應用型本科院校“自動控制理論”教改探索

鮑樂平

(太原工業學院 自動化系, 太原 030008)

“自動控制理論”是機電控制類專業學生的一門重要的基礎課程。學好該課程對學生今后進行相關專業的學習和從事相關工作的研究都有著非常重要的意義。

根據社會對應用型本科院校人才培養目標要求和教育部高等學校自動化專業教學指導分委會的指導意見，我院自動化專業培養目標是“培養德、智、體、美全面發展，素質、能力、知識協調統一，在控制理論、控制系統、生產過程自動化等領域具有寬廣理論基礎和相關專門知識，獲得自動化工程師基本專業技能和工程實踐訓練，具有較強解決實際工程問題能力的，具有創新和開拓精神的高級工程技術應用型人才。畢業生能在工業企業或科研院所等部門作為一線工程師從事有關過程控制、運動控制、自動化儀表和設備、智能監控系統、智能建筑、智能交通、物聯網等方面的工程設計、技術開發、系統運行管理與維護的工作。”

從上述我院自動化專業培養目標，結合“自動控制理論”課程的教學要求，可以看出該課程在整個自動化專業培養人才過程中所應有的重要性，也就是說應用型本科院校“自動控制理論”課程所應達到的要求——掌握寬廣的理論基礎、獲得基本的專業技能和工程實踐訓練、具有較強的解決實際工程問題的能力。

筆者認為，自動化專業培養目標對于應用型本科院校“自動控制理論”的教學要求，不是在應用的背景下降低了該課程的教學要求，而是在對于基本理論知識的教學要求不變的前提下，從應用的層面來說，提出了更高的要求。即除了要求學生掌握必備的基礎理論知識外，更重要的是要求學生通過學習“自動控制理論”獲得一定的專業技能和工程實踐訓練，具備較強的工程實際問題的解決能力。

如何適應新形勢下社會對應用型本科院校的新要求，如何適應現代企業對應用性人才的需求，這對于“自動控制理論”課程的教學改革提出了新的要求。

1 “自動控制理論”教學存在的問題

在教學過程中，我們發現，相當一部分學生對于“自動控制理論”知識的理解和掌握有一定難度,是學生普遍認為難學的課程。總結原因如下：

“自動控制理論”應用背景廣泛、內容多、學科的交叉性、理論性、綜合性都很強。涉及機械、電路等很多學科知識，還涉及到復雜的數學知識，比如 Laplace變換，Z變換等，要求學生具備較好的數學基礎。此外，當前“自動控制理論”課時減少，但原有的教學內容并沒有刪減，導致教師對于教學內容處理不好。除了上述原因，由于高校擴招，導致我校這類二本學校生源質量整體有所下降。學生的特點是基礎較薄弱，學習習慣不好，學習積極性、主觀能動性不高。一些學生對于不懂的問題，不會及時主動去解決。這些都是導致該課程讓學生感到難學的原因。

2 “自動控制理論”課程教學改革

針對當前國家對于應用型技術人才培養要求，結合我院學生在學習該課程中存在的問題。我們在吸收國內外先進教育理念及教學實踐的基礎上，積極探索適合應用型本科院校特點的改革研究[1]。在本院自動化專業進行“自動控制理論”課程教學改革中，做了一些嘗試性和創造性的工作。遵循“應用的理論、理論的應用” 這一具有應用型本科院校特色的教育理念，將其始終貫徹到課堂理論教學和延伸到課外實踐教學活動之中，在課外實踐教學中實施項目教學法。

2.1 針對“應用的理論”教學內容改革

結合本課程理論性強，工程應用背景廣泛，涉及知識面寬，學生數學基礎差等特點，充分考慮到應用型本科院校對人才培養的要求。我們在講授本課程內容時，力求內容通俗易懂，簡單精煉，又不失嚴謹性。

對于“自動控制理論”課程，不僅僅簡單傳授其理論知識，而是注重教材內容的思想、研究方法的表達及應用背景介紹。針對“自動控制理論”這門來源于實踐應用的理論，結合實際應用例子來講解知識。例如，通過液位控制系統、隨動控制系統、計算機控制系統等具體自動控制系統的分析，通過總結歸納其共同特點，從系統學的角度引入自動控制系統概念。在舉例子時，不是片面地為了讓學生理解某個知識點來講解例題，而是將自動控制的概念原理方法貫穿到例子中，通過例子的講解讓學生深刻理會所學知識，明白自動控制理論的基本道理。使學生明白本課程為什么會去研究自動控制系統一般理論這樣的問題(why)；研究自動控制理論的什么問題(what)；用什么樣的方法進行研究(how)。以利于學生對自動控制理論知識的理解和掌握。

在對國內外“自動控制理論”[1-6]課程相關教材進行了深入系統研究的基礎上，根據學生在本課程學習中存在的一些問題以及本課程教學學時減少的狀況，對本課程教學內容進行了適當取舍、更新和補充，適當更新和充實實驗內容。例如，在第二章時域分析部分介紹典型的測試信號時，不同于文獻[4]的處理，而是利用信號的傅里葉展開從研究的角度解釋了為什么首先研究典型信號及其時域分析；在二階及高階系統時域分析部分，增加了介紹Laplace變換在時域分析運算時的優點；對第五章頻域分析Nyquist穩定判據的證明，進行了簡化，先講解數學幅角原理的證明，類比于幅角原理，再講解Nyquist穩定判據判據的證明，學生對此就較易消化。此外，根據“自動控制理論”教學學時減少的現狀，我們對于離散控制系統的分析章節教學學時進行了壓縮。在離散控制系統的分析與設計教學上，簡化具體數學公式的推導，以問題為導向，強調其思想性方法性。類比前面連續時間控制系統的分析和設計方法，從研究方法入手，向學生介紹離散控制系統的相關知識。具體的推導過程則由學生課后自學完成。事實證明，這樣的做法是行之有效的，較好地完成了教學任務。

2.2 針對“理論的應用”，實施項目教學法

本校自動化系非常重視實驗教學，建設的自動化實驗教學中心，有關“自動控制理論”課程的實驗平臺便有：系統仿真實訓室、GE智能平臺自動化系統集成實訓室、GE智能平臺自動化基礎實訓室、自動化系統創新工作室和機器人實驗室等。實驗教學中心已有的設備運行情況良好，可以滿足本課程實驗要求。在完成教學大綱規定的實驗任務的前提下，還實施了項目教學法。

項目教學法是學生在教師的指導下，圍繞著具有實用意義的項目任務進行學習的方法。項目教學采用理論與實踐緊密相結合的方法，不僅能提高學習效果，保證教學質量，而且還可以培養學生解決工程實際問題的能力，是一種行之有效的人才培養方法[7]。

“自動控制理論”課程實踐教學的具體做法是：在大學生創新項目和機器人比賽項目中加強有關自動控制系統的項目課題。在本科生畢業設計方面，也特意讓學生選一些涉及自動控制系統的設計和實物制作的項目。比如，近3年來，自動化專業學生參與省級大學生創新項目：《智能番茄采摘機器人》、《基于超聲波的語音導盲系統設計與研究》；畢業設計題目：《家用無線火災報警系統的設計》，《基于西門子PLC的工業幾下手運動監控系統設計》；參與機器人比賽項目：《智能快遞分類機器人》等都是和自動控制系統有關的項目。以《智能番茄采摘機器人》項目為例(見圖1)，對該項目，不僅僅要求學生制作出實物，還要求他們利用自動控制原理繪制該系統的框圖，分析系統的工作原理。通過分析，同學們加深了自動控制反饋系統原理及PID控制調節參數原理的認識。

圖1 學生制作的智能番茄采摘機器人在模擬番茄采摘場景

通過參與這些課外實踐項目，把“自動控制理論”課程“理論的應用”延伸到課外實踐活動之中。鞏固了學生對自動控制系統的理解，使學生學會用系統的觀點看待問題，培養學生對于自動控制系統的分析和設計能力，提高學生動手能力。

3 教學改革效果

(1)針對“應用的理論”教學改革，使得“自動控制理論”課程教學效果有了明顯的改善。通過學生反饋，基本掌握了課程教學大綱要求掌握的基本理論，對本課程研究內容、研究方法有較清晰的認識。大部分同學認為本課程學習效果改變了過去認為本課程是自動化系乃至全院最難學習最難通過考試的一門課程的偏見。在近幾年考研中，作為自動化專業考研課程的“自動控制理論”，我系學生在該課程每年考取140分以上的大有人在。本院自動化專業考研成功率由2015年、2016年、2017年的4.84%、10%、8.87%上升到2018年、2019年、2020年的12.62%、 18.18%、26%。從數據中可以看到考研成功率逐年有大幅提高。這與“自動控制理論”成績的提高是密不可分的。還有一些學生考入了985和雙一流院校深造。雖然說同其他院校相同專業比較，還有較大差距。但是，在我們這類沒有保研資格且自身沒有研究生招生的應用型二類本科院校來說，考研成績是令人滿意的。

(2)針對“理論的應用”進行項目教學，在課外實踐活動中，學生通過大創和機器人比賽或者畢業設計項目，都取得了較好的成績。近年來，本院自動化專業學生參加全國大學生機器人競賽、全國大學生創業大賽有多人多次獲獎。在近3年的大學生創新項目中，獲國家級大學生創新項目2項，省級大學生生創新項目7項，院級大學生創新項目多項。一些學生在教師的指導下發表了有關項目的論文或專利。尤為突出的是，近年來本專業學生參與到太原工業學院機器人隊，在全國或者區域性機器人大賽中嶄露頭角，多次取得驕人的成績。本專業畢業生中有項目經驗動手能力強的畢業生普遍受到用人單位的歡迎。在當今大學生就業難的狀況下，這部分有項目經驗動手能力強的畢業生都能找到較為理想的工作順利就業。

4 結語

基于“理論的應用、應用的理論”教育理念的“自動控制理論”教改，一方面為本課程教學積累了豐富的經驗，另一方面也為應用型本科院校人才培養提供了一些寶貴的辦學思路。應用型本科院校人才培養的目的在于向社會輸送合格的工程領域技術人才。基于本課程在理論教學和課后實踐教學教改取得的一些成效的思考，筆者認為應用型本科院校對于人才的培養，應該堅持二個方向辦學和培養學生。一個方向是注重理論知識教學，讓學生在本科階段學習過程中具備扎實的專業理論基礎知識。積極鼓勵引導學生考研，向高一級院校輸送合格的研究生生源。從本院2019年和2020年自動化專業學生考研率的大幅提高以及考入985和雙一流院校學生人數的增加，說明我們在理論課程教學尤其是考研核心課程教學中，讓學生夯實理論基礎，扎實學習。我們應用型本科院校完全有能力向高一級院校輸入優質的研究生生源，為社會培養更優秀的工程技術應用型人才貢獻我們的力量。另一個方向是，直接向社會輸送技術人才。在教學過程中注重理論和實踐相結合的教育。讓學生參與到理論課堂教學以外的第二課堂項目教學中，積極參與大學生創新項目、各類大學生項目競賽等，直接參與實際問題項目課題研究，理論緊密聯系實踐，培養學生解決實際問題的能力，提高動手能力。通過這樣的途徑，獲得一定的專業技能和工程實踐訓練，有效提高學生就業率。

實踐證明，基于“理論的應用、應用的理論”教改，在自動化專業“自動控制理論”課程進行教學內容改革，教學方法改革，把理論課程延伸到課外教學實踐環節，理論和實際問題相結合進行項目教學，效果較好。在教學過程中，只有不斷探索不斷創新，才能適應時代發展對應用型人才的需求，培養出國家所需要的優秀人才。