確的世界觀、人生觀、價值觀極為重要。但是課程思政必須結合課程內容教學，以“潤物細無聲”的方式將課程內容的思政資源內涵延伸至專業(yè)知識，做到科學性與價值性、知識性與思想性的辯證統(tǒng)一。同時應以案例式、實證式的形式將專業(yè)知識中的思政資源具體化，而不是抽象的說教式輸出。因此，自動控制原理課程中的思政元素挖掘不夠具體。

2.5 考核方式單一

目前，很多高校課程采用傳統(tǒng)考核方法：總成績＝平時成績（包括考勤、作業(yè)、實驗）占30%+期末考試占70%。這樣終結考試（期末考試）基本上就決定了學生的最終成績，導致部分學生遲到、早退、曠課，應付作業(yè)抄襲作業(yè)現(xiàn)象嚴重，他們認為，考前集中復習，臨陣“磨刀”也能有個不錯的成績，不利于學生對所學知識掌握，也不利于學生的身心發(fā)展。

3 “自動控制原理”課程教學改革與實踐

3.1 教學模式的改革

“自動控制原理”是一門理論性很強的核心專業(yè)課程，理論知識學生不容易理解和掌握，本課程使用多種教學方法，加深學生對知識的理解和掌握，如講授法、案例法、課堂討論法以及項目驅動法。在講解控制系統(tǒng)分類時——根據系統(tǒng)有無反饋分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，先講授反饋、開環(huán)和閉環(huán)的概念，接著以教室里的風扇和空調為案例進行分析，分別屬于哪種控制系統(tǒng)，然后讓學生尋找生活中開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的案例，加深學生對反饋、開環(huán)和閉環(huán)等基本概念的理解。在講解特征根和自由響應的關系時，運用前置課程所學的內容，分組討論特征根分布情況對自由響應的影響，并得出結論，課堂討論法增加了學生學習的主動性和積極性，培養(yǎng)了學生的思考能力。在講解校正相關內容時，以自動生產線的改造項目為依托，對原系統(tǒng)的控制器進行優(yōu)化升級，培養(yǎng)學生分析問題和解決實際問題的能力。

3.2 重視實驗教學

實驗是人們認識客觀世界最重要的手段之一。認真做好實驗，掌握實驗技能，可以培養(yǎng)科學思維能力和動手能力。自動控制原理課程理論性較強又與實際工程問題緊密結合，這就要求學生在學習過程中重視實驗環(huán)節(jié)。實驗操作不僅能加深對理論知識的理解還能提高學生的動手能力。例如操作控制系統(tǒng)及校正實驗時，先建立仿真模型系統(tǒng)，先將控制器設為比例控制器，K 取不同的值，觀察輸出波形；再將控制器設為比例積分控制器，把積分環(huán)節(jié)的時間取定值，改變比例環(huán)節(jié)K 的參數，觀察對應的輸出波形的變化，可以直觀看出參數的變化對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能的影響。把學科競賽引入課程教學[6]，鼓勵學生積極參加控制類相關的競賽，如智能小車避障賽、機器人與人工智能賽和智能機器人創(chuàng)意大賽等，讓學生把所學知識靈活運用到實踐中，真正做到學以致用。學生參加學科競賽獲國家級二等獎1 項，三等獎3 項。

3.3 優(yōu)化教學內容

“自動控制原理”課程安排50 學時，學時少，內容多，僅僅利用有限課堂學時學生很難把相關知識學懂、學透，這就需要對課程內容進行優(yōu)化。將課程內容分為低階（記憶和簡單理解）和高階（分析和應用），對低階的知識點線上學生自學完成，對于高階的知識點，如典型案例分析，老師線下講解。課后活動即收集反饋信息，學生對于線上不能理解的知識點，通過平臺反饋給老師，根據反饋情況，老師線上或線下講解，形成閉環(huán)，有利于教學的持續(xù)改進，提高教學質量。課程內容分解如圖1 所示。

圖1 課程內容分解

3.4 課程思政融入課堂

課程思政由于專業(yè)不同、課程不同，專業(yè)課引入的方式和方法也不相同。自動控制原理融入課程幫助學生形成正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養(yǎng)學生的愛國主義、勇于攀登的科學精神，增強民族自信心和自豪感。如講解自動控制原理緒論時，講述中國近年來自動化技術在航空、航天、交通和智能制造領域的發(fā)展和應用，使學生對控制學科有更深入的認識和了解，培養(yǎng)學生的專業(yè)自信心；講解控制論的發(fā)展史內容時引入中國的科學家燕肅、張衡、蘇頌、錢學森使學生了解科學家的事跡、貢獻以及中國是一個發(fā)明創(chuàng)造的國度，增強學生民族自豪感，培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新、科技報國思想；講解系統(tǒng)三頻段論時，不同的頻段映射出人生不同階段的奮斗目標等等。將課程思政潤物細無聲的融入課堂，學生不僅學到了專業(yè)知識，又培養(yǎng)了學生的愛國主義精神，達到了專業(yè)知識與思想政治理論同向同行的效果。

3.5 多元化考核方式

傳統(tǒng)的考核方式，期末考試所占比例重，忽視了過程性考核，不能全面考查學生對知識的點掌握程度，不能全面、客觀的評價學生的成績。參考工程教育專業(yè)認證的考核方式，調整了考核評價機制，提高平時成績的比重，重視過程考核，增加課堂討論、章節(jié)測試、課堂測試以及大作業(yè)等評價學生的綜合運用能力，調動學生學習的主動性和積極性，有利于培養(yǎng)學生分析實際復雜工程問題和解決復雜實際工程問題的能力[7]。

4 結語

金課背景下為培養(yǎng)新工科時代具有分析問題和解決實際復雜工程問題能力的人才，結合工程教育理念對自動控制原理課程的教學方法、實驗教學、課程內容、課程考核方式等方面進行了分析和研究，提出了使用多種教學方法、重視實驗教學、優(yōu)化課程內容以及多樣化的考核方式等改革措施，重視過程考核，調動了學生學習的主動性和積極性，提高了學生的職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐等綜合能力[8]，提高了教學質量，為培養(yǎng)新工科背景下的應用型人才提供了有力的保障。