基于現(xiàn)代信息技術(shù)的《自動(dòng)控制原理》課程思政建設(shè)

肖理慶

（淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 安徽淮南 232038）

積極響應(yīng)教育部號(hào)召，國(guó)內(nèi)各高校教師積極開(kāi)展課程思政建設(shè)[1-3]。為了解決學(xué)生目前以及今后學(xué)習(xí)、工作中可能遇到的問(wèn)題和困惑，強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，在深入挖掘《自動(dòng)控制原理》課程思政元素的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于《自動(dòng)控制原理》課程思政建設(shè)中，效果理想。

一、《自動(dòng)控制原理》課程思政元素

授課教師通過(guò)深入梳理《自動(dòng)控制原理》課程的教學(xué)內(nèi)容[4-7]，挖掘了課程思政元素，主要包括：

很多學(xué)生在計(jì)算控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)時(shí)，經(jīng)常忽視對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。授課教師首先向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：涉及控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算必須首先判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。然后授課教師教育學(xué)生：對(duì)個(gè)人而言，“德”是做人做事的根本；判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法主要包括：勞斯判據(jù)、繪制控制系統(tǒng)根軌跡以及頻域穩(wěn)定判據(jù)。在講解三種不同方法時(shí)，授課教師首先向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：在應(yīng)用中具體采用哪種方法判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況。其次授課教師教育學(xué)生不應(yīng)該盲目跟風(fēng)考研，而應(yīng)結(jié)合自己的實(shí)際情況，就業(yè)和創(chuàng)業(yè)也會(huì)有很好的發(fā)展和前途。最后以控制系統(tǒng)閉環(huán)特征方程D(s)=0.125s5+s4+3s3+7s2+6s+2=0時(shí)為例，講授由中國(guó)學(xué)者提出的謝緒愷判據(jù)，并通過(guò)對(duì)比，明確其優(yōu)點(diǎn)。

在講解利用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念計(jì)算高階系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)時(shí)，授課教師首先按照課程教材所述的方法計(jì)算高階系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)，然后通過(guò)MATLAB仿真軟件編程顯示原高階系統(tǒng)與按照課程教材所述方法得到的降階系統(tǒng)在單位階躍輸入信號(hào)下的響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖1(a)所示，進(jìn)而指出課程教材的錯(cuò)誤之處，再講解在利用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念計(jì)算高階系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)時(shí)的正確方法及注意事項(xiàng)，并通過(guò)MATLAB仿真軟件編程驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，如圖1(b)所示。

圖1 控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

最后授課教師教育學(xué)生：在求學(xué)和工作的過(guò)程中必須嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)，“盡信書(shū)不如無(wú)書(shū)”，要敢于質(zhì)疑，并要求學(xué)生課后找出并糾正由廠(chǎng)家提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)存在的錯(cuò)誤；在講解幅值裕度h和相角裕度γ的計(jì)算方法時(shí)，以GK(s)=6/[s(0.2s+1)(0.5s+1)]為例，授課教師首先演示采用近似估算的方法求得：控制系統(tǒng)的幅值裕度h為0.86（小于1）、相角裕度γ為-4.90°（小于0°），進(jìn)而根據(jù)所學(xué)知識(shí)得到“此控制系統(tǒng)不穩(wěn)定”的錯(cuò)誤結(jié)論。然后分別通過(guò)列寫(xiě)勞斯表、利用牛頓-拉夫遜算法和待定系數(shù)法求得控制系統(tǒng)全部特征根，得到“此控制系統(tǒng)穩(wěn)定”的正確結(jié)論。最后授課教師教育學(xué)生：在今后的學(xué)習(xí)和工作中一定要精確計(jì)算、精益求精，否則將“差之毫厘，謬以千里”。

二、基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的《自動(dòng)控制原理》課程思政建設(shè)

在所主持的2018年安徽省級(jí)課程類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目——《自動(dòng)控制原理》大規(guī)模在線(xiàn)開(kāi)放課程示范項(xiàng)目的資助下，筆者按問(wèn)題組織了《自動(dòng)控制原理》課程不同知識(shí)點(diǎn)，錄制了慕課視頻并在安徽省網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)中心平臺(tái)上線(xiàn)。截止2020年11月08日，《自動(dòng)控制原理》大規(guī)模在線(xiàn)開(kāi)放課程教學(xué)環(huán)節(jié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，其中學(xué)習(xí)總?cè)藬?shù)包括淮南師范學(xué)院學(xué)生、其他高校學(xué)生及社會(huì)人士。

表1 《自動(dòng)控制原理》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

課程累計(jì)訪(fǎng)問(wèn)量公告次數(shù)教師發(fā)帖數(shù)教師討論數(shù)課程總發(fā)帖數(shù)互動(dòng)討論參與人次測(cè)驗(yàn)和作業(yè)參與人次考試參與人次72653 56 68 1054 290 4219 24795 690 31465 64 59 1735 339 4390 13080 376

在所錄制的慕課視頻中，有機(jī)融入了授課教師挖掘的上述《自動(dòng)控制原理》課程思政元素；在課程互動(dòng)部分，首先由授課教師提出問(wèn)題，然后學(xué)生回答，最后由授課教師針對(duì)有錯(cuò)誤的回答一一回帖糾正，如圖2(a)所示；在課程公告部分，除了公布線(xiàn)上學(xué)習(xí)進(jìn)度要求、隨機(jī)專(zhuān)題測(cè)驗(yàn)的時(shí)間、內(nèi)容與密碼外，授課教師不定期推薦學(xué)生觀(guān)看有利于培養(yǎng)其精益求精的大國(guó)工匠精神的視頻，如圖2(b)所示。

圖2 《自動(dòng)控制原理》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中課程互動(dòng)與公告部分

三、基于《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件的課程思政建設(shè)

為了強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生分工合作、取長(zhǎng)補(bǔ)短的意識(shí)，基于MATLAB獨(dú)立研發(fā)了《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件，如圖3所示。

圖3 《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件

《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件的主界面如圖3(a)所示，由查看學(xué)生《自動(dòng)控制原理》先修課程期末考試成績(jī)、基于改進(jìn)遺傳算法《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配、查看《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配結(jié)果以及查看《自動(dòng)控制原理》課外拓展要求四部分構(gòu)成。

首先通過(guò)查看學(xué)生《自動(dòng)控制原理》各先修課程的期末考試成績(jī)，確定其權(quán)重，并在基于改進(jìn)遺傳算法《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配界面中輸入改進(jìn)遺傳算法參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可以式(1)為算法適應(yīng)度函數(shù)，利用改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配，如圖3(b)所示。

式中：n為《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組總數(shù)；m為《自動(dòng)控制原理》先修課程數(shù)目(m=7)；αj為第j門(mén)《自動(dòng)控制原理》先修課程期末考試成績(jī)的權(quán)重；βij為第i個(gè)學(xué)習(xí)小組全體成員第j門(mén)《自動(dòng)控制原理》先修課程的期末考試成績(jī)最高分；ε為非常小的正數(shù)。

在《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件中，默認(rèn)每組3名成員。當(dāng)班級(jí)學(xué)生總數(shù)N不是3的倍數(shù)時(shí)，將學(xué)生《自動(dòng)控制原理》各先修課程的期末考試成績(jī)代入式(2)，所得的值最大（或者最大以及次最大）對(duì)應(yīng)的學(xué)生暫不參與分組。待其他學(xué)生分組結(jié)束后，將其增加至按式(3)計(jì)算所得的值最?。ɑ蛘咦钚∫约按巫钚。?duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)小組中。

式中：ηkj為第k位同學(xué)第j門(mén)《自動(dòng)控制原理》先修課程的期末考試成績(jī)。

點(diǎn)擊“查看改進(jìn)遺傳算法收斂曲線(xiàn)”按鈕，可查看改進(jìn)遺傳算法收斂曲線(xiàn)，如圖3(c)所示。在查看《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配結(jié)果界面中，如果不輸入學(xué)生學(xué)號(hào)，而直接點(diǎn)擊“確定”按鈕，軟件將每隔5秒動(dòng)態(tài)顯示每組學(xué)生學(xué)號(hào)、姓名、頭像以及隨機(jī)分配的課外拓展題目，如圖3(d)所示。如果輸入學(xué)生學(xué)號(hào)，軟件將顯示對(duì)應(yīng)學(xué)生姓名及其所在學(xué)習(xí)小組成員的全部學(xué)號(hào)、姓名、頭像以及課外拓展題目，如圖3(e)所示。點(diǎn)擊“查看《自動(dòng)控制原理》課外拓展要求”按鈕，可查看《自動(dòng)控制原理》課外拓展要求，如圖3(f)所示。

四、基于《自動(dòng)控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件的課程思政建設(shè)

“反饋”不僅是自動(dòng)控制領(lǐng)域中兩大主題之一，而且屬于控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征之一。為了使學(xué)生親身體會(huì)“反饋”，并將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)和今后工作中，授課教師基于MATLAB獨(dú)立研發(fā)了《自動(dòng)控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件，如圖4所示。

圖4 《自動(dòng)控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件

《自動(dòng)控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件主界面如圖4(a)所示，由根據(jù)關(guān)鍵詞搜索查詢(xún)《自動(dòng)控制原理》課程知識(shí)點(diǎn)編號(hào)、根據(jù)《自動(dòng)控制原理》課程知識(shí)點(diǎn)編號(hào)輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動(dòng)控制原理》智慧教學(xué)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動(dòng)控制原理》智慧測(cè)驗(yàn)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動(dòng)控制原理》闖關(guān)游戲軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑以及根據(jù)《自動(dòng)控制原理》期末考試軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑六部分構(gòu)成[8]。

在根據(jù)關(guān)鍵詞搜索查詢(xún)《自動(dòng)控制原理》課程知識(shí)點(diǎn)編號(hào)界面中，輸入關(guān)鍵詞之后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可顯示對(duì)應(yīng)的《自動(dòng)控制原理》課程知識(shí)點(diǎn)及其編號(hào)，如圖4(b)所示。

在根據(jù)《自動(dòng)控制原理》課程知識(shí)點(diǎn)編號(hào)輔導(dǎo)答疑界面中，輸入課程知識(shí)點(diǎn)編號(hào)后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可顯示對(duì)應(yīng)內(nèi)容（采取圖片形式），并通過(guò)聲音進(jìn)行詳細(xì)講解。如果聽(tīng)完之后仍不明白，可點(diǎn)擊“重復(fù)一遍”按鈕，如圖4(c)所示。

在根據(jù)《自動(dòng)控制原理》智慧教學(xué)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動(dòng)控制原理》智慧測(cè)驗(yàn)軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑、根據(jù)《自動(dòng)控制原理》闖關(guān)游戲軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑以及根據(jù)《自動(dòng)控制原理》期末考試軟件反饋結(jié)果輔導(dǎo)答疑界面中，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可根據(jù)反饋結(jié)果按順序顯示課程知識(shí)點(diǎn)編號(hào)及其對(duì)應(yīng)內(nèi)容（采取圖片形式），并通過(guò)聲音進(jìn)行講解。如果聽(tīng)完之后仍不明白，可點(diǎn)擊“重復(fù)一遍”按鈕，否則點(diǎn)擊“明白”按鈕，軟件將在反饋結(jié)果中自動(dòng)刪除此課程知識(shí)點(diǎn)相應(yīng)的信息。點(diǎn)擊“下一個(gè)”按鈕，便可進(jìn)行下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的輔導(dǎo)答疑，如圖4(d)-圖4(g)所示。

《自動(dòng)控制原理》輔導(dǎo)答疑軟件有利于學(xué)生加深對(duì)“反饋”的理解，并將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)和今后工作中，從而不斷提高自己、完善自己。

五、結(jié)語(yǔ)

為了強(qiáng)化學(xué)生的工程倫理教育，在深入挖掘《自動(dòng)控制原理》課程思政元素的基礎(chǔ)上，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中慕課視頻、課程互動(dòng)、課程公告以及基于MATLAB獨(dú)立研發(fā)的《自動(dòng)控制原理》課程學(xué)習(xí)小組成員智能分配軟件與輔導(dǎo)答疑軟件，進(jìn)行《自動(dòng)控制原理》課程思政建設(shè)，充分發(fā)揮了《自動(dòng)控制原理》課程的育人作用，解決了學(xué)生目前以及今后學(xué)習(xí)、工作中可能遇到的問(wèn)題和困惑。