基于系統(tǒng)觀的“自動控制原理與系統(tǒng)”課程改革與探索＊

高曉霞，徐洪亮

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130011）

1 研究背景

“自動控制理論與系統(tǒng)”課程是高職院校電氣自動化技術(shù)專業(yè)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)及智能控制技術(shù)專業(yè)的必修課。課程主要任務(wù)是使學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的相關(guān)概念，掌握自動控制系統(tǒng)分析方法，理解校正的設(shè)計原理及基本方法[1]。課程內(nèi)容涉及到“高等數(shù)學(xué)”“電工基礎(chǔ)”“電子技術(shù)”和“傳感檢測技術(shù)”等多門課程的專業(yè)知識，課程理論性強(qiáng)、知識面廣、內(nèi)容繁多，公式推導(dǎo)和計算復(fù)雜，因而課程具有相當(dāng)多的知識點，學(xué)生難于理解和掌握其核心知識[2]。加之高職院校學(xué)生與普通本科院校學(xué)生不同，大部分學(xué)生理論基礎(chǔ)知識比較薄弱，而且缺乏對理論知識學(xué)習(xí)的興趣，教師很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成。而這些專業(yè)知識理論又是學(xué)生所必須掌握的。高職院校的學(xué)生畢業(yè)后多數(shù)側(cè)重或面向生產(chǎn)一線，如何建立系統(tǒng)的概念？如何判斷一個系統(tǒng)的好壞？如何構(gòu)建整體建立全局意識？如何用科學(xué)的方法解決工程實際中的問題？這些相關(guān)知識、技能和意識需要在“自動控制原理與系統(tǒng)”課程中學(xué)習(xí)，因此教好這門課具有重要意義。

2 引用系統(tǒng)觀概念，更新教學(xué)理念，完善教學(xué)目標(biāo)

“自動控制原理與系統(tǒng)”相對其他課程，對數(shù)學(xué)和物理要求較高，高職院校的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會感覺到難度較大。在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)不能把自動控制原理當(dāng)成數(shù)學(xué)和物理來學(xué)，應(yīng)當(dāng)建立系統(tǒng)的概念，用學(xué)過的課程及相關(guān)知識點搭建一個系統(tǒng)的概念。教師講授課程時不要強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的推導(dǎo)，更多要求學(xué)生注重系統(tǒng)的背景和應(yīng)用，要求學(xué)生掌握的自控系統(tǒng)的概念、會判斷系統(tǒng)的好壞，能用具體的方法對系統(tǒng)進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷并知道如何校正。在教學(xué)過程中引入生活或企業(yè)的具體案例進(jìn)行講解和分析，從而讓學(xué)生可以建立自控系統(tǒng)的觀念和控制的思想。改變學(xué)生出現(xiàn)問題從單一的角度思考，強(qiáng)調(diào)解決實際問題時，應(yīng)從全局的角度出發(fā)，用自控的思想去思考問題，運用反饋的原理去分析和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的整體和全局意識，具體的目標(biāo)如下。

知識性目標(biāo)：①明確控制系統(tǒng)的任務(wù)、組成及自動控制的基本概念，開環(huán)控制和閉環(huán)控制的基本原理和特點；②理解系統(tǒng)的微分方程，認(rèn)識系統(tǒng)的傳函和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，熟悉拉普拉斯變換，掌握典型環(huán)節(jié)的傳函；③掌握時域分析法和頻率特性法；④掌握系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念、系統(tǒng)的穩(wěn)定必要條件、代數(shù)判據(jù)、對數(shù)頻率判據(jù)、自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的概念、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的求法，掌握系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的求取、動態(tài)性能指標(biāo)與對數(shù)開環(huán)頻特的關(guān)系；⑤理解校正的概念和基本過程，明確串聯(lián)校正、反饋校正和順饋校正的作用，并掌握利用這些手段提高系統(tǒng)性能的方法。

技能性目標(biāo)：①在理解有關(guān)自動控制系統(tǒng)的基本概念和建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，掌握并靈活運用時域法頻率法進(jìn)行系統(tǒng)分析及正確的性能分析；②掌握系統(tǒng)分析、校正的思路和方法，為日后控制系統(tǒng)的分析設(shè)計打下基礎(chǔ)。

3 改革教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建多元化的課堂

3.1 結(jié)合企業(yè)需求，修訂教學(xué)目標(biāo)，明確教學(xué)任務(wù)

“自動控制原理與系統(tǒng)”課程作為高職院校一門專業(yè)課程，須與相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)或?qū)嶋H設(shè)備聯(lián)系起來。課程從應(yīng)用的角度出發(fā)，增加對應(yīng)的技能目標(biāo)，比如：從生活的角度引入自動控制系統(tǒng)的概念，學(xué)生在理解有關(guān)的基本概念的基礎(chǔ)上，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，靈活運用時域法頻率法進(jìn)行系統(tǒng)分析及正確的性能分析；根據(jù)企業(yè)實例，展開分析，從而掌握系統(tǒng)分析方法、掌握校正的思路和方法。制定實用性強(qiáng)的教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，更新教學(xué)任務(wù)。教學(xué)內(nèi)容要時刻與現(xiàn)代智能制造領(lǐng)域中的自動控制技術(shù)相結(jié)合，也要時刻與相關(guān)企業(yè)實際相結(jié)合，樹立要在教學(xué)中解決面向?qū)嶋H工程問題的目標(biāo)，確保教學(xué)內(nèi)容與時俱進(jìn)，才能充分調(diào)動學(xué)生積極性。講解課程內(nèi)容時也務(wù)必目標(biāo)明確，從實際應(yīng)用的需求出發(fā)，不斷為學(xué)生搭建自控系統(tǒng)的框架，讓學(xué)生明確知道自己現(xiàn)在學(xué)習(xí)的內(nèi)容是自控系統(tǒng)的哪個部分，減少公式的推導(dǎo)過程，讓學(xué)生理解課程內(nèi)容和企業(yè)相聯(lián)系的部分，從而鞏固學(xué)生的理論知識。

3.2 優(yōu)化課程體系，整合教學(xué)內(nèi)容

“自動控制原理與系統(tǒng)”課程由自動控制的基本概念、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、控制系統(tǒng)的性能分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計和校正等內(nèi)容組成。由于課程內(nèi)容繁多并且理論性較強(qiáng)，在為高職學(xué)生講授時，需要精選教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)各章節(jié)不同的重點和難點，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行篩選，增加廣度同時減小理論深度。本課程設(shè)計了5個模塊[3]，分別是自動控制系統(tǒng)概述、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、分析自動控制系統(tǒng)性能常用的方法、自動控制系統(tǒng)的性能分析和自動控制系統(tǒng)的校正。

每一個模塊都有對應(yīng)的工程實例，都有具體的工作任務(wù)，例如，模塊一自動控制系統(tǒng)的概述，工作任務(wù)是通過示例和實訓(xùn)，建立起系統(tǒng)的基本概念，初步掌握由系統(tǒng)工作原理圖畫出系統(tǒng)方塊圖的方法。掌握系統(tǒng)的性能指標(biāo)，正確理解對控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。完成每個模塊，還需要分析每個模塊的重點難點，例如，模塊一的難點是系統(tǒng)組成框圖的繪制。繪制系統(tǒng)框圖是分析系統(tǒng)的最終結(jié)果，也是日后分析建立數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)，它是自控系統(tǒng)的一個入門點，所以非常關(guān)鍵。但由于實際系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，如果理論基礎(chǔ)薄弱的話，學(xué)生分不出來各部件究竟屬于組成框圖中的哪一個單元，會使初學(xué)者感到無從下手。所以在完成該部分時，教師會帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)并繪制思維導(dǎo)圖，同時總結(jié)出一套方法。常用的方法是先找到被控量，按照被控量（輸出量）→控制對象→執(zhí)行元件→放大元件→比較環(huán)節(jié)→給定元件→反饋元件（檢測元件），逐步畫出各單元的框圖，再標(biāo)寫：給定量→反饋量→擾動量→各中間變量，逐漸把組成框圖分析清楚。

本課程教學(xué)內(nèi)容源于企業(yè)崗位典型工作任務(wù)，經(jīng)過科學(xué)提煉與教學(xué)設(shè)計；課程教學(xué)目標(biāo)源于企業(yè)相關(guān)崗位知識技能要求，突出能力培養(yǎng)但不放棄對基本知識的講解，強(qiáng)調(diào)基本知識與企業(yè)實例的緊密聯(lián)系；本課程教學(xué)的實訓(xùn)系統(tǒng)源于企業(yè)實際設(shè)備，課程模塊內(nèi)容來源于實訓(xùn)設(shè)備的分解，通過分解實訓(xùn)設(shè)備各個模塊的功能，使每個環(huán)節(jié)都與自動控制的基本概念相聯(lián)系，讓學(xué)生真實看到自控系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)在設(shè)備上是怎樣的一種形式。實訓(xùn)環(huán)境是企業(yè)工作環(huán)境的縮影與再現(xiàn)。課程采用項目式教學(xué)及多種教學(xué)方法并用，將素質(zhì)教育引入專業(yè)課教學(xué)，明確學(xué)生的學(xué)習(xí)目的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，保證課程教學(xué)任務(wù)的完成與教學(xué)目標(biāo)的達(dá)到[4]。對于課程標(biāo)準(zhǔn)中要求的重點內(nèi)容，應(yīng)該做到刪繁就簡，推陳出新，涉及到的基本理論和具體應(yīng)用應(yīng)講深講透，減少公式和結(jié)論的推導(dǎo)，重點突出理論的使用方法；一些不重要的純理論性教學(xué)內(nèi)容可以略講；課程中規(guī)定的了解性內(nèi)容，應(yīng)少講或者不講等等。通過課程內(nèi)容的整合提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而加強(qiáng)高職學(xué)生對自動控制概念和方法的理解。

3.3 精選案例，強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)背景

設(shè)計課程內(nèi)容時應(yīng)精選案例，選擇案例的原則是將理論知識與生活實例相結(jié)合，將系統(tǒng)框架與工程實例相結(jié)合，使具體案例融入到教學(xué)中，可以降低學(xué)生理解的難度。講授時以問題為導(dǎo)向，引出知識點，將關(guān)鍵知識點結(jié)合具體實例，重點講解物理意義，最終以解決問題。從緒論開始注重課程的引入和方向的引導(dǎo)，課程每個章節(jié)講解都要循序漸進(jìn)，舉例要從日常生活中的實例開始，例如，從學(xué)生熟知的空調(diào)控制系統(tǒng)和熱水器控制系統(tǒng)開始，然后再引入經(jīng)典的爐溫自動控制，再到較為復(fù)雜的與工作相關(guān)的領(lǐng)域，如汽車領(lǐng)域自動噴涂系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)自動澆灌控制系統(tǒng)，最后到高科技領(lǐng)域，如自動導(dǎo)航巡航控制系統(tǒng)、人造衛(wèi)星控制系統(tǒng)等，使學(xué)生可以充分認(rèn)識自動控制領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。講授過程中，可以舉例某一個控制系統(tǒng)的分析過程，如熱水器，然后讓學(xué)生自行分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、相互關(guān)系和控制過程等。然后逐漸加大實例的難度，從而不斷地培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析能力，鍛煉學(xué)生運用課本中的知識，解決生活和工作過程中實際的自動控制相關(guān)的問題。

4 構(gòu)建“混合式”教學(xué)模式，實施多元化考核方式

4.1 線上線下有效銜接的應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息科學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，將會進(jìn)一步加快產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，也將賦能職業(yè)教育。各大教學(xué)平臺，乃至全國各大教學(xué)機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)互聯(lián)互通，各個專業(yè)開展教學(xué)時，可跳出學(xué)校有限資源的束縛，依托5G平臺里的全國乃至國際教學(xué)資源，用來準(zhǔn)備教學(xué)相關(guān)資源。尤其是在疫情后，大量的網(wǎng)絡(luò)課程出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)資源使用已經(jīng)被教師和學(xué)生所熟知。學(xué)生可通過各種智慧媒介，快速訪問云端豐富的教學(xué)資源，隨時隨地觀看直播，可看視頻完成線上學(xué)習(xí)，還可在任課老師指導(dǎo)下通過各種新型教學(xué)方式來完成線下學(xué)習(xí)。但是無論是線上教學(xué)還是線下教學(xué)都有它的缺陷，它們不僅僅是簡單的疊加融合，更重要的是如何融合。

新技術(shù)的出現(xiàn)同時對課程內(nèi)容的要求也越來越高。要求高職院校自動化類專業(yè)的學(xué)生具有較高的學(xué)習(xí)能力、分析能力和學(xué)科融合能力，線上教學(xué)能為學(xué)生提供更多的自主學(xué)習(xí)的空間，它是移動的圖書館，實現(xiàn)隨時隨地學(xué)習(xí)。線下教學(xué)可以實現(xiàn)重難點解析，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，實現(xiàn)師生之間、生生之間的個性化互動。把教學(xué)過程劃分為課前線上預(yù)習(xí)行為做指導(dǎo)、課中線下互動為核心、課后鞏固參與來夯實3個階段，如圖1所示。

圖1 課程實施

4.2 以學(xué)生為中心的多元評價體系

傳統(tǒng)的課程以試卷考核為主，以教師為中心，考核方式較為單一，缺少自主思考，難以反映學(xué)生的真實學(xué)習(xí)狀況。本課程根據(jù)學(xué)生的特點，增加了實訓(xùn)考核的比例，考核過程為過程性考核，考核以學(xué)生為中心，注重考核學(xué)生的能力。本課程利用線上線下相結(jié)合的方式開展教學(xué)，注重線上課程與線下課程有效銜接?？己朔绞骄唧w實施也是由線上和線下共同評價來完成。如圖2所示，本課程的考核內(nèi)容分以下4個部分，分別是采用線上任務(wù)20%、項目考核20%、實訓(xùn)考核20%和期末理論考核40%。線上評價可利用智慧樹或超星平臺發(fā)布學(xué)習(xí)資源和測驗、作業(yè)、課程討論等。線下評價通過考核學(xué)生掌握實訓(xùn)的程度和考核面授課程后的相關(guān)知識點來實現(xiàn)。期末理論考試改變以往死記硬背知識點的卷面考試，以綜合題為主來考核學(xué)生的能力。線下評價及考核也可利用智慧樹或超星平臺的工具，可以采集課堂學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)。這樣，通過線上線下相結(jié)合的方式來考核，參考學(xué)生課前、課中和課后學(xué)習(xí)的情況，能從多維度、多環(huán)節(jié)考核學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)能力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，課程相關(guān)數(shù)據(jù)也為教師課程改革提供了方向。

圖2 考核評價體系

5 總結(jié)

通過對“自動控制原理與系統(tǒng)”的課程特點、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)的教學(xué)方法現(xiàn)狀的分析，對課程進(jìn)行了改革，精選和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改革考核方式，采用了線上線下相結(jié)合的方式。實踐表明，通過這些改革，學(xué)生理解了自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成及相關(guān)概念，構(gòu)建了負(fù)反饋的思想，充分了解Matlab軟件的用處和意義，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的獨立思考能力、分析判斷能力和解決實際問題能力，為將來從事相關(guān)領(lǐng)域的工作打下了理論基礎(chǔ)、建立了系統(tǒng)框架。