新工科背景下自動控制原理課程教學(xué)模式探究與實踐

胡汪洋，江善和，陳世軍，張朝龍

（安慶師范大學(xué) 電子工程與智能制造學(xué)院，安徽 安慶）

一 引言

為深化推進(jìn)新工科建設(shè)，2020 年5 月，教育部印發(fā)了《未來技術(shù)學(xué)院建設(shè)指南（試行）》的通知，指出要把握新工科“新的工科專業(yè)、工科的新要求”建設(shè)內(nèi)涵，突破常規(guī)、突破約束、突破壁壘，探索專業(yè)學(xué)科交叉合作規(guī)律，探索未來科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才培養(yǎng)新模式，探索工程人才培養(yǎng)的中國方案[1-2]。

“新工科”是指新興工科專業(yè)，如人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計算等原來沒有的專業(yè)，一是對傳統(tǒng)工科專業(yè)（電子信息科學(xué)技術(shù)、建筑工程、機(jī)械、材料、自動化、交通工程、冶金、采礦、系統(tǒng)工程等等）的升級改造，實現(xiàn)更新的理念、更好的模式、更高的教育質(zhì)量。二是強(qiáng)調(diào)新結(jié)構(gòu)和新體系，新結(jié)構(gòu)要與社會產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配，既面向當(dāng)前急需，又考慮未來發(fā)展，新體系是促進(jìn)學(xué)校教育與社會教育的有機(jī)結(jié)合[3]。

《自動控制原理》課程是自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中綜合性很強(qiáng)的專業(yè)課，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，涉及電路分析、機(jī)械原理等專業(yè)培養(yǎng)前序課程，核心內(nèi)容包括自動控制系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)（穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性）、過程分析（時域法、頻域法等）、類型特點(diǎn)（連續(xù)、離散、線性、非線性等）、綜合校正和設(shè)計方法等[4]。在長期的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)該課程主要存在重難點(diǎn)內(nèi)容抽象性強(qiáng)，高等數(shù)學(xué)理論要求高，注重理解與實踐相結(jié)合，課程章節(jié)前后關(guān)聯(lián)性密切等特點(diǎn)，部分學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱，如跟不上課程節(jié)奏及容易造成后續(xù)學(xué)習(xí)困難。

結(jié)合我校地方性地方應(yīng)用型高水平大學(xué)辦學(xué)定位，主要圍繞“區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級”充分發(fā)揮支撐作用。同時在人才培養(yǎng)理念革新和教育教學(xué)模式進(jìn)行改革[5-7]，以培養(yǎng)適應(yīng)于未來工程科技發(fā)展需求的復(fù)合型、創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才，培育學(xué)生具備比較扎實的行業(yè)背景知識、較強(qiáng)工程實踐和創(chuàng)新、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)和溝通交流等多重能力。圍繞以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為中心的新工科教育理念，我們提出更新一種與之相符的自控原理課程教學(xué)方案，面向全體學(xué)生，關(guān)注學(xué)習(xí)成效，建設(shè)質(zhì)量文化，持續(xù)提升學(xué)校工程人才培養(yǎng)水平。

二 自動控制原理教學(xué)現(xiàn)狀分析與思考

（一） 課程教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)側(cè)重于時域分析和控制器設(shè)計等

所在教研室在11 月29 日聆聽了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳剛教授《面向智能制造的自動化專業(yè)教學(xué)改革》主題報告，報告中以《自動控制原理》課程教學(xué)舉例，一些大學(xué)不講信號流圖，確實用處不大且僅限于考試，Routh-Hurwitz 穩(wěn)定性判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)也提倡少講；例如華北電力大學(xué)（保定）的教學(xué)改革試驗，不講復(fù)頻域法，頻域法也少講，這是過程控制行業(yè)的特色，過程控制系統(tǒng)有純滯后，甚至是大純滯后、大慣性，在頻域、復(fù)頻域中建模、分析和設(shè)計都很不方便，反倒是在時域中研究更容易理解，分析、設(shè)計更加方便。一些大學(xué)不講根軌跡，控制器設(shè)計增多了PID 控制器內(nèi)容，但主要還是超前、滯后、超前滯后校正網(wǎng)絡(luò)。

（二） 課中環(huán)節(jié)涉及重難點(diǎn)內(nèi)容部分學(xué)生呈現(xiàn)滯后

因《自動控制原理》課程內(nèi)容與電路分析、機(jī)械原理、高等數(shù)學(xué)等知識關(guān)聯(lián)性大，如有源無緣電路網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)、拉氏變換、卷積分、傅里葉級數(shù)、Routh-Hurwitz 判據(jù)等基礎(chǔ)概念或原理都是必備掌握要點(diǎn)[8]，且該課程中針對控制系統(tǒng)時域和頻域性能分析等章節(jié)的知識點(diǎn)本身就有一定的抽象性，而學(xué)生的基礎(chǔ)知識掌握程度和理解能力差異性較大，導(dǎo)致部分學(xué)生不能及時理解通透知識要點(diǎn)，出現(xiàn)掉節(jié)奏跟不上教學(xué)計劃內(nèi)容現(xiàn)象，反復(fù)呈現(xiàn)非良性循環(huán)后學(xué)習(xí)積極性逐漸降低，甚至放棄該課程學(xué)習(xí)。

（三） 實踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動思考

因?qū)W校當(dāng)前實驗室硬件條件有限，延用的還是老版的DSP 試驗箱，結(jié)合示波器、信號發(fā)生器做理論課程中有關(guān)“典型環(huán)節(jié)”的驗證型實驗，內(nèi)容上較為單一，且實驗課程設(shè)置較為固定，第二、第三課堂進(jìn)行的不夠深入，因此往往學(xué)生理解理論僅停留在完成實驗，而主動思考控制原理和分析解決問題的能力有待進(jìn)一步加強(qiáng)。可建立以驗證型實踐教學(xué)內(nèi)容為輔，課程綜合涉及和創(chuàng)新設(shè)計為主的拓展實踐教學(xué)體系。

（四） 教學(xué)中間過程線上線下融合不夠

傳統(tǒng)第一課堂向線上線下混合式新型第一課堂正處于逐漸轉(zhuǎn)換的過程，當(dāng)前《自動控制原理》課程線上線下教學(xué)結(jié)合方式較為單一，第一課堂中還是以PPT 多媒體輔助課堂教學(xué)為主，線下MOOC 資源輔助課堂教學(xué)和自主學(xué)習(xí)方式融合不夠，結(jié)合自身教學(xué)實踐、教研室同行和學(xué)生深度評價，該課程MOOC 資源的主體作用還有待進(jìn)一步充分挖掘，融入課堂教學(xué)過程需一定時間積累才能形成完整課程教學(xué)體系。

（五） 應(yīng)注重加強(qiáng)課程思政教學(xué)研究

在自動控制原理課程教學(xué)研究中，應(yīng)注重挖掘思政元素，突出應(yīng)用目的，例如在講反饋原理是，將自己的現(xiàn)狀與理想做差比較，由認(rèn)識自己的進(jìn)步增加自信心（正反饋），由防止產(chǎn)生倦怠避免停止進(jìn)步（負(fù)反饋）；在講系統(tǒng)輸入量和輸出量時，教會學(xué)生當(dāng)遇到挫折“系統(tǒng)”遭遇外來干擾量時，應(yīng)以一種積極心態(tài)改變自己的“固有特性”，我們在干擾存在的情況下仍要保持穩(wěn)定和不斷地輸出，同時教育學(xué)生不僅要在校園學(xué)習(xí)生涯學(xué)好專業(yè)知識，更要培養(yǎng)堅強(qiáng)的意志力和敢于受挫的能力；在講控制系統(tǒng)綜合校正章節(jié)時，教會學(xué)生在人生偏離預(yù)期時，注重“三省吾身”避免誤入歧途，在過程中及時“校正”。只要教師注重從學(xué)生人文關(guān)懷的角度出發(fā)，勤于總結(jié)思考類比，每章節(jié)均可挖掘思政元素，達(dá)到理想教學(xué)效果[8]。

三 自控原理智慧教學(xué)模式探究

（一） 總體方案

圍繞解決自動控制原理傳統(tǒng)課程中側(cè)重點(diǎn)不明確、重難點(diǎn)內(nèi)容不易掌握、學(xué)生主動思考不強(qiáng)、課堂線上線下融合不夠等問題，圍繞新工科背景下地方性應(yīng)用型高水平大學(xué)辦學(xué)目標(biāo)，初步探索了針對該課程如圖1 所示的“三維融合”的改革教學(xué)模式。

圖1 教學(xué)改革模式總體設(shè)計

（二） 課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

在每次授課前兩天, 在MOOC 教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布課程預(yù)習(xí)教案，具體內(nèi)容包括本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)、重難點(diǎn)和問題清單;在新知識學(xué)習(xí)前需要復(fù)習(xí)哪些知識點(diǎn); 列出問題清單, 通過問題引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí),實現(xiàn)課前自學(xué)。下表1 是以《自動控制原理》第四章根軌跡繪制為例進(jìn)行說明。

表1 根軌跡繪制章節(jié)預(yù)習(xí)教案

（三） 課中理論教學(xué)環(huán)節(jié)

（1）加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源共享。把傳統(tǒng)第一課堂教學(xué)方式優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)優(yōu)勢有效結(jié)合，教師的教學(xué)行為由課堂上擴(kuò)展到了課堂外，學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外，當(dāng)出現(xiàn)課程跟不上掉節(jié)奏時，采取“先記后補(bǔ)”學(xué)習(xí)方式，課上先記錄，課下自習(xí)時間通過校園MOOC 平臺、線上互動平臺及時消化課程計劃內(nèi)容，加以鞏固。結(jié)合課程教材實際，在本學(xué)期所帶專業(yè)課程中為學(xué)生推送了與教材匹配清華大學(xué)董景新教授主講的《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)視頻資源共享，保障學(xué)生跟上節(jié)奏與學(xué)習(xí)進(jìn)度。

圖2 校園MOOC 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺課前預(yù)習(xí)教案

（2）探索網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源輔助授課方式。通過選擇合適網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行重難點(diǎn)理論講解或啟發(fā)性授課，例如在第四章根軌跡章節(jié)，是具體分析和設(shè)計線性定?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性的圖解方法，使用簡便并在工程實踐中應(yīng)用廣泛，屬于重難點(diǎn)內(nèi)容，現(xiàn)有教材中列舉了實例講解如何利用基本法則與公式畫出根軌跡圖，但漸近線與實軸交點(diǎn)交角、分離點(diǎn)坐標(biāo)、實軸虛軸上軌跡交點(diǎn)等各法則對應(yīng)求解公式的證明方法未有說明，課堂中若花費(fèi)大量時間深入講解較為困難，這種情況下選擇利用華中科技大- 自動控制原理(合集)MOOC 資源的詳細(xì)證明方法和優(yōu)質(zhì)實例演示動畫PPT，采取網(wǎng)課資源輔助教學(xué)并將資源共享學(xué)生的方式，邊看教學(xué)資源邊做重點(diǎn)講解，幫助同學(xué)們課堂理解和課后復(fù)習(xí)。在第一章緒論部分，圍繞控制系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用發(fā)展，播放機(jī)器人發(fā)展史紀(jì)錄短片和自動生產(chǎn)線碼垛機(jī)械手臂操作短視頻，目的是通過尋找非直接教學(xué)型網(wǎng)絡(luò)資源輔助授課，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步理解控制系統(tǒng)對工程應(yīng)用的重要性，激發(fā)同學(xué)們產(chǎn)生學(xué)好該課程的愿望，同時該方式對活躍課堂氛圍有較好的影響。新型教學(xué)模式既可以發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，又可以發(fā)揮學(xué)生的主體性作用。尤其是“重、難點(diǎn)”系列微視頻，拓展了多樣化教學(xué)模式和第一課堂育人主渠道，讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中有途徑做到“溫故而知新”。

（3）理論結(jié)合工程實踐創(chuàng)新案例講解。結(jié)合“新工科”教學(xué)模式改革和《自動控制原理》課程教學(xué)大綱，把課程教學(xué)重點(diǎn)放在了控制系統(tǒng)模型建立、思路講解和案例分析上，基本按照“一點(diǎn)一例”的方式，注重加強(qiáng)學(xué)生理論結(jié)合實踐的應(yīng)用理解，例如在講授第二章建立受控機(jī)械對象數(shù)學(xué)模型章節(jié)時，以個人研究課題顆粒物小袋包裝糾偏控制系統(tǒng)和空中料柱預(yù)測補(bǔ)償稱重控制系統(tǒng)為例，舉例說明了控制系統(tǒng)的六大基本環(huán)節(jié)和相應(yīng)輸入輸出控制變量，前者是位置參數(shù)信號，后者是稱重精度，并由此引出介紹了控制系統(tǒng)性能分析三要素，即穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，采取結(jié)合案例分析講解方式，幫助于學(xué)生產(chǎn)生“浸入式”思考，強(qiáng)化他們對理論知識在工程實踐應(yīng)用上的理解。

（4）提升適應(yīng)新形勢線上線下混合式教學(xué)能力。在疫情期間對18 自動化專業(yè)同學(xué)采取了線上授課方式，建立騰訊會議學(xué)習(xí)群共享上課界面，演示了matlab 實例操作過程，并且采取網(wǎng)頁錄制功能，幫助同學(xué)們可以回放上課視頻復(fù)習(xí)實踐，由此提高學(xué)生將理論知識和工程實踐進(jìn)行結(jié)合。

（四） 課后答疑交流環(huán)節(jié)

（1）構(gòu)建師生良好互動氛圍，必須依靠平時有效的課堂外教學(xué)管理，設(shè)置“教師在線答疑專區(qū)”，一是針對學(xué)生提出的個別性問題，建立qq 班級課程交流群，在線上答疑時間展開有針對性交流討論，在定期討論過程中就和學(xué)生形成了良性互動，有助于掌握學(xué)生對每章節(jié)內(nèi)容的理解程度，從而適當(dāng)調(diào)整課程講解進(jìn)度。二是針對學(xué)生存在的共性問題通過上傳解題詳細(xì)步驟附件或微視頻至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，如根軌跡分離點(diǎn)高階方程求解步驟、奈氏圖判斷穩(wěn)定性方法等，供學(xué)生下載后隨時觀看或暫?；胤沤饣?也有利于自主學(xué)習(xí)。三是鼓勵學(xué)霸分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗和方法，形成學(xué)生間互幫互學(xué)濃厚氛圍。

（2） 加強(qiáng)課后練習(xí), 除了布置傳統(tǒng)的練習(xí)作業(yè)外，也可在校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺布置線上作業(yè)，圍繞培養(yǎng)學(xué)生工程實踐應(yīng)用能力提升，注重布置結(jié)合工程實踐案例的作業(yè)，設(shè)計了關(guān)于控制系統(tǒng)matlab 仿真階段性作業(yè)，包括建立爐溫控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型、轉(zhuǎn)化零極點(diǎn)增益模型、串并聯(lián)閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，構(gòu)建水位控制系統(tǒng)PID 控制器，并繪制其線性定常連續(xù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、斜坡響應(yīng)、加速度響應(yīng)曲線等。要求學(xué)生盡可能用所學(xué)知識解決實際工程問題，強(qiáng)化獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新意識。

四 課程考核評價與教學(xué)效果分析

（一） 課程考核評價

在本學(xué)期面向2019 機(jī)制專業(yè)學(xué)生授課過程中，采用了以上分析的學(xué)習(xí)資源共享、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)、工程實踐案例講解、線上線下混合等多維結(jié)合的教學(xué)模式改革后，著重依靠學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生理論結(jié)合工程實踐應(yīng)用基本素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生分析工程實際問題并嘗試綜合運(yùn)用所學(xué)解決問題的能力。在這種情況下，不能采用傳統(tǒng)考核方式，而要加強(qiáng)對學(xué)生中間學(xué)習(xí)過程給予關(guān)注和評價，圍繞平時課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、考核，注重評價多元化和考核過程化，考核內(nèi)容和分值如表2 所示。

表2 課程考核綜合成績評價說明表

（二） 教學(xué)效果分析

結(jié)合2020 機(jī)制（專升本）和2019 機(jī)制兩個專業(yè)自動控制原理課程教學(xué)改革實踐效果，采取對學(xué)生實驗成績及期末考試成績進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3 所示，反映出學(xué)生期末考試成績與課中表現(xiàn)實驗成績之間具有非常好的正相關(guān)性，期末成績較好同學(xué)均在課中參與師生互動率較高，并且19 機(jī)制專業(yè)學(xué)生期末綜合平均成績?yōu)?4.3 分，在同標(biāo)準(zhǔn)情況下比2020 級機(jī)制（專升本）該專業(yè)課程期末平均綜合成績高15.5 分，及格率、優(yōu)秀率均有較高提升，這也表明了高質(zhì)量的師生互動更加有助于學(xué)生對知識的內(nèi)化吸收。綜合來看，采取三維融合教學(xué)模式得到了授課專業(yè)學(xué)生的積極支持，不僅體現(xiàn)在學(xué)生到課率上升，而且明顯感受到學(xué)生聽課更加認(rèn)真，課中互動效果明顯，課堂氣氛活躍，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

圖3 課中表現(xiàn)成績與期末考試成績的相關(guān)分析

五 結(jié)語

教育理論中強(qiáng)調(diào)知識的掌握共分為知識獲取、知識理解、知識拓展、知識糾錯和知識應(yīng)用5 個階段，這與自動控制原理課程教學(xué)的最終目標(biāo)不謀而合，就是在有限的時間內(nèi)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)學(xué)生的將理論知識轉(zhuǎn)化到工程實踐的能力。因此本課題的研究重點(diǎn)是如何讓學(xué)生既扎實學(xué)好專業(yè)知識，又充分提高學(xué)習(xí)效率，達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。

針對這一核心問題，本文結(jié)合新工科背景和所在學(xué)校的辦學(xué)定位，從智慧教學(xué)的內(nèi)涵意義考察，初步探究了關(guān)于自動控制原理課程三維融合教學(xué)改革模式，采取啟發(fā)性和鼓勵式的教學(xué)方法，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和教學(xué)資源提升學(xué)生課前課后自主學(xué)習(xí)能力，將課中寶貴時間充分應(yīng)用于師生高質(zhì)量互動學(xué)習(xí)，有效掌握學(xué)生對知識的理解程度，對應(yīng)調(diào)整課程進(jìn)度安排；利用校園MOOC 平臺等多種教學(xué)資源和教學(xué)手段,精心備好授課教案，設(shè)計新穎實用的工程實踐案例并按“一講一練”方式投入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生靈活思考和創(chuàng)新思維方式，讓學(xué)生們真正清楚“新工科”的內(nèi)涵意義，從質(zhì)上提高學(xué)生動手實踐解決問題和自主學(xué)習(xí)的能力。此外，我們將教學(xué)中間過程評價貫穿了課程考核全過程，客觀評價了學(xué)生對課程知識掌握的學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提升和創(chuàng)新實踐思維養(yǎng)成，提高自動控制原理課程本科教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)校適應(yīng)型工程人才培養(yǎng)水平持續(xù)提升。該模式下的教學(xué)方法和實踐經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)課程借鑒推廣。