應(yīng)用型本科院?！白詣?dòng)控制原理”課程教學(xué)改革探討

鞠亞美，孫 穎

（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093）

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的智能化轉(zhuǎn)變是中國(guó)“中國(guó)制造2025”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。而新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)與應(yīng)用模式，作為智能制造的基礎(chǔ)平臺(tái)，將在整個(gè)制造業(yè)發(fā)展過(guò)程中起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用，因此，社會(huì)對(duì)復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的需求更加迫切。另一方面，在新工科建設(shè)的大環(huán)境下，應(yīng)用型本科高校正努力培養(yǎng)同時(shí)具有社會(huì)生產(chǎn)所需的基本理論知識(shí)和技能以及符合國(guó)家發(fā)展需求的優(yōu)秀人才，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)提供了強(qiáng)有力的人才保障和技術(shù)支撐。

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化專業(yè)必修的專業(yè)課之一，在自動(dòng)化專業(yè)本科生教育培養(yǎng)中具有十分重要的位置。其內(nèi)容主要包括自動(dòng)控制的一般概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法等方面[1]。根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)，不僅要求學(xué)生能夠熟練掌握“自動(dòng)控制原理”的基本理論知識(shí)，還需要能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論應(yīng)用到實(shí)際工程中并具備一定分析問題及解決問題的能力。

到目前為止，自動(dòng)控制技術(shù)在眾多領(lǐng)域已經(jīng)起著越來(lái)越重要的作用。例如，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收，數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地制造工件等[2]。因此，“自動(dòng)控制原理”課程是應(yīng)用高水平自動(dòng)控制技術(shù)的理論前提，對(duì)學(xué)生的職業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

該課程具有數(shù)學(xué)內(nèi)容繁多、概念抽象、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)。在建模、分析、設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)（如“大學(xué)物理”“數(shù)學(xué)分析”“電路原理”等）、發(fā)散思維和空間想象力具有很高的要求[3]。由于知識(shí)點(diǎn)抽象難理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易碰到困難，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不強(qiáng)。本文針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程在當(dāng)前教學(xué)方法中存在的問題與不足，進(jìn)行教學(xué)改革研究，并提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

1 教學(xué)中存在的問題

1.1 教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以教師授課為主，教師支配教學(xué)資源、模式和流程，學(xué)生根據(jù)教師的思路進(jìn)行學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)思考的能力較差，同時(shí)教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程、學(xué)習(xí)狀態(tài)也難以準(zhǔn)確把握，因此整體教學(xué)成果較差。

此外，由于客觀條件的限制，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)比較單一，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容大都依據(jù)課本設(shè)計(jì)，缺少綜合性強(qiáng)、設(shè)計(jì)性高的實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果也很差。

1.2 缺乏工程實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)對(duì)提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力具有重要作用，僅僅靠章節(jié)練習(xí)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。此外，設(shè)計(jì)性的實(shí)踐教學(xué)大多停留在書本上，與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)深度結(jié)合的工程實(shí)踐的內(nèi)容較少，充其量只是完成了知識(shí)點(diǎn)上的驗(yàn)證，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力沒有得到培養(yǎng)，無(wú)法清楚了解專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與職業(yè)要求的真正內(nèi)涵；此外，傳統(tǒng)的教學(xué)方式中沒有足夠重視仿真軟件的教學(xué)與應(yīng)用，使得學(xué)生的編程能力沒有得到系統(tǒng)的訓(xùn)練。

1.3 評(píng)價(jià)體系單一

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于單一化，過(guò)分注重學(xué)生考核的形式與考核任務(wù)的完成，沒有注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，需要對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的差異性進(jìn)行考核，進(jìn)而做到因材施教。

2 改進(jìn)教學(xué)的方法

2.1 采用在線翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，為“自動(dòng)控制原理”創(chuàng)建了新的教學(xué)平臺(tái)，如翻轉(zhuǎn)課堂、微課、遠(yuǎn)程教學(xué)等[4]。翻轉(zhuǎn)課堂是目前十分流行的創(chuàng)新教學(xué)模式，其主要的教學(xué)過(guò)程為學(xué)生先在網(wǎng)絡(luò)上學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，再由任課教師進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，主要區(qū)別在于學(xué)生學(xué)習(xí)的順序發(fā)生改變[5]。

在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生先預(yù)習(xí)，然后再由教師講解。教師教學(xué)過(guò)程中的主要精力集中在知識(shí)點(diǎn)的講解，學(xué)生的主要精力集中在知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶。由于課程時(shí)間緊湊，導(dǎo)致師生之間缺乏交流與溝通，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與實(shí)際應(yīng)用并不深刻。然而，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生先觀看教師提供的在線教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后教師針對(duì)學(xué)生的問題，與學(xué)生進(jìn)行探討并進(jìn)行解答，最后分小組解決具體實(shí)際問題。這種教學(xué)模式可做到即時(shí)學(xué)、按需學(xué)和重復(fù)學(xué)，滿足學(xué)生的個(gè)體差異性，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，進(jìn)一步促使并提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自行思考的能力及自行解決問題的能力。因此，采用該模式的教學(xué)方式，可以真正解決學(xué)生的共性和個(gè)性問題。從而有效避免了部分學(xué)生因基礎(chǔ)差導(dǎo)致上課聽不懂、抄作業(yè)、曠課等問題的出現(xiàn)。

由以上分析可以看出，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行了優(yōu)化整合[6]。具體而言，學(xué)生課前將自主完成課程基礎(chǔ)知識(shí)的初步學(xué)習(xí)，節(jié)約了大量教學(xué)時(shí)間，師生雙方有更多的互動(dòng)交流。因此，教師不但能有更多的時(shí)間與學(xué)生探討問題，而且還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解過(guò)程中存在的問題，找出學(xué)生存在的共性問題，并對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)與講解，方便及時(shí)采取一定措施來(lái)彌補(bǔ)上一階段教學(xué)中存在的不足。學(xué)生則擁有更多的時(shí)間來(lái)消化知識(shí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，同時(shí)將所學(xué)的理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，從而提高學(xué)生的獨(dú)立解決問題和思考問題的能力。

2.2 不同教學(xué)方式的結(jié)合

眾所周知，“自動(dòng)控制原理”這門課程具有理論性強(qiáng)、圖形分析法多等特點(diǎn)，同時(shí)各種分析方法之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，從不同的角度解決控制系統(tǒng)的性能。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，經(jīng)常把類似的知識(shí)點(diǎn)混淆，導(dǎo)致教學(xué)效果變差，無(wú)法靈活運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)來(lái)解決實(shí)際問題[7]。為了解決此類問題，教師在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)采用比較式教學(xué)方法，將控制系統(tǒng)的性能分析方法進(jìn)行分類、比較與總結(jié)，進(jìn)而建立起各種分析方法之間的必然聯(lián)系，使學(xué)生深刻理解并掌握“自動(dòng)控制原理”的基本知識(shí)。例如，控制系統(tǒng)的分析方法主要包括時(shí)域分析法，頻域分析法，跟軌跡分析法[6]。時(shí)域分析方法是利用閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程式來(lái)進(jìn)行分析，頻域分析法是借助開環(huán)傳遞函數(shù)畫奈式圖來(lái)進(jìn)行分析，根軌跡分析法是利用開環(huán)傳遞函數(shù)畫根軌跡圖來(lái)進(jìn)行分析。

另外，在課堂上也可以采用啟發(fā)式教學(xué)方法。比如，在課堂教學(xué)的過(guò)程中不斷提出問題，讓學(xué)生進(jìn)行思考與討論，找到解決問題的思路與方法。換言之，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過(guò)程中讓學(xué)生積極參與進(jìn)來(lái)，這樣不僅能鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與內(nèi)容

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中教學(xué)方案中的不足之處，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作以及相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用能力，真正意義上做到理論與實(shí)際的結(jié)合，形成具有多層次、多元化的教學(xué)體系[8]。

應(yīng)用型本科“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式應(yīng)發(fā)生改變，應(yīng)該把多媒體技術(shù)或者一些新的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過(guò)程中[9-10]。具體制作圖文并茂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件來(lái)演示實(shí)驗(yàn)的整體操作流程以及實(shí)際工況下的工作原理，這樣不僅便于學(xué)生理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，將實(shí)驗(yàn)室具體安排信息發(fā)布到學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)上，有助于學(xué)生查詢實(shí)驗(yàn)信息，提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的效率。并且，還可以從實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱入手，在原來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化、完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等教學(xué)內(nèi)容。與此同時(shí)，讓學(xué)生參與到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，并根據(jù)教師提供的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了提升學(xué)生的發(fā)展空間，教師可以為學(xué)生設(shè)計(jì)專門的MATLAB計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室，并讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行上機(jī)操作，使其更加深入理解“自動(dòng)控制原理”的理論知識(shí)，更深層次培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合應(yīng)用能力，同時(shí)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問題的能力及創(chuàng)新意識(shí)。

3 創(chuàng)造工程實(shí)踐環(huán)境

3.1 校企共建工程實(shí)踐教學(xué)中心

“自動(dòng)控制原理”中關(guān)于實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)對(duì)提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力具有重要作用。良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與氛圍是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和獨(dú)立動(dòng)手能力的重要基地[7]。學(xué)校和知名企業(yè)在共同發(fā)展與進(jìn)步的基礎(chǔ)上，融合企業(yè)的有力資源與優(yōu)勢(shì)，引進(jìn)最先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備與技術(shù)，共同建立實(shí)踐創(chuàng)新基地。依托該平臺(tái)，以產(chǎn)學(xué)研的形式增加工程實(shí)訓(xùn)，自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生可以到一些企業(yè)參加實(shí)訓(xùn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中了解自動(dòng)化相關(guān)問題的解決方式。這樣不僅能幫助企業(yè)解決實(shí)際問題，也可以大大提高學(xué)生創(chuàng)造性完成設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)的能力。此外，學(xué)校與企業(yè)共同組織學(xué)生參加一些競(jìng)賽（例如“互聯(lián)網(wǎng)+”、中國(guó)大學(xué)工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽等），在競(jìng)賽中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感與使命擔(dān)當(dāng)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生將新穎的想法轉(zhuǎn)化成專利，將智能的算法進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，這樣不僅大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和學(xué)習(xí)興趣，更收獲了寶貴的知識(shí)、技能和經(jīng)驗(yàn)。學(xué)校也可以不定期地邀請(qǐng)一些企業(yè)資深專家給學(xué)生做報(bào)告，更加專業(yè)地傳授自動(dòng)控制領(lǐng)域在實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)的問題及具體的解決辦法，讓學(xué)生了解更多的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)背景。

3.2 采用理論與實(shí)踐為一體的教學(xué)模式

眾所周知，應(yīng)用型本科教學(xué)除了要掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，也需要掌握實(shí)用的工程應(yīng)用技術(shù)。因此，為了更好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，在“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用理論與實(shí)踐為一體的教學(xué)模式。依托工程實(shí)踐教學(xué)中心，將教學(xué)過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行對(duì)接，將理論應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，將抽象知識(shí)變成具象知識(shí)，讓學(xué)生在實(shí)際生產(chǎn)中充分感受到知識(shí)的應(yīng)用性，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際一體化教學(xué)。具體來(lái)說(shuō)，在本科教學(xué)的過(guò)程中，應(yīng)采用“實(shí)例教學(xué)”。例如，在介紹關(guān)于“線性系統(tǒng)的校正方法”學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，通過(guò)介紹“水箱液位控制系統(tǒng)”的工作原理，結(jié)合其工作時(shí)的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，能夠讓學(xué)生清楚了解控制器參數(shù)的改變對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響；為了讓學(xué)生更好地理解微分方程的建立過(guò)程，把機(jī)械阻尼系統(tǒng)等實(shí)際案例貫穿于整個(gè)課程的教學(xué)過(guò)程中，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

另外“自動(dòng)控制原理”的實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生編程能力的要求也很高，學(xué)生可將筆記本電腦帶到工程實(shí)踐教學(xué)中心，通過(guò)利用最新的仿真軟件（如MATLAB、LABVIEW等）對(duì)一些控制理論算法進(jìn)行仿真模擬學(xué)習(xí)，將仿真內(nèi)容與“自動(dòng)控制原理”結(jié)合起來(lái)。具體而言，在時(shí)域分析學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生可以借助MATLAB語(yǔ)言，直觀地觀察到系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)與時(shí)間變化的關(guān)系曲線，并通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)更好分析各種信號(hào)之間的變化過(guò)程。這樣不僅能有效鞏固課堂上的所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，又學(xué)會(huì)了MATLAB語(yǔ)言的編程技巧；同時(shí)提高了學(xué)生的邏輯思維能力[10-11]，也培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力。

4 優(yōu)化評(píng)價(jià)體系

在整個(gè)教學(xué)的過(guò)程中，教師扮演著控制者，學(xué)生扮演著被控對(duì)象，而“反饋信號(hào)”是評(píng)價(jià)體系[12]。教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的反饋信號(hào)（課堂上的表現(xiàn)情況及課后作業(yè)的完成情況），進(jìn)行教學(xué)方法上的優(yōu)化與改革，提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到教書育人的培養(yǎng)目標(biāo)。一方面，在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師可通過(guò)學(xué)生評(píng)價(jià)、督導(dǎo)查課、教師自我評(píng)價(jià)等方式，來(lái)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題并及時(shí)改進(jìn)與總結(jié)，為之后的教學(xué)方法提供參考；在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力來(lái)分組完成不同的項(xiàng)目，難度系數(shù)不同，最終的分值相同。另一方面，在期末考試的過(guò)程中，應(yīng)將傳統(tǒng)的考試方式（閉卷考試為主、平時(shí)考勤為輔）進(jìn)行改革。從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的角度出發(fā)，可以將考試模式轉(zhuǎn)化為“筆試+實(shí)驗(yàn)+論文”的綜合考核方式，將考試的重點(diǎn)變成考核學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，讓學(xué)生參與一些小課題，培養(yǎng)學(xué)生讀文獻(xiàn)、查資料、做調(diào)研、做實(shí)驗(yàn)等綜合思維能力與實(shí)踐動(dòng)手能力，與培養(yǎng)應(yīng)用型人才相呼應(yīng)。值得注意的是，根據(jù)教學(xué)大綱、學(xué)生的完成度等情況可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整考試模式各環(huán)節(jié)所占的比例?？偠灾?，通過(guò)教師與學(xué)生之間的溝通與交流，建立可執(zhí)行的評(píng)價(jià)體系，為保證課程教學(xué)質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的監(jiān)控機(jī)制。

5 結(jié)論

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化類等工科專業(yè)十分重要的專業(yè)課程之一，是其他相關(guān)專業(yè)課程的強(qiáng)有力支撐，為學(xué)生從事自動(dòng)化生產(chǎn)與制造等相關(guān)行業(yè)提供了不可或缺的理論基礎(chǔ)。因此，本文在應(yīng)用型本科教學(xué)改革的背景下，對(duì)“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)方法、工程實(shí)踐環(huán)境、評(píng)價(jià)體系3個(gè)方面的問題進(jìn)行探討與改進(jìn)，并提出了一些切實(shí)可行的教學(xué)改革新思路。旨在培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、自主創(chuàng)造能力和積極學(xué)習(xí)能力等，用所學(xué)的理論知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜的工程問題，為綜合型工程人才培養(yǎng)和工程科技創(chuàng)新提供有力的支持與保障。