應用型本科院校“自動控制原理”課程教學改革探討

鞠亞美，孫 穎

（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海理工大學管理學院，上海 200093）

隨著工業4.0時代的到來，實現傳統工業的智能化轉變是中國“中國制造2025”國家發展戰略的重要內容。而新一代信息技術與制造業深度融合所形成的新興業態與應用模式，作為智能制造的基礎平臺，將在整個制造業發展過程中起到越來越關鍵的作用，因此，社會對復合型、創新型、應用型人才的需求更加迫切。另一方面，在新工科建設的大環境下，應用型本科高校正努力培養同時具有社會生產所需的基本理論知識和技能以及符合國家發展需求的優秀人才，為實現中國夢提供了強有力的人才保障和技術支撐。

“自動控制原理”是自動化專業必修的專業課之一，在自動化專業本科生教育培養中具有十分重要的位置。其內容主要包括自動控制的一般概念、控制系統的數學模型、線性控制系統的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法等方面[1]。根據課程的教學目標，不僅要求學生能夠熟練掌握“自動控制原理”的基本理論知識，還需要能夠將所學的理論應用到實際工程中并具備一定分析問題及解決問題的能力。

到目前為止，自動控制技術在眾多領域已經起著越來越重要的作用。例如，人造衛星準確進入預定軌道運行并回收，數控機床按照預定的程序自動地制造工件等[2]。因此，“自動控制原理”課程是應用高水平自動控制技術的理論前提，對學生的職業發展起著至關重要的作用。

該課程具有數學內容繁多、概念抽象、計算復雜等特點。在建模、分析、設計過程中對學生的基礎知識（如“大學物理”“數學分析”“電路原理”等）、發散思維和空間想象力具有很高的要求[3]。由于知識點抽象難理解，學生在學習過程中容易碰到困難，導致學生學習的積極性不強。本文針對“自動控制原理”課程在當前教學方法中存在的問題與不足，進行教學改革研究，并提高教學效果與質量。

1 教學中存在的問題

1.1 教學方法單一

傳統的教學模式主要是以教師授課為主，教師支配教學資源、模式和流程，學生根據教師的思路進行學習，導致學生自主學習思考的能力較差，同時教師對學生的學習過程、學習狀態也難以準確把握，因此整體教學成果較差。

此外，由于客觀條件的限制，傳統的實驗教學內容的結構比較單一，實驗的內容大都依據課本設計，缺少綜合性強、設計性高的實驗，因此實驗教學的效果也很差。

1.2 缺乏工程實踐

實驗課程的教學對提高學生分析問題和解決問題的能力具有重要作用，僅僅靠章節練習題是遠遠不夠的。此外，設計性的實踐教學大多停留在書本上，與當地企業深度結合的工程實踐的內容較少，充其量只是完成了知識點上的驗證，學生的實際動手能力和創造能力沒有得到培養，無法清楚了解專業標準與職業要求的真正內涵；此外，傳統的教學方式中沒有足夠重視仿真軟件的教學與應用，使得學生的編程能力沒有得到系統的訓練。

1.3 評價體系單一

傳統的評價標準過于單一化，過分注重學生考核的形式與考核任務的完成，沒有注重培養學生的創造力，需要對學生實踐能力的差異性進行考核，進而做到因材施教。

2 改進教學的方法

2.1 采用在線翻轉課堂教學模式

隨著互聯網技術的飛速發展與廣泛應用，為“自動控制原理”創建了新的教學平臺，如翻轉課堂、微課、遠程教學等[4]。翻轉課堂是目前十分流行的創新教學模式，其主要的教學過程為學生先在網絡上學習基礎知識，再由任課教師進行知識點講解。與傳統教學相比，主要區別在于學生學習的順序發生改變[5]。

在傳統教學過程中，學生先預習，然后再由教師講解。教師教學過程中的主要精力集中在知識點的講解，學生的主要精力集中在知識點的理解與記憶。由于課程時間緊湊，導致師生之間缺乏交流與溝通，學生對知識點的理解與實際應用并不深刻。然而，在翻轉課堂教學過程中，學生先觀看教師提供的在線教學視頻進行學習，然后教師針對學生的問題，與學生進行探討并進行解答，最后分小組解決具體實際問題。這種教學模式可做到即時學、按需學和重復學，滿足學生的個體差異性，充分發揮學生學習的主動性與積極性，進一步促使并提高學生自主學習、自行思考的能力及自行解決問題的能力。因此，采用該模式的教學方式，可以真正解決學生的共性和個性問題。從而有效避免了部分學生因基礎差導致上課聽不懂、抄作業、曠課等問題的出現。

由以上分析可以看出，隨著“互聯網+”時代新技術的蓬勃發展，翻轉課堂將傳統教學方式進行了優化整合[6]。具體而言，學生課前將自主完成課程基礎知識的初步學習，節約了大量教學時間，師生雙方有更多的互動交流。因此，教師不但能有更多的時間與學生探討問題，而且還能及時發現學生對知識點理解過程中存在的問題，找出學生存在的共性問題，并對知識點進行重點強調與講解，方便及時采取一定措施來彌補上一階段教學中存在的不足。學生則擁有更多的時間來消化知識的難點和重點，同時將所學的理論知識與工程實踐相結合，從而提高學生的獨立解決問題和思考問題的能力。

2.2 不同教學方式的結合

眾所周知，“自動控制原理”這門課程具有理論性強、圖形分析法多等特點，同時各種分析方法之間存在著一定的內在聯系，從不同的角度解決控制系統的性能。學生在學習的過程中，經常把類似的知識點混淆，導致教學效果變差，無法靈活運用知識點來解決實際問題[7]。為了解決此類問題，教師在教學過程中，應采用比較式教學方法，將控制系統的性能分析方法進行分類、比較與總結，進而建立起各種分析方法之間的必然聯系，使學生深刻理解并掌握“自動控制原理”的基本知識。例如，控制系統的分析方法主要包括時域分析法，頻域分析法，跟軌跡分析法[6]。時域分析方法是利用閉環傳遞函數的特征方程式來進行分析，頻域分析法是借助開環傳遞函數畫奈式圖來進行分析，根軌跡分析法是利用開環傳遞函數畫根軌跡圖來進行分析。

另外，在課堂上也可以采用啟發式教學方法。比如，在課堂教學的過程中不斷提出問題，讓學生進行思考與討論，找到解決問題的思路與方法。換言之，在學習理論知識的過程中讓學生積極參與進來，這樣不僅能鍛煉學生獨立思考問題的能力，還能提高學生學習的積極性。

2.3 優化實驗教學方法與內容

針對實驗教學環節中教學方案中的不足之處，進行實驗內容的優化，增強學生的實際動手操作以及相關軟件的學習應用能力，真正意義上做到理論與實際的結合，形成具有多層次、多元化的教學體系[8]。

應用型本科“自動控制原理”實驗課程的教學模式應發生改變，應該把多媒體技術或者一些新的技術應用到實驗課程的教學過程中[9-10]。具體制作圖文并茂的實驗教學課件來演示實驗的整體操作流程以及實際工況下的工作原理，這樣不僅便于學生理解整個實驗流程，同時還能激發學生的學習興趣。此外，將實驗室具體安排信息發布到學校的網絡數據平臺上，有助于學生查詢實驗信息，提高整個實驗操作過程的效率。并且，還可以從實驗教學大綱入手，在原來實驗教學內容的基礎上，不斷優化、完善實驗教學內容，增加綜合性、設計性實驗等教學內容。與此同時，讓學生參與到整個實驗的設計過程中，并根據教師提供的實驗目標，得到相應的實驗結果。為了提升學生的發展空間，教師可以為學生設計專門的MATLAB計算機虛擬實驗室，并讓學生在虛擬實驗室進行上機操作，使其更加深入理解“自動控制原理”的理論知識，更深層次培養學生的設計能力和綜合應用能力，同時提高學生自主學習和解決實際問題的能力及創新意識。

3 創造工程實踐環境

3.1 校企共建工程實踐教學中心

“自動控制原理”中關于實驗課程的教學對提高學生分析問題和解決問題的能力具有重要作用。良好的實驗室環境與氛圍是培養學生實踐能力和獨立動手能力的重要基地[7]。學校和知名企業在共同發展與進步的基礎上，融合企業的有力資源與優勢，引進最先進的自動化設備與技術，共同建立實踐創新基地。依托該平臺，以產學研的形式增加工程實訓，自動化專業學生可以到一些企業參加實訓，在實際生產過程中了解自動化相關問題的解決方式。這樣不僅能幫助企業解決實際問題，也可以大大提高學生創造性完成設計綜合性實驗的能力。此外，學校與企業共同組織學生參加一些競賽（例如“互聯網+”、中國大學工程實踐與創新能力大賽等），在競賽中培養學生的創新意識與實踐能力，增強學生的社會責任感與使命擔當。同時，鼓勵學生將新穎的想法轉化成專利，將智能的算法進行成果轉化，這樣不僅大大激發了學生的創造性思維和學習興趣，更收獲了寶貴的知識、技能和經驗。學校也可以不定期地邀請一些企業資深專家給學生做報告，更加專業地傳授自動控制領域在實際中經常出現的問題及具體的解決辦法，讓學生了解更多的實際經驗背景。

3.2 采用理論與實踐為一體的教學模式

眾所周知，應用型本科教學除了要掌握扎實的理論基礎知識，也需要掌握實用的工程應用技術。因此，為了更好地將理論與實踐相結合，在“自動控制原理”的教學過程中運用理論與實踐為一體的教學模式。依托工程實踐教學中心，將教學過程與實際生產過程進行對接，將理論應用到實際的生產過程中，將抽象知識變成具象知識，讓學生在實際生產中充分感受到知識的應用性，實現了理論與實際一體化教學。具體來說，在本科教學的過程中，應采用“實例教學”。例如，在介紹關于“線性系統的校正方法”學習內容時，通過介紹“水箱液位控制系統”的工作原理，結合其工作時的動態控制過程，能夠讓學生清楚了解控制器參數的改變對控制系統性能的影響；為了讓學生更好地理解微分方程的建立過程，把機械阻尼系統等實際案例貫穿于整個課程的教學過程中，進而培養學生的創造性思維。

另外“自動控制原理”的實驗課程對學生編程能力的要求也很高，學生可將筆記本電腦帶到工程實踐教學中心，通過利用最新的仿真軟件（如MATLAB、LABVIEW等）對一些控制理論算法進行仿真模擬學習，將仿真內容與“自動控制原理”結合起來。具體而言，在時域分析學習的過程中，學生可以借助MATLAB語言，直觀地觀察到系統的輸入輸出信號與時間變化的關系曲線，并通過調整參數來更好分析各種信號之間的變化過程。這樣不僅能有效鞏固課堂上的所學的基礎知識，又學會了MATLAB語言的編程技巧；同時提高了學生的邏輯思維能力[10-11]，也培養了學生的獨立思考能力和創新能力。

4 優化評價體系

在整個教學的過程中，教師扮演著控制者，學生扮演著被控對象，而“反饋信號”是評價體系[12]。教師應該根據學生的反饋信號（課堂上的表現情況及課后作業的完成情況），進行教學方法上的優化與改革，提高教學質量，達到教書育人的培養目標。一方面，在理論知識的學習過程中，教師可通過學生評價、督導查課、教師自我評價等方式，來發現教學中存在的問題并及時改進與總結，為之后的教學方法提供參考；在實踐教學過程中，可根據實際的動手能力和創新能力來分組完成不同的項目，難度系數不同，最終的分值相同。另一方面，在期末考試的過程中，應將傳統的考試方式（閉卷考試為主、平時考勤為輔）進行改革。從培養學生創新能力的角度出發，可以將考試模式轉化為“筆試+實驗+論文”的綜合考核方式，將考試的重點變成考核學生的實際動手能力，讓學生參與一些小課題，培養學生讀文獻、查資料、做調研、做實驗等綜合思維能力與實踐動手能力，與培養應用型人才相呼應。值得注意的是，根據教學大綱、學生的完成度等情況可適當地調整考試模式各環節所占的比例。總而言之，通過教師與學生之間的溝通與交流，建立可執行的評價體系，為保證課程教學質量提供了強有力的監控機制。

5 結論

“自動控制原理”是自動化類等工科專業十分重要的專業課程之一，是其他相關專業課程的強有力支撐，為學生從事自動化生產與制造等相關行業提供了不可或缺的理論基礎。因此，本文在應用型本科教學改革的背景下，對“自動控制原理”的教學方法、工程實踐環境、評價體系3個方面的問題進行探討與改進，并提出了一些切實可行的教學改革新思路。旨在培養學生理論聯系實際的能力、自主創造能力和積極學習能力等，用所學的理論知識來解決復雜的工程問題，為綜合型工程人才培養和工程科技創新提供有力的支持與保障。