“自動控制原理”混合式課程改革研究*

張 冉 ， 高聯(lián)學(xué)

（濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

0 引言

“自動控制原理”教學(xué)團(tuán)隊(duì)密切關(guān)注自動控制科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的新動向，不斷地追蹤和學(xué)習(xí)新科技，處理好基礎(chǔ)知識與新科技的關(guān)系，教學(xué)中有的放矢地向?qū)W生進(jìn)行傳授，夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的主動精神和追蹤新科技的能力，以適應(yīng)自動控制領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展的需要[1-3]。教學(xué)團(tuán)隊(duì)選擇并綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法，有機(jī)整合多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)行教學(xué)改革。

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合學(xué)校建設(shè)以航空為主要特色的高水平應(yīng)用型大學(xué)發(fā)展方向，一方面，對教學(xué)模式進(jìn)行改革，建設(shè)了“自動控制原理”線上課程，將傳統(tǒng)的線下授課為主優(yōu)化為線下線上相結(jié)合、相輔相成的教學(xué)模式；另一方面，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用自動控制理論解決工程實(shí)際問題，積極參與大學(xué)生智能汽車競賽、山東省大學(xué)生智能制造大賽以及國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，在科技創(chuàng)新活動中加深對自動控制理論的理解和運(yùn)用。

1 學(xué)情分析

1.1 學(xué)生來源和知識儲備

“自動控制原理”課程主要針對自動化專業(yè)大二學(xué)生進(jìn)行授課。學(xué)生前期學(xué)習(xí)了“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“電路分析”等課程，對微分方程、拉式變換、矩陣、行列式以及基本的工程問題具有一定的了解，具有理論知識基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)該課程前，自動化專業(yè)學(xué)生已參加實(shí)習(xí)活動，參觀了國網(wǎng)濱州電力公司、大唐濱州發(fā)電有限公司、山東魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)等具備較高自動化水平的企業(yè)，對電氣自動控制系統(tǒng)有一定的感性認(rèn)識，為本次課的學(xué)習(xí)奠定了一定基礎(chǔ)。因此，學(xué)生有一定的感性認(rèn)識、知識儲備以及學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

1.2 學(xué)生心理特征及認(rèn)識水平

授課對象為自動化專業(yè)大二學(xué)生，已接觸專業(yè)基礎(chǔ)課程和部分專業(yè)課程，也有欲望了解本專業(yè)的就業(yè)方向、考研前景等現(xiàn)實(shí)問題?！白詣涌刂圃怼笔亲詣踊瘜I(yè)很重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)用性較強(qiáng)。大部分學(xué)生對這門應(yīng)用性較強(qiáng)的課程關(guān)注度很高，迫切希望在業(yè)余時(shí)間參加教師相關(guān)課題?？傮w來看，學(xué)生學(xué)習(xí)動力較足，積極性較高。學(xué)生平均年齡19歲，其抽象思維能力較強(qiáng)。由于該課程是自動化專業(yè)考研的專業(yè)課，因此學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容學(xué)習(xí)興趣較高。

2 教學(xué)理念與教學(xué)方法

2.1 教學(xué)理念

1）將課程知識與培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的綜合能力有機(jī)結(jié)合，形成自動控制的高級思維，達(dá)到提高學(xué)生職業(yè)能力和素養(yǎng)的目的。

2）引入MATLAB等科學(xué)軟件，注重課程的實(shí)用性和時(shí)代性。探討全信息化的教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)方式之間的融合，引導(dǎo)學(xué)生利用自動控制理論結(jié)合科學(xué)軟件解決實(shí)際工程問題。

3）理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合實(shí)際控制工程需求，提高教師備課質(zhì)量，增加理論知識的實(shí)用性，增強(qiáng)課程內(nèi)容的廣度和深度。

4）將課程思政與“自動控制原理”課程相融合，凝練課程思政元素，將“工匠精神”“家國情懷”等融入“自動控制原理”混合式課堂，激發(fā)學(xué)生愛國、創(chuàng)新、科技報(bào)國的思想。

2.2 教學(xué)方法

1）理論課程與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。針對“自動控制原理”課程理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)為了加強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，結(jié)合“自動控制原理”中的實(shí)例，向?qū)W生介紹在工程中如何通過MATLAB等科學(xué)軟件對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真。

2）教學(xué)過程采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法等方法。任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)方法，符合探究式教學(xué)模式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。大多數(shù)大學(xué)生有著良好的學(xué)習(xí)態(tài)度，他們學(xué)習(xí)的目的性更加明確，單靠動畫等畫面豐富的多媒體教學(xué)法去激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣已很難成功。目前，關(guān)鍵是讓他們理解和感受到所學(xué)課程對其將來成長的意義，懂得其課程間的邏輯關(guān)系，使其從“要我學(xué)”變成“我要學(xué)”，并且要把這種思想融入日常教學(xué)中，而不是采用教條主義形式的說服教育[4-6]。

3）教學(xué)方式與時(shí)俱進(jìn)?，F(xiàn)代教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，教學(xué)團(tuán)隊(duì)采用板書與多媒體相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)建設(shè)在線課程，讓學(xué)生在課前可以對“自動控制原理”重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)、在課后能夠繼續(xù)對難點(diǎn)加以理解與鞏固。在線課程的建設(shè)充分利用了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式中的不足。

4）結(jié)合行業(yè)需求和課程發(fā)展建設(shè)的需要。團(tuán)隊(duì)教師結(jié)合“自動控制原理”基本知識指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)器人、智能車以及挑戰(zhàn)杯等各級各類學(xué)科競賽，鍛煉學(xué)生的動手能力和解決實(shí)際工程問題的能力，加深對“自動控制原理”知識的理解和應(yīng)用[7-8]。同時(shí)，為了提升授課水平和教學(xué)質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)教師積極參加教育部自動化教指委舉辦的自動化類專業(yè)青年教師講課（說課）競賽和濱州學(xué)院課程標(biāo)準(zhǔn)剖析比賽，獲得三等獎一項(xiàng)、優(yōu)秀獎一項(xiàng)。

3 典型教學(xué)案例分析與設(shè)計(jì)

3.1 新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。導(dǎo)入環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)是為了引起學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使其了解自動控制系統(tǒng)，并引入本節(jié)內(nèi)容。導(dǎo)入神舟十二號飛船與空間站自動控制交會對接的案例分析，提出自動控制交會對接是如何實(shí)現(xiàn)的、什么是自動控制系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)由什么構(gòu)成等問題，進(jìn)而與學(xué)生互動。

圖1 新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.2 新內(nèi)容講授環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

知識點(diǎn)1：自動控制系統(tǒng)的概念。首先，通過駕駛過程分析控制系統(tǒng)工作原理，采用控制系統(tǒng)術(shù)語講授控制系統(tǒng)框圖模型的構(gòu)成。通過課堂互動，使學(xué)生自主思考生活中和工程中常見的控制系統(tǒng)，留課后作業(yè)讓學(xué)生自行畫出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

知識點(diǎn)2：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類。通過定速巡航自動控制讓學(xué)生理解反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制邏輯，重點(diǎn)是偏差控制的控制原理。引入馬克思主義辯證法中的事物兩面性原理，讓學(xué)生理解閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和不足，以及開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用場景，使學(xué)生熟悉自動控制系統(tǒng)的分類方法。

知識點(diǎn)3：連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。利用彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)和RLC電路數(shù)學(xué)模型，使學(xué)生掌握典型系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的方法，使學(xué)生理解不同物理域的系統(tǒng)可能具有相同的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抽象表達(dá)，具有更加普遍的意義。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003 和DPS v7.05 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。X1表示密度，X2表示N，X3表示P2O5，X4表示K2O。通過回歸分析建立4因素與豇豆產(chǎn)量之間的回歸方程，因通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的常數(shù)項(xiàng)與二次項(xiàng)系數(shù)、二次項(xiàng)系數(shù)之間都具有相關(guān)性，為方便對模型分析討論，保留不顯著的各項(xiàng)。將4個(gè)因素中的3個(gè)固定在零水平，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降維分析，得到以其中1個(gè)因素的偏回歸模型，并根據(jù)該模型做出單因素變化趨勢圖；在固定其他2個(gè)因子為零水平時(shí)，求另外2因子之間的交互作用；對所建模型進(jìn)行非線性求解得出最大值。

4 教學(xué)創(chuàng)新

教學(xué)團(tuán)隊(duì)形成“一中心、三課堂、一目標(biāo)”，即“以學(xué)生為中心”“以翻轉(zhuǎn)課堂為平臺、以智慧課堂為載體、以課堂思政為抓手”“以能力培養(yǎng)為目標(biāo)”的教學(xué)理念。

以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)。課程對標(biāo)工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，貫徹以學(xué)生為中心的OBE教育理念，授課過程中注重引導(dǎo)學(xué)生對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行討論和探究，就實(shí)際工程問題指導(dǎo)學(xué)生自行講解分析。充分發(fā)揮授課教師的主導(dǎo)作用，授課教師均具有“自動控制原理”課程多年授課經(jīng)驗(yàn)，在課堂組織、學(xué)生引導(dǎo)和知識點(diǎn)總結(jié)方面具有較高的水平。

充分發(fā)揮“三課堂”的引領(lǐng)作用。采用線上線下混合式教學(xué)，智慧樹平臺建立了“自動控制原理”課程的翻轉(zhuǎn)課堂，注重知識傳播的雙向性[9-10]；智慧課堂實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的智能化（課程錄像在智慧課堂錄制），充分利用多媒體信息化手段，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)線下授課內(nèi)容的回看；課堂思政強(qiáng)化專業(yè)知識的育人性，授課團(tuán)隊(duì)充分挖掘“自動控制原理”課程的思政元素，建立了“自動控制原理”課程思政案例庫，充分激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和科技興國的報(bào)國之情，塑造專業(yè)人才的人生觀、世界觀和價(jià)值觀。

以能力培養(yǎng)為目標(biāo)。授課過程中培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用MATLAB解決自動控制系統(tǒng)問題的綜合能力，包括用MATLAB建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、MATLAB在系統(tǒng)時(shí)域分析中的應(yīng)用、MATLAB應(yīng)用于根軌跡分析以及基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜化問題的思維和能力。

5 教學(xué)實(shí)踐與效果

濱州學(xué)院于2006年成立了電氣工程及其自動化本科專業(yè)，“自動控制原理”課程伴隨著該專業(yè)的成立而設(shè)置，并且一直是該專業(yè)的主干核心課。在多年教學(xué)工作中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常性地開展教學(xué)研討活動，密切注視國內(nèi)外控制理論在教育與科技方面的進(jìn)展，定期召開會議，制定教學(xué)大綱，有計(jì)劃、有針對性地組織觀摩教學(xué)和教學(xué)研究活動，取得了顯著的成效。“自動控制原理”課程從教材、授課內(nèi)容、授課方法和實(shí)踐教學(xué)等方面也在不斷改進(jìn)，如選用高等教育出版社程鵬主編的國家級規(guī)劃教材《自動控制原理》、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件、擴(kuò)充教學(xué)隊(duì)伍和培養(yǎng)中青年教師等，逐步建立了課程教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的整體優(yōu)化新體系。在教學(xué)效果、現(xiàn)代化教學(xué)手段、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力與素質(zhì)、教學(xué)梯隊(duì)建設(shè)、教學(xué)資源和實(shí)踐教學(xué)等方面都取得了優(yōu)異的成績。

2）課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系不斷優(yōu)化提升。“自動控制原理”課程立項(xiàng)濱州學(xué)院校級重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目，“自動控制原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究立項(xiàng)濱州學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目。一篇畢業(yè)論文被評為山東省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文。

3）考研專業(yè)課的成績得到了提升，自動化類畢業(yè)生受到了用人單位好評。通過線上線下課程的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類活動的實(shí)踐，提升了學(xué)生對自動控制原理的理解和應(yīng)用能力，學(xué)生考研專業(yè)課的成績得到了提升，多名學(xué)生考取中國民航大學(xué)自動化專業(yè)研究生進(jìn)行深造。在自動化類企業(yè)就業(yè)的學(xué)生，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的自動控制理論應(yīng)用于實(shí)際工作中，獲得了用人單位的認(rèn)可和好評。