“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)改革探索

白圣建 徐婉瑩 鄭永斌 盧惠民

[摘 要] 以學(xué)生成長(zhǎng)成才為著力點(diǎn)，面向信息化條件下的課堂教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)手段選擇、考核方式設(shè)計(jì)和師生關(guān)系構(gòu)建等方面介紹“自動(dòng)控制原理”課程的整體設(shè)計(jì)。面向泛在學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和個(gè)性指導(dǎo)的線上線下混合式教學(xué)實(shí)踐，努力提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合省級(jí)線上線下混合式一流課程教學(xué)實(shí)踐，介紹教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)手段選擇、考核方式設(shè)計(jì)和師生關(guān)系構(gòu)建等方面一些經(jīng)驗(yàn)和做法。

[關(guān)鍵詞] 以學(xué)生為中心;自動(dòng)控制原理;自主學(xué)習(xí);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2019年度湖南省普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘自動(dòng)控制原理A課程混合式教學(xué)改革”（XJT2019291-11）;2018年度國(guó)防科技大學(xué)教育教學(xué)研究課題“基于SPOC混合教學(xué)模式的‘自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（U2018016）;2019年度國(guó)防科技大學(xué)教學(xué)成果培育項(xiàng)目“基于‘雨課堂+光感應(yīng)黑板+思維導(dǎo)圖的導(dǎo)航制導(dǎo)系列課程信息化教學(xué)改革”（PY2019-69）

[作者簡(jiǎn)介] 白圣建（1981—），男，山東菏澤人，博士，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事自動(dòng)控制理論、飛行器控制研究。

[中圖分類號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）30-0054-04 ? [收稿日期] 2020-12-21

一、引言

“自動(dòng)控制原理”是國(guó)防科技大學(xué)本科生的大類技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要講授自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決控制工程問(wèn)題的基本能力，使之形成以反饋和優(yōu)化為核心的系統(tǒng)觀與思維習(xí)慣。繁多的知識(shí)點(diǎn)和不斷壓縮的學(xué)時(shí)給教與學(xué)帶來(lái)很大困擾，加之控制理論本身具有較強(qiáng)的理論性和抽象性[1]，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大。尤其是00后學(xué)生，他們的知識(shí)獲取方式更加多元化，交流方式更加網(wǎng)絡(luò)化，學(xué)習(xí)需求更加多樣化和個(gè)性化，這給傳統(tǒng)課堂教學(xué)帶來(lái)新挑戰(zhàn)?！耙詫W(xué)生為中心”的課堂教學(xué)，核心在樹(shù)立學(xué)生的主體地位，關(guān)鍵是關(guān)注學(xué)生的成長(zhǎng)發(fā)展需求[2]。

二、區(qū)分學(xué)生類型，重組教學(xué)內(nèi)容

課程內(nèi)容主要來(lái)源于學(xué)科知識(shí)，選擇哪些知識(shí)構(gòu)建課程需要考慮不同學(xué)科類別學(xué)生的發(fā)展需求，處理好深度與廣度、內(nèi)涵與外延的關(guān)系，同時(shí)也要緊盯學(xué)科發(fā)展，協(xié)調(diào)基礎(chǔ)性與前沿性。近年來(lái)，隨著學(xué)校人才培養(yǎng)方案調(diào)整，課時(shí)在不斷縮減，教學(xué)內(nèi)容也需要與時(shí)俱進(jìn)進(jìn)行調(diào)整。

（一）分類制定課程標(biāo)準(zhǔn)

“自動(dòng)控制原理”是學(xué)校控制類專業(yè)的核心課程，也是學(xué)校的大類技術(shù)基礎(chǔ)課程。我們針對(duì)教學(xué)對(duì)象不同，制定了“自動(dòng)控制原理A”和“自動(dòng)控制原理B”兩套課程標(biāo)準(zhǔn)。（1）面向控制類專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的“自動(dòng)控制原理B”主要講授經(jīng)典控制理論，還包括現(xiàn)代控制理論的部分內(nèi)容;（2）面向非控制類專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的“自動(dòng)控制原理A”涵蓋經(jīng)典控制理論、計(jì)算機(jī)控制和線性系統(tǒng)理論的部分內(nèi)容。

兩個(gè)課程標(biāo)準(zhǔn)均采用“圍繞一個(gè)中心，一縱三橫交錯(cuò)”的設(shè)計(jì)思路。一個(gè)中心是指單輸入單輸出（SISO）線性系統(tǒng)，一縱是指自動(dòng)控制系統(tǒng)建模、分析及設(shè)計(jì)的主線，三橫是指自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性這些性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而，兩個(gè)課程標(biāo)準(zhǔn)在教學(xué)內(nèi)容、課時(shí)安排和考核要求等方面方式均有較大差異。并且，我們根據(jù)兩類授課對(duì)象的差異，持續(xù)更新課程內(nèi)容，淘汰手工繪制根軌跡、奈奎斯特圖等陳舊知識(shí)點(diǎn)，引入計(jì)算機(jī)輔助繪圖，并引入控制工程領(lǐng)域和自動(dòng)化武器裝備領(lǐng)域的最新成果。

（二）分類建設(shè)教學(xué)案例

軍隊(duì)院校教育是“三位一體”新型軍事人才培養(yǎng)體系的重要組成部分，課程建設(shè)還應(yīng)當(dāng)著眼部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提升和學(xué)員成長(zhǎng)成才。我們緊扣自動(dòng)化武器裝備在部隊(duì)廣泛使用這一著力點(diǎn)，將優(yōu)勢(shì)科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，構(gòu)成課程知識(shí)體系“骨架”上的“血肉”，使教學(xué)內(nèi)容更加鮮活。課程組面向不同專業(yè)學(xué)員建設(shè)了“導(dǎo)彈飛行控制”“機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制”等多個(gè)教學(xué)案例，并與RoboCup機(jī)器人競(jìng)賽、水下機(jī)器人競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽相貫通，以鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培育其控制工程專業(yè)素養(yǎng)。

這些教學(xué)案例都貫穿了“圍繞一個(gè)中心，一縱三橫交錯(cuò)”的設(shè)計(jì)思路，從而與課程的核心知識(shí)點(diǎn)緊密耦合、相互支撐。

三、面向泛在學(xué)習(xí)，建設(shè)教學(xué)資源

“互聯(lián)網(wǎng)+”學(xué)習(xí)模式打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空界限，教室不再是學(xué)習(xí)知識(shí)的唯一場(chǎng)所，紙質(zhì)教材也不再是課程知識(shí)的單一載體。課程組近年來(lái)面向?qū)W生開(kāi)展泛在學(xué)習(xí)，大力推進(jìn)多媒體和電子文本等教學(xué)資源建設(shè)。

（一）多媒體資源建設(shè)

課程組在精品資源共享課的基礎(chǔ)上，于2017年錄制了“自動(dòng)控制原理MOOC”課程，發(fā)布在學(xué)堂在線。2018年，該課程被評(píng)為湖南省精品MOOC課程。在日常教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，這些MOOC課程發(fā)揮了重要作用，特別是有效支撐了線上線下混合式教學(xué)的順利開(kāi)展。2020年，該課程被評(píng)為湖南省線上線下混合式一流課程。

經(jīng)過(guò)多輪次的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，面向大眾學(xué)習(xí)者建設(shè)的MOOC課程在內(nèi)容的深度和廣度方面仍有欠缺，視頻呈現(xiàn)形式也較為單一，這在很大程度上影響了學(xué)生開(kāi)展泛在學(xué)習(xí)的熱情。為滿足在校學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需要，筆者還錄制了大量MATLAB教學(xué)微課、典型習(xí)題講解微視頻、課程實(shí)驗(yàn)講解微課等短視頻，發(fā)布在Bilibili網(wǎng)站或釘釘網(wǎng)盤(pán)，供學(xué)生按需訪問(wèn)。新冠肺炎疫情期間，這些教學(xué)資源為開(kāi)展線上直播教學(xué)、線上專題研討、線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等提供了有力支撐[3]。

（二）電子文本資源建設(shè)

針對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)繁多的特點(diǎn)，我們制作了課程知識(shí)點(diǎn)思維導(dǎo)圖，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林，從而更好地整體把握課程的知識(shí)要點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。為解放學(xué)生雙手，使他們專心參與課堂互動(dòng)，我們?cè)诿看握n前發(fā)放隨堂筆記，并標(biāo)識(shí)出每堂課的重難點(diǎn)內(nèi)容，提高了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率。此外，我們還將程序腳本、控制領(lǐng)域經(jīng)典文獻(xiàn)、案例素材等大量數(shù)字化資源分享在釘釘網(wǎng)盤(pán)。這些多維度網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源為學(xué)生開(kāi)展泛在學(xué)習(xí)提供了有力支撐。各類數(shù)字化教學(xué)資源及其應(yīng)用場(chǎng)合如表1所示。