專業(yè)教育與課程思政協同融合的《自動控制原理》 課程教學探究

田麗欣 呂宏麗

（唐山學院 河北 唐山 063000）

1 課程教學中存在的問題

1.1 課程理論性強，學生缺乏學習興趣。該課程主要包含自動控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)分析和系統(tǒng)校正與綜合等，涉及到的知識面廣泛，對于控制系統(tǒng)的分析和設計涉及到大量理論公式的推導和應用，高等數學、復變函數、電路原理、模擬電子技術等課程的知識貫穿于教學過程的始終，因此在教學中存在著學生覺得課程枯燥、乏味，從而缺乏學習興趣和熱情的問題。

1.2 授課多采用傳統(tǒng)教學方式，不利于應用型人才的培養(yǎng)。傳統(tǒng)教學主要以教師講授理論知識為主，大多數學生對所學知識的理解只限于理論層面，形成了“只會做題，不會應用”的不良局面，不能將所學理論知識有效地融合到實際工程中解決實際系統(tǒng)的控制問題，與新工科理念不符，不利于應用型人才的培養(yǎng)。

針對于上述問題，打破傳統(tǒng)教學方式，結合新工科培養(yǎng)要求，以OBE 教育理念為主導，在有限的教學課時條件下使學生掌握自動控制的基本原理，并加強應用能力培養(yǎng)，豐富學生的工程實踐經驗，是《自動控制原理》課程創(chuàng)新教學改革的關鍵。課程教學采用線上線下相結合的形式進行，利用項目式教學、案例法教學等多種教學方式，并結合現代計算機軟件Matlab/Simulink 仿真教學，使學習內容更加生動、直觀易懂。教學項目基于智能制造的實際工程控制系統(tǒng)進行設計，融合多課程知識，注重對學生專業(yè)能力的提升，并且根據教學內容深挖思政點，將思政教育潛移默化地融于課程教學過程始終，做到真正的“三全育人”。

2 融合專業(yè)教育和思政教育的教學設計

教學過程主要采用項目式教學法和案例式教學法，項目的設計和案例的來源從工程實際出發(fā)，摒棄傳統(tǒng)的“先理論后做題”的教學形式，將理論知識的講授貫穿于對實際項目問題的解決中，使學生能夠對所學知識進行更深層次的理解，真正知道“學為何用”。在每個項目和案例的教學中都融合了思政教育，在“知識傳授”的同時進行“價值導向”的引導，使學生克服惰性思想，從根本上激發(fā)學生學習的內驅力，以培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞闹袊厣鐣髁x合格建設者和可靠接班人。

具體教學設計如下：

在第一章講解反饋控制系統(tǒng)的概念和結構時，由于學生是首次接觸自控系統(tǒng)，還沒有物理模型的概念，所以在教學中，采用案例分析法幫學生建立起反饋控制系統(tǒng)的概念。案例的選取結合工程實際和前期專業(yè)課程基礎，以“電機調速系統(tǒng)”和“水位控制系統(tǒng)”兩個典型的反饋控制系統(tǒng)為例，使學生理解反饋的精髓，然后自然地歸納總結出反饋控制系統(tǒng)的一般結構組成。之后結合圖像和視頻資料對我國在控制系統(tǒng)開發(fā)方面的前沿研究成果進行展示，讓學生感受國家科技的力量，從而激發(fā)學生的國家自豪感和專業(yè)認同感，提升學習內驅力。

第二章為系統(tǒng)數學建模，第三、四、五章分別為經典控制的三大分析方法：時域分析法、根軌跡法、頻域分析法。對于這部分內容，傳統(tǒng)教學主要局限于理論知識的推導以及對公式的“做題”應用，與實際脫鉤，造成學生不知學有何用。基于此，圍繞“工業(yè)機器人控制”，以項目驅動的形式展開教學，將原來孤立的章節(jié)有機融合在一起。具體分析和設計實際控制系統(tǒng)，從分析其物理含義入手建立工業(yè)機器人控制系統(tǒng)不同表達形式的數學模型，使學生自然掌握自動控制系統(tǒng)常用的數學模型的表達形式以及不同形式之間的轉化方法。然后以數學模型為主，展開對控制系統(tǒng)的分析。在以工業(yè)機器人為代表的實際自動控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性是前提，快速性、平穩(wěn)性和準確性是對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求。由學生分別采用時域分析法、根軌跡法和頻域法對機器人控制系統(tǒng)性能展開分析，從而使其真正理解三大分析方法的內涵和它們之間的聯系，掌握如何利用三大分析方法對實際系統(tǒng)進行性能分析，而不再局限于傳統(tǒng)教學中脫離實際應用的做題。

控制系統(tǒng)的數學模型即為對控制系統(tǒng)所要研究問題本質的描述和表征，映射到人的自我認識，即要正確的審視自我，做一個內外兼修的人；數學模型之間的等效變換就如同人與人之間的相處之道：自由、平等、公正。通過時域三大性能指標是互相矛盾、相互制約的，沒有絕對完美的系統(tǒng)，映射要用辯證統(tǒng)一的觀點看待問題，講究中庸之道；并映射到團隊合作中要顧全大局，不能只顧一己之私，要講究合作共贏。通過根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能，是一種借助圖形的近似分析方法，要抓住關鍵要素才能完成對系統(tǒng)穩(wěn)定性、動態(tài)性能的分析，影射解決問題要抓住主要矛盾和問題關鍵；此部分進一步采用課外實踐的形式完成，通過調研本專業(yè)領域企業(yè)在自動控制方面面臨的一些實際問題，由學生分析問題關鍵所在，提出解決方案，完成方案報告，通過此種形式使思政教育和專業(yè)教育緊密結合。頻域分析法中三頻段理論是基礎，三個頻段影響控制系統(tǒng)的不同性能，根據對控制系統(tǒng)的性能要求來設計三頻段，就如同人生不同階段有不同的努力目標，要做好規(guī)劃，以更好地實現各階段更優(yōu)、更精彩。

第六章為系統(tǒng)校正和綜合設計。當控制系統(tǒng)三頻段不滿足要求時，需要加入校正裝置來調節(jié)。繼續(xù)以“工業(yè)機器人控制”為例，經過前面的系統(tǒng)分析過程找出其自身性能存在的不足之處，從而引出系統(tǒng)校正方式和方法的應用。校正方法存在不唯一性，在由教師對常用校正方法理論講解的基礎上，由學生自主選擇校正方法對原工業(yè)機器人控制系統(tǒng)進行校正，并對校正前后系統(tǒng)的性能進行對比，使學生對校正的原理達到真正意義上的理解。該部分主要思政映射點為：遇到挫折時要調整心態(tài)、建立自信、自我糾正以達到最優(yōu)。具體實施通過小型演講或微視頻的形式由學生來講述自己的人生規(guī)劃和勵志故事，通過共同分享來激發(fā)更多學生的斗志。

之后針對于經典控制方法PID 控制，圍繞“一級倒立擺控制器設計”項目展開教學。首先創(chuàng)設情境引出日常生活中倒立擺應用的例子，如：手指支撐木棍不倒的游戲、獨輪車的平衡控制等，由學生感興趣的話題吸引學生興趣、激發(fā)學習熱情，從而進一步引伸出倒立擺在工業(yè)控制、航空航天領域和機器人控制等方面的應用；并通過“中國制造2025”突出控制的關鍵性作用以及對人才工程應用能力的要求，從而強調本專業(yè)掌握控制理論的重要性，繼而引出如何利用基本控制理論解決倒立擺的控制問題。采用理論與仿真相結合的方法解決PID 控制器設計和參數調節(jié)問題，同時引導學生思考如何利用微處理器作為控制核心實現倒立擺的控制，將教學內容擴展至相關課程的應用，讓學生對控制理論的應用有更直觀的理解，提高工程意識。

3 結語

通過對課程內容體系和教學方式的改革，以“數學建模、控制系統(tǒng)性能分析和系統(tǒng)校正”為主線，從實際工程項目和典型案例入手，強化了自動控制理論的工程應用，提高了學生的實踐能力，真正做到了學以致用。授課過程中將思政教育自然而然地滲透其中，達到了思政教育和專業(yè)教育的有機融合，做到了對學生潛移默化地影響，真正激發(fā)了學習的內驅力，從根本上解決了學生學習動力不足的問題，實現了能力培養(yǎng)和思想提升的統(tǒng)一，有利于高素質應用型人才的培養(yǎng)。