中法融合、面向新工科建設(shè)的自動控制理論課程體系優(yōu)化

段學(xué)超 崔傳貞 千博 過潤秋 張杰

摘 要 適應(yīng)培養(yǎng)具備創(chuàng)新意識的高層次工程技術(shù)人才新形勢，融合法國工程師培養(yǎng)體系先進思想和方法，以工程應(yīng)用為導(dǎo)向進行“自動控制理論”課程體系優(yōu)化，加大工程案例分析比重，強化現(xiàn)代分析和設(shè)計工具的使用和訓(xùn)練，在運用知識的過程中深化學(xué)生對自動控制理論基本概念和基礎(chǔ)理論的深入理解。

關(guān)鍵詞 工程師教育 新工科 自動控制理論

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.06.048

Abstract To adapt to the new situation of cultivating high-level engineering and technical talents with innovative consciousness， to integrate the advanced ideas and methods of the French engineer training system， to optimize the "Automatic Control Theory" curriculum system based on engineering applications， increase the proportion of engineering case analysis， and strengthen modern analysis and the use and training of design tools deepens students' in-depth understanding of the basic concepts and basic theories of automatic control theory in the process of applying knowledge.

Keywords engineer education； new engineering； automatic control theory

0 引言

就世界范圍而言，拿破侖所創(chuàng)立的法國工程師教育體系，經(jīng)過200多年的積累在全球已形成獨樹一幟的鮮明特點。其目的是克服傳統(tǒng)大學(xué)畢業(yè)生理論脫離實踐的弊端，培養(yǎng)既掌握尖端技術(shù)又精通管理的高素質(zhì)人才。因此，新工科建設(shè)可以參考借鑒法國工程師教育體系，進行思想和教育方法的融合。

課程教學(xué)是傳授知識的重要環(huán)節(jié)，在“新工科建設(shè)”為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)背景下，每門課程均應(yīng)該遵循該指導(dǎo)思想進行工程導(dǎo)向的課程體系優(yōu)化與改革，以適應(yīng)時代發(fā)展的人才需求?！白詣涌刂评碚摗笔强刂瓶茖W(xué)與工程、機械工程等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論課程，內(nèi)容體系龐大、概念紛雜、數(shù)學(xué)推導(dǎo)豐富，學(xué)生普遍反映該課程難學(xué)，教師也感到該課程難教，授課效果差、缺乏成就感。造成這種局面的原因不乏教學(xué)思想、課程體系和教學(xué)形式的滯后。因此，迫切需要面向新工科建設(shè)需求、對當今課程現(xiàn)狀做深刻剖析，有的放矢構(gòu)建卓有成效的課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，通過創(chuàng)新建設(shè)多種教學(xué)資源，為學(xué)生提供工程導(dǎo)向型學(xué)習(xí)資料，才能滿足新工科背景下自動化人才培養(yǎng)目標。

1 自動控制理論課程目前問題分析

1.1 缺乏生動的情景化課堂資源

隨著新一代學(xué)生認知方式的變遷，他們對過度文字化、符號化的教學(xué)模式難以提起濃厚興趣，導(dǎo)致了學(xué)生期望的上課模式與當今講授模式之間的矛盾。自動控制理論課程知識容量太大，因此，受制作條件和時間限制，許多教師開發(fā)多媒體教學(xué)軟件的能力不夠，教學(xué)過程中缺乏與教材匹配的多媒體課件。教師教學(xué)還是采用傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”的教學(xué)手段，缺乏高質(zhì)量多媒體教學(xué)資料，對抽象的內(nèi)容以口頭講授為主，一方面是書寫大量的公式、圖表，效率不高，另一方面是學(xué)生難以接受抽象的內(nèi)容，很多內(nèi)容聽不懂，課后又缺少課程學(xué)習(xí)輔導(dǎo)資料及有效的學(xué)習(xí)途徑，久而久之就逐漸喪失了對該門課程的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 傳統(tǒng)印刷版教材更新周期長，很難體現(xiàn)工程領(lǐng)域的新需求

盡管經(jīng)典控制理論在當今的工業(yè)自動化領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位，但基于自動控制技術(shù)的新產(chǎn)品、新概念、新知識源源不斷涌現(xiàn)出來，而“自動控制理論”教材不能與時俱進，已然跟不上科技發(fā)展的步伐。如在控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述部分，講簡單的彈簧質(zhì)量阻尼器機械系統(tǒng)、RLC電路網(wǎng)絡(luò)，這固然讓學(xué)生學(xué)會了建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一般步驟，但是被控對象過于成熟，學(xué)生提不起興致。若能結(jié)合如今盛行的賽格威兩輪電動車、獨輪電動車、四旋翼直升機等自動控制產(chǎn)品進行內(nèi)容講解，同樣傳授了建模的方法和技巧，但學(xué)生好奇心強、興趣濃厚，授課效果將會大大改觀。

1.3 單一教材，很難體現(xiàn)“以就業(yè)為導(dǎo)向、以服務(wù)為宗旨”的培養(yǎng)目標

知識經(jīng)濟時代，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)都在發(fā)生迅速變化，工科教育必須對學(xué)生進行能適應(yīng)社會快速變化的職業(yè)能力培養(yǎng)，以滿足不同職業(yè)崗位的廣泛要求。而“自動控制理論”教材在這方面存在許多不足，如只注重知識的灌輸，而不注重控制工程師崗位職業(yè)能力的培養(yǎng)；只注重控制系統(tǒng)效果差現(xiàn)象的解決，卻不引導(dǎo)學(xué)生分析該類現(xiàn)象產(chǎn)生的根源；只注重控制系統(tǒng)設(shè)計與校正的“規(guī)范”，卻不考慮在實際應(yīng)用中是否具備條件，能否行得通等。其結(jié)果往往是使學(xué)生學(xué)了一些“死”知識，在實際中很難用得上，遇到一些特殊情況不知如何處理，動手能力差，更談不上適應(yīng)控制工程師的崗位需求。

1.4 現(xiàn)代分析與設(shè)計工具在教學(xué)中滲透不夠

數(shù)學(xué)軟件MATLAB的發(fā)展為控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計提供了很大的便利，使得控制工程師們不僅能夠又快又準地進行控制系統(tǒng)的分析和綜合，還能夠騰出精力解決運算之外的重要問題。在大學(xué)課堂上不必強求學(xué)生對此類軟件的掌握熟練程度，但至少要讓他們了解軟件的功能，具備利用軟件的意識。例如線性定常系統(tǒng)分析工具LTIViewer能夠綜合時域、頻域方法，方便得出系統(tǒng)的開閉環(huán)性能；PID控制器設(shè)計工具PIDTool能夠快速高效對控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進行調(diào)整，并給出閉環(huán)控制響應(yīng)曲線。但是如今教學(xué)過程中很少專門給學(xué)生講解這些軟件的使用，以至于大部分學(xué)生畢業(yè)后到了工作崗位還沒有意識到控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計可以利用軟件，因而造就了畢業(yè)生動手能力低的現(xiàn)狀。

鑒于以上四個現(xiàn)存的顯著問題，項目申請人結(jié)合赴法國尼斯綜合理工接受實踐教學(xué)培訓(xùn)和參與我校中法合作辦學(xué)（電子信息工程）教學(xué)的經(jīng)歷和感悟， 融合法國電子信息專業(yè)工程師教育中自動控制理論的教學(xué)思想和方法，以工程導(dǎo)向為目標進行自動控制理論課程體現(xiàn)的優(yōu)化調(diào)整。

2 課程體系優(yōu)化設(shè)計

2.1 課程內(nèi)容中大量補充現(xiàn)代工程案例分析與設(shè)計

對于系統(tǒng)建模部分，從單純的結(jié)構(gòu)圖化簡過渡到具體工程案例剖析，在建模過程中需要學(xué)生自己從基本的元素開始畫出并化簡結(jié)構(gòu)圖的案例。例如針對直流電機的建模過程，通過有效利用結(jié)構(gòu)圖，減少數(shù)學(xué)推導(dǎo)步驟提高建模效率。對于系統(tǒng)響應(yīng)分析，改變純粹的采用公式給出模型、跟蹤典型函數(shù)的模式，融入雷達伺服跟蹤、射電望遠鏡對星體的跟蹤、氣象測溫裝置等案例，分析控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)誤差。通過MATLAB軟件中LTIViewer功能的使用，更好理解調(diào)整時間、上升時間和超調(diào)量的定義，掌握控制理論知識解決工程問題的流程。在控制系統(tǒng)的校正部分，對直流電機、球桿系統(tǒng)等典型工程案例進行超前校正、滯后校正、PID校正等內(nèi)容的實踐，讓學(xué)生通過工程案例強化知識的掌握。

2.2 國家級規(guī)劃教材《自動控制理論》（第3版）及配套《自動控制理論（第3版）學(xué)習(xí)指導(dǎo)及習(xí)題集》的編撰

在中法教育思想融合、工程導(dǎo)向課程優(yōu)化的主線下，對《自動控制原理》（第3版）國家十二五規(guī)劃教材內(nèi)容進行更新、完善，根據(jù)學(xué)科、行業(yè)的發(fā)展繼續(xù)修訂完善，與時俱進，及時補充反映最新知識、技術(shù)和成果的內(nèi)容，增補內(nèi)容40余頁，例題、作業(yè)題30余道，并修正了大部分公式、圖表，爭取在2018年上半年出版。此外，對配套教材的《自動控制理論（第3版）學(xué)習(xí)指導(dǎo)及習(xí)題集》進行編寫，滿足面向電子信息類、自動化類、電氣類等專業(yè)使用，融合法國工程教育理念，面向工程需求進行習(xí)題編寫，凸顯工程實用性特色。并根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展、學(xué)科專業(yè)建設(shè)和教育教學(xué)改革不斷修訂完善，錘煉精品。既體現(xiàn)學(xué)科行業(yè)新知識、新技術(shù)，反映人才培養(yǎng)模式和教學(xué)改革最新趨勢，又要能夠滿足各類高等學(xué)校新時代新工科建設(shè)人才培養(yǎng)需求。

2.3 自動控制理論MOOC資源建設(shè)

MOOC（慕課）是高教領(lǐng)域正在大力推行的一種課程載體，筆者將對自動控制理論課程網(wǎng)站（http：//xt.xidian.edu.cn/G2S/site/auto.html）進行系統(tǒng)規(guī)劃和逐步完善，公布課程大綱、授課日歷，將電子課件、重點章節(jié)授課錄像上傳，更有豐富的作業(yè)習(xí)題、重點知識答疑互動、課程學(xué)習(xí)論壇。目前已上傳了全部教學(xué)錄像，學(xué)生可以將課堂上沒有聽明白，而課本上比較抽象難以理解的知識點，在課程網(wǎng)站上找到相應(yīng)錄像反復(fù)收看，以配合印刷版教材的使用。

2.4 基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動控制理論學(xué)習(xí)平臺

當今世界，智能手機和無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到世界的每一個角落，自主移動學(xué)習(xí)作為傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的補充，正在日益受到人們的青睞。筆者以微信公眾號為自主移動學(xué)習(xí)的載體，構(gòu)建了融課后趣味引導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)、思維發(fā)散、知識點擴展、能力提升訓(xùn)練以及學(xué)習(xí)支持服務(wù)為一體的情景化自動控制理論移動學(xué)習(xí)平臺。需要對學(xué)習(xí)平臺中參與者所做出的評價與建議盡快給予回復(fù)和思考，要及時對學(xué)習(xí)平臺中有爭議、不正確的內(nèi)容做出更正，根據(jù)參與者所反饋的其他難點，進行相關(guān)知識點的編輯與推送講授。

3授課效果預(yù)期及評價措施

經(jīng)過課程優(yōu)化及教學(xué)團隊的精心準備，預(yù)期達到使學(xué)生基本概念清晰、基礎(chǔ)理論扎實，具備初步的工程問題建模、分析與綜合能力。從授課過程和課程成績量化對比，預(yù)期課程參與度提高20%，平均成績提高5～10分，不及格降低5%。授課效果的評價是一個包含多種因素的系統(tǒng)工程，筆者擬采用分析對比課程結(jié)業(yè)考試成績和召開學(xué)生座談會、匿名問卷調(diào)查相結(jié)合的方法進行授課效果的評估分析。剝離班風、學(xué)風差異對學(xué)生的影響，從課堂成績、控制實驗和工程運用等角度綜合分析并評價課程體系優(yōu)化效果。

4結(jié)論

以申請人的赴法課程實踐教學(xué)培訓(xùn)、中法合作辦學(xué)班授課經(jīng)歷為契機，借鑒法國卓越工程師培養(yǎng)體系的先進經(jīng)驗，繼續(xù)發(fā)揮我國長期以來積累的重視數(shù)理推導(dǎo)的優(yōu)勢，融合中法教育理念，以工程應(yīng)用為背景，進行自動控制理論課程體系優(yōu)化探索。順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入大學(xué)課堂的潮流，構(gòu)建以微信公眾號為輔助工具的課下教學(xué)，并根據(jù)所需，強調(diào)重點，提供情境真實、交互性強、興趣濃厚的自動控制理論微課課程，實現(xiàn)自動控制理論的生動、互動、實踐性教學(xué)。

參考文獻

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