自動控制原理課程教學(xué)改革思考與實踐

陳祖星 馮俊杰 王艷紅 任明月

摘要：針對目前自動控制原理課程特點及教學(xué)中存在的問題，本文采取優(yōu)化課程內(nèi)容、豐富教學(xué)方法和手段、實踐教學(xué)改革、評價方式改革等方面開展教學(xué)改革，提升課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，使學(xué)生能合理安排時間，提高自主學(xué)習(xí)能力，改善教學(xué)質(zhì)量，得到了良好的教學(xué)成效。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；自主學(xué)習(xí)；評價方式改革

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）06-0150-03

自動控制原理是自動化、電氣及其自動化、電子信息工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計專業(yè)人才的必修課程[1]。該課程以高等數(shù)學(xué)、電路基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)等課程為基礎(chǔ)，后續(xù)有運動控制原理、現(xiàn)代控制理論等課程，在整個專業(yè)人才培養(yǎng)方案課程體系中起著重要作用[2]。在課程教學(xué)過程中，針對目前教學(xué)中存在的問題，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”為中心的教學(xué)理念，以提升學(xué)生能力為出發(fā)點，理論與實踐相結(jié)合，開展教學(xué)改革和課程建設(shè)探索[3]。

1 自動控制原理課堂教學(xué)現(xiàn)狀

由于該門課程主要以微積分、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)，涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、理論分析，學(xué)生學(xué)起來總體感覺較為枯燥。在教學(xué)過程中工程案例較少，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時不能結(jié)合實際理解內(nèi)容本質(zhì)，致使學(xué)習(xí)效果較差，難以提升學(xué)生的思維和能力。

從教學(xué)方法和手段來看，傳統(tǒng)教學(xué)方式主要以教師的“教”為中心，未能較好地體現(xiàn)以學(xué)生的“學(xué)”為中心。課堂教學(xué)方式單一，討論互動較少，缺乏對學(xué)生主觀思考分析、自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)[4]。如何使學(xué)生變被動為主動、提高教學(xué)效果是課程改革的主要目的。由于該課程在整個課程體系中起著承上啟下的作用，學(xué)生對該門課程知識的理解與掌握程度，將直接影響到后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，因此教學(xué)質(zhì)量和效果十分重要[5]。如何提高該課程教學(xué)質(zhì)量和效果具有重要的意義。

2 教學(xué)改革解決的問題

自動控制原理系統(tǒng)的闡述了自動控制技術(shù)領(lǐng)域的基本概念、基本規(guī)律、從建模分析到應(yīng)用控制器的設(shè)計等內(nèi)容。全面地給出了線性控制系統(tǒng)的時域分析方法、頻域分析法、根軌跡法以及控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計等方法。通過該課程的學(xué)習(xí)，能使學(xué)生全面了解自動控制系統(tǒng)的組成、分類及其應(yīng)用概況，掌握自動控制的基本理論、典型的分析方法及線性系統(tǒng)的校正方法，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定扎實的基礎(chǔ)。同時具有一定的分析和解決有關(guān)自動控制實際問題的能力。通過教學(xué)改革，解決的問題主要有以下幾個方面：

2.1 課程教學(xué)內(nèi)容僵化

自動控制原理課程作為一門專業(yè)核心課程，其知識點內(nèi)容廣泛且較為復(fù)雜，且課程的學(xué)時有限。采用傳統(tǒng)的課程教學(xué)方法與手段較為單一，學(xué)生很難將自動控制原理的知識與其他專業(yè)課程進行有機融合，無法滿足新工科背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)以及學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，難以提高學(xué)生的專業(yè)綜合能力。

2.2 課堂教學(xué)理念陳舊

對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教學(xué)活動的主題是教師，學(xué)生被動地參與，整個教學(xué)過程枯燥無味，學(xué)生缺乏批判性思維，缺乏積極主動的思考，課堂教學(xué)更多注重知識講授，忽視培養(yǎng)學(xué)生思維的培養(yǎng)解決復(fù)雜問題的綜合能力，從而不能達到教學(xué)要求，實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

2.3 學(xué)習(xí)評價內(nèi)容單一

傳統(tǒng)學(xué)習(xí)效果評價中，教學(xué)評價內(nèi)容單一，多以終結(jié)性（期末）考試為主，平時成績僅包括出勤、作業(yè)、筆記、實驗等，且在整門課程考核中所占比重較少，過程性評價設(shè)計及評價標(biāo)準(zhǔn)不夠明確和凸顯，學(xué)生期末突擊的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，忽略了對學(xué)生過程學(xué)習(xí)評價。

3 教學(xué)改革的主要措施

該課程的特點是具有高等數(shù)學(xué)等理論課程的抽象性和嚴(yán)謹(jǐn)性，又具有工程類課程的實踐性。結(jié)合課程建設(shè)和課堂教學(xué)主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、課程思政、實踐教學(xué)、考核評價等幾個方面開展課程建設(shè)和教學(xué)改革。

3.1 啟發(fā)學(xué)生思考，增強學(xué)習(xí)主動性

該課程在傳統(tǒng)的教學(xué)條件下，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以教師為中心，學(xué)生被動式地接受知識，師生課堂對話較少；且課程的知識點較為廣泛且復(fù)雜，學(xué)生對控制系統(tǒng)缺乏基本的認(rèn)知，會導(dǎo)致學(xué)生理解困難，又因課時數(shù)的限制課堂講述內(nèi)容受限，實例與實踐機會會更少，最新的控制系統(tǒng)研究進展和發(fā)展趨勢很難進入課堂教學(xué)；內(nèi)容更新慢，理論與實踐脫節(jié)，學(xué)生難以理解，所以在教與學(xué)兩方面的難度都非常大。因此，課堂教學(xué)中，教師可以制作動畫演示實驗小課件，增加課堂趣味性，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。教師在給學(xué)生講授知識的時候要給學(xué)生留出一定的思考空間，結(jié)合應(yīng)用實例，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實際，利用所學(xué)理論思考分析問題，啟發(fā)他們?nèi)ニ伎己吞剿?，使學(xué)生的學(xué)習(xí)始終處于“問題—思考—探索—解答”的積極參與狀態(tài)。這樣不僅使學(xué)生保持濃厚的興趣和注意力的高度集中， 增強他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性，而且鍛煉學(xué)生獨立思考和邏輯推理的能力，并最終體會到概念的內(nèi)涵和規(guī)律的實質(zhì)。

3.2 明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

自動控制原理課程知識點多且復(fù)雜，課程設(shè)置為48學(xué)時，在有限的學(xué)時中，學(xué)生不僅需要將理論知識學(xué)會，而且要能夠靈活運用，因此明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容十分重要。從知識、能力、素質(zhì)三個方面設(shè)置課程目標(biāo)，使學(xué)生掌握系統(tǒng)控制的基本理論和工程基礎(chǔ)知識，能夠運用控制理論相關(guān)知識控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計和分析的能力，培養(yǎng)解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階思維。并激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷與使命擔(dān)當(dāng)。以“理論-分析-設(shè)計-仿真”為主線，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容。目前已將教學(xué)內(nèi)容劃分為40余個知識點或小節(jié)，配備相應(yīng)的測試題，將超星學(xué)習(xí)通平臺高度融入各教學(xué)環(huán)節(jié)中。

進一步豐富教學(xué)資源，完成教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、課程教案、教學(xué)課件、學(xué)習(xí)視頻、學(xué)習(xí)測試、習(xí)題庫等的建設(shè)工作。在學(xué)習(xí)通平臺建立課程教學(xué)班級群，建立QQ群輔助教學(xué)。對學(xué)習(xí)的全過程進行監(jiān)督、管理和評價。注重學(xué)科發(fā)展要求，使課程內(nèi)容不斷得到更新，保持課程內(nèi)容的先進性。

3.3 探索課程教學(xué)模式，改革教學(xué)方法

體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，積極探索課程教學(xué)模式改革，推進現(xiàn)代信息技術(shù)與課堂教學(xué)的深度融合。做到“線上線下有機融入，課上課下深入結(jié)合”。重視課程內(nèi)容的設(shè)計，需要將課程所有知識點進行細(xì)化，通過超星學(xué)習(xí)通平臺推送給學(xué)生開展課前自主學(xué)習(xí)，根據(jù)學(xué)生對內(nèi)容的預(yù)習(xí)情況，學(xué)情分析，便于課堂有針對性地開展教學(xué)活動。

課堂教學(xué)教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體。突出教師是課堂的“導(dǎo)演”，學(xué)生是“主演”。設(shè)置問題提出、課堂引入、內(nèi)容講解、師生互動、重點強調(diào)、學(xué)生總結(jié)、隨堂測試等環(huán)節(jié)組織開展課堂教學(xué)活動；課堂教學(xué)中設(shè)計課堂測驗、課堂問卷、搶答、選人、主題討論，課堂練習(xí)等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)師生互動和反饋，提高互動效率。課后通過平臺推送作業(yè)，鞏固新知，教學(xué)改進。為了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，需要學(xué)生將課程知識掌握的同時，能夠進行系統(tǒng)設(shè)計與分析，形成自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的思維，提高學(xué)生的能力和素養(yǎng)目標(biāo)。

3.4 強化實踐環(huán)節(jié)，開展實踐教學(xué)改革

自動控制原理課程是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程。同時開展理論與實踐教學(xué)，學(xué)生將會加深對理論知識的理解，使抽象的問題具體化、形象化。進而提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。實踐教學(xué)采用Matlab 軟件仿真與實驗箱硬件實驗相結(jié)合的方式開展。讓學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)中實現(xiàn)Matlab仿真演示，增強對抽象理論的感性認(rèn)識。通過Simulink仿真實驗，學(xué)生將會對該門課程的理論知識理解更深刻，如：線性系統(tǒng)的時域分析、頻域分析以及控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計等；通過波形分析，更加深刻理解信號調(diào)制與解調(diào)、抽樣定理與信號恢復(fù)等內(nèi)容。通過信號與系統(tǒng)綜合實驗平臺開展硬件實驗，它提供了信號的頻域、時域分析的實驗手段，利用該綜合實驗平臺可進行各響應(yīng)信號的時域分析，信號頻譜的分析與研究等內(nèi)容，采用模塊化形式，以功能單元來劃分，電路原理一目了然。通過示波器觀測信號波形。通過實驗教學(xué)，進一步培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考能力和創(chuàng)新能力。

實踐教學(xué)要求：一是在實踐教學(xué)活動中，學(xué)生要占據(jù)主體地位，以教輔學(xué)；二是實踐教學(xué)不能陳舊，要與現(xiàn)階段實踐技術(shù)進行結(jié)合。

3.4.1 學(xué)生為主體，分層次組織實踐

學(xué)生在實踐教學(xué)過程中要突出其主體地位，以學(xué)生為主體，實踐過程中的每一步都由學(xué)生自己一步一步完成，遇到問題了要求他們自己嘗試去解決。目前學(xué)生多數(shù)在做一些簡單的驗證性的實踐，在準(zhǔn)確把握原理的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)學(xué)生程度的不同，分層次組織不同級別的實踐，不僅可以鍛煉學(xué)生的實踐能力，還可以啟發(fā)學(xué)生的思維。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，將實驗分為基礎(chǔ)性、綜合性、研究型。

3.4.2 與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合，與時俱進

實踐教學(xué)的內(nèi)容與形式，手段和方法要與時俱進，與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合。實踐的教學(xué)內(nèi)容與形式安排要有利于學(xué)生掌握基本理論知識與實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，因此需要分層次組織實踐?；A(chǔ)性的實踐設(shè)備很多學(xué)校都可以配備，但是要配備一些綜合性和研究型的實踐設(shè)備可能會遇到些困難。在經(jīng)費和條件有限的前提下，教師可以自己研發(fā)自制設(shè)備供自己使用，比如倒立擺、雙容水箱等控制系統(tǒng)，教師可以以此為題目申請項目課題，研發(fā)自制設(shè)備供自己使用，既做科學(xué)研究，又節(jié)省成本，還能創(chuàng)造條件使學(xué)生將所學(xué)單片機等知識應(yīng)用于實踐，更多地接觸工程實際，激發(fā)學(xué)生積極參與的熱情。實踐手段和方法可以與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合，從而更好地為實踐服務(wù)。采用比較完善的實踐管理系統(tǒng)，采用先進的輔助實踐教學(xué)，可以大大節(jié)省人力和時間，使大容量的學(xué)生都可以有條不紊地完成所需的實踐。

3.5 與工程實踐相結(jié)合，解決實際問題

由于自動控制原理課程理論性強，與工程結(jié)合密切，教學(xué)中若只是注重純理論知識的傳授，如數(shù)學(xué)模型的介紹、時域及頻域性能指標(biāo)的計算等，那么面對抽象的傳遞函數(shù)，學(xué)生一定不會在頭腦中產(chǎn)生被控對象和控制器的物理概念和工程概念，在下一步的專業(yè)學(xué)習(xí)或今后工作中就不知如何著手應(yīng)用所學(xué)知識去解決實際問題。因此在教學(xué)中要求教師不僅要講授一些基本原理和方法，還應(yīng)與工程實踐相結(jié)合，適當(dāng)?shù)貙⒛壳把芯康臒狳c以及當(dāng)前最新科研成果引入教學(xué)，以充實課堂，既可以提高學(xué)生的興趣，又可以激勵他們的學(xué)習(xí)勁頭。另外，結(jié)合現(xiàn)階段企業(yè)需求，講述該專業(yè)如何滿足社會行業(yè)需求等問題，提高學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)的主動性和緊迫感。

3.6 堅持立德樹人的教育理念，重視課程思政教育

堅持立德樹人根本任務(wù)，深入挖掘該課程德育育人元素，將科技前沿、社會奉獻等思政元素融入課程教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)德育教育與知識傳授相融合，形成價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授的三維課程教學(xué)目標(biāo)，注重愛國情懷、職業(yè)素養(yǎng)、工匠精神等的培養(yǎng)。實現(xiàn)知識傳授與德育教育的同向同行、有機融合，將專業(yè)素養(yǎng)和社會主義核心價值觀相結(jié)合，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

3.7 開展考核方式改革，實現(xiàn)多元化評價。

以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為中心，重設(shè)課程評價標(biāo)準(zhǔn)，注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價。課程考核采取定性考核與定量考核、成果考核與過程考核相結(jié)合。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案及學(xué)校相關(guān)管理辦法，明確課程目標(biāo)、確定考核方式?？偝煽冇蛇^程成績（占40%）和期末成績（占60%）組成。過程評價由課堂表現(xiàn)、課前自主學(xué)習(xí)、作業(yè)、平時測驗、課程論文等部分組成，并設(shè)定評價標(biāo)準(zhǔn)，使過程性評價更加科學(xué)化、可視化。

4 結(jié)束語

自動原理課程作為自動化等專業(yè)的基礎(chǔ)課，在整個人才培養(yǎng)課程體系中具有重要作用。落實“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以能力培養(yǎng)為主線，不斷推動教學(xué)改革探索與實踐，同時將科技發(fā)展前沿成果、思政元素等引入課程，落實立德樹人根本任務(wù)。課堂教學(xué)中，突出教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的理念，教師是導(dǎo)演、主要演員之一，學(xué)生是主演。教師從傳統(tǒng)課堂中教學(xué)主導(dǎo)者變成學(xué)生學(xué)習(xí)的幫助者、引導(dǎo)者和促進者，學(xué)生由知識的被動接受者變成課堂活動的積極參與者。以能力為目標(biāo)，以任務(wù)驅(qū)動為核心，對教學(xué)內(nèi)容進行重新調(diào)整和優(yōu)化，理順各知識點之間的關(guān)聯(lián)性，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)更加富有挑戰(zhàn)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生課堂參與度，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。通過開展課程建設(shè)和課堂教學(xué)改革，提升課堂教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：梁書】