計算機控制系統(tǒng)課程思政混合式教學改革與實踐

摘要：為實現(xiàn)專業(yè)知識傳授、能力提升和價值引領(lǐng)的有機融合，本文探索了計算機控制系統(tǒng)課程思政混合教學模式。為完成立德樹人的任務，制定了融入課程思政的課程目標，同時結(jié)合專業(yè)知識多角度設計了思政案例。基于BOPPPS模型，構(gòu)建了“課前導學-課堂教學-課后拓學”三層次混合教學模式，并以Smith預估算法為例進行了教學設計。這為自動化專業(yè)課的課程思政教學改革提供了有益探索。

關(guān)鍵詞：計算機控制系統(tǒng)；課程思政；BOPPPS模型；混合式教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）34-0150-06開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0引言

教育部于2018年發(fā)文《關(guān)于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，明確提出了“堅持立德樹人，德育為先；堅持學生中心，全面發(fā)展；堅持分類指導，特色發(fā)展”等幾項基本原則[1]。為進一步貫徹落實這幾項原則，2020年教育部頒布了《高等學校課程思政建設指導綱要》，指出全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰(zhàn)略舉措，是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務，同時強調(diào)專業(yè)課程是課程思政建設的基本載體。在工科類專業(yè)課程教學中要把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學生正確認識問題、分析實際問題和解決具體問題的能力，培養(yǎng)廣大學生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學生科技報國的家國情感和社會責任擔當。

2021年，教育部印發(fā)《普通高等學校本科教育教學審核評估實施方案（2021—2025年）》，這是在建設教育強國戰(zhàn)略背景下教育部啟動實施的新一輪審核評估[2]。本輪審核評估強調(diào)“立德樹人”是教育教學的根本任務，要求各高校不但要重視專業(yè)知識的講授，還要深挖課程的思政元素對學生進行價值引導，使知識傳授與思政教育形成協(xié)同效應，使能力和素質(zhì)目標落到實處[3]。目前，高校自動化專業(yè)對課程思政教育進行了許多研究和探索，尤其是在計算機控制系統(tǒng)課程的思政案例庫建設、思政教學改革、教學案例設計等方面取得了較好的成績[4-7]。為了迎接新一輪的審核評估，推進課程思政建設，改革教育教學手段，依托自動化專業(yè)的計算機控制系統(tǒng)課程，本文探討了融入課程思政的混合式教學模式。

1計算機控制系統(tǒng)概述

計算機控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的核心課程，注重工程實踐，對學生理解和掌握自動化概念、理論、方法和技術(shù)至關(guān)重要。在教學過程中，不僅要注重本課程知識的內(nèi)涵，還要關(guān)注知識的外延和拓展。如何提高教學效果和教學質(zhì)量，改革思政教學內(nèi)容和方法，一直是計算機控制系統(tǒng)教學改革關(guān)注的焦點[8]。一方面，要改革教學模式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力；另一方面，要推進課程思政建設，將思想政治教育貫穿于專業(yè)課教學的全過程，培育出德才兼?zhèn)涞娜瞬拧?/p>

經(jīng)過課程組教師的共同努力，在課程思政建設方面取得了一些成績，但仍存在著一些教學問題亟待解決，主要包括教學方式單一，使得學生學習動力不足、興趣不濃；理論和實際應用結(jié)合得不夠緊密，學生的實踐和創(chuàng)新能力需要提升；思政元素融入方式生硬，思政案例偏少，思政教學效果還得再提高。為了解決這些問題，本課程以“學生為中心”作為教學改革的核心，首先明確融入課程思政的教學目標，根據(jù)思政育人目標建立了思政案例庫；隨后基于BOPPPS模型對傳統(tǒng)教學模式進行了改革和探索，以Smith預估算法為例設計了教學案例，最后總結(jié)了教學實踐效果。

2融入課程思政的課程目標

根據(jù)計算機控制系統(tǒng)課程教學大綱，學生在學習本課程后，在知識、能力、素養(yǎng)等方面達到如下要求。

2.1課程知識能力目標

學生能夠描述計算機控制系統(tǒng)的基本概念、典型結(jié)構(gòu)和工作原理；能夠運用理論方法建立離散控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，計算離散系統(tǒng)的技術(shù)指標，分析離散系統(tǒng)的基本特性；根據(jù)性能指標要求，能夠進行控制算法、軟硬件和抗干擾的設計。能夠利用Matlab軟件完成計算機控制系統(tǒng)的設計和仿真，并解釋分析仿真結(jié)果。依據(jù)被控對象或生成過程的工藝要求，運用專業(yè)知識完成計算機控制系統(tǒng)的方案設計與實現(xiàn)。

2.2課程思政育人目標

本課程以立德樹人為根本任務，堅持社會主義核心價值觀，在知識傳播中實現(xiàn)價值引領(lǐng)，在價值傳播中凝聚知識底蘊，以思政案例為抓手，確保實現(xiàn)下列思政育人目標。

1）通過應用領(lǐng)域思政案例，讓學生了解計算機控制行業(yè)發(fā)展背后的中國智慧和中國力量，激發(fā)學生的學習熱情和民族自豪感。

2）通過科研領(lǐng)域思政案例，培養(yǎng)學生勤于思考的習慣，科學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度，在實踐中感受科學精神、工匠精神、創(chuàng)新精神和探索精神。

3）通過行業(yè)領(lǐng)域和“引申”領(lǐng)域思政案例，培養(yǎng)學生的職業(yè)道德和社會責任感，增強對電力及相關(guān)行業(yè)的認同感和歷史使命感。

3思政案例庫的建設

為了落實課程思政育人目標，通過思想政治主題報告會、黨支部組織生活會、教研活動和說課大賽等形式，對計算機控制系統(tǒng)課程知識進行梳理，多角度挖掘思政元素，建設了思政案例庫。

3.1行業(yè)領(lǐng)域思政案例

東北電力大學是新中國第一所電力工科學校，自1949年建校以來，向我國電力行業(yè)輸送了大量科技人才，為我國電力事業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻。因此，電力行業(yè)的“人”和“事”更會引起學生們的關(guān)注和共鳴。案例①：介紹我國火電廠、水電站、核電站和新能源電站的投運情況，介紹計算機控制技術(shù)在電力行業(yè)中的應用，例如火電廠過熱汽溫、給水流量和磨煤機轉(zhuǎn)速等，水電站水輪機轉(zhuǎn)速、核電站蒸汽發(fā)生器液位、光伏電站最大功率點跟蹤、風機槳距角等參數(shù)的控制。案例②：介紹本學院優(yōu)秀校友“全國五一勞動獎章”獲得者包文杰在特高壓輸電線路運檢工作中的事跡，他取得今天的成績離不開堅毅的品質(zhì)、克服困難的勇氣和工匠精神。這些案例可以讓學生高度關(guān)注發(fā)電企業(yè)的前景，激發(fā)他們愛崗敬業(yè)的精神，并做好職業(yè)規(guī)劃。

3.2科研領(lǐng)域思政案例

在計算機控制領(lǐng)域有許多學者，他們的事跡具有勵志教育的作用。案例①：中國科學家在計算機控制系統(tǒng)領(lǐng)域的重要貢獻，如錢學森、楊振寧等杰出科學家的事跡，激發(fā)學生的民族自豪感和愛國熱情。案例②：采樣定理，又稱香農(nóng)采樣定律或奈奎斯特采樣定律，是信息論，特別是通信與信號處理領(lǐng)域中重要的結(jié)論。克勞德·香農(nóng)和哈利·奈奎斯特為此作出了巨大的貢獻，讓學生了解科學家們追求真理、嚴謹細致的創(chuàng)新精神，同時激發(fā)學生對工程實踐和科研工作的興趣。

3.3應用領(lǐng)域思政案例

計算機控制技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務和家庭等方面。案例①：電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)和醫(yī)療設備控制系統(tǒng)都是計算機控制技術(shù)的經(jīng)典應用案例，通過這些案例討論基礎設施建設對國家安全和社會穩(wěn)定的重要性，增強學生的國家認同感和主人翁意識，培養(yǎng)學生的社會責任感和服務人民的使命感。案例②：自動駕駛汽車依賴于一系列計算機控制系統(tǒng)來感知環(huán)境、做出決策并執(zhí)行駕駛操作，性能分析是確保自動駕駛系統(tǒng)安全性和可靠性的關(guān)鍵。通過這個案例討論科技創(chuàng)新對社會生活的影響，鼓勵學生投身于科技進步，為國家的科技發(fā)展貢獻力量。

3.4“引申”領(lǐng)域思政案例

結(jié)合專業(yè)、課程知識和專業(yè)術(shù)語等，引申至人生觀、價值觀和世界觀的思政案例，可以引起學生的關(guān)注，從而達到思政育人的目的[9]。案例①：香農(nóng)采樣定理是本專業(yè)研究生復試中常出現(xiàn)的面試問題，可以引出話題：“你為什么考研？”“你將如何度過研究生階段？”“你想從事什么樣的工作？”案例②：數(shù)字PID控制器的三個參數(shù)整定時要考慮離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性，相互制約的三個因素是需要合理選擇，體現(xiàn)出兼顧三者平衡的重要性，這充分反映了辯證唯物主義和諧共生思想[8]?？梢砸鲈掝}：“求職時去大城市意味著挑戰(zhàn)和機遇，回小城市意味著安逸和局限，如何抉擇？”。根據(jù)這些話題，發(fā)布問題調(diào)研，分析調(diào)研結(jié)果，引導學生樹立正確的職業(yè)發(fā)展觀，做好職業(yè)規(guī)劃。

上述4個類型的思政案例，包含了愛國主義精神、思想引領(lǐng)、科學態(tài)度、社會責任、職業(yè)精神和意識擔當?shù)榷鄬用嫠颊?，兼顧了深度和廣度，可以更好地對學生的思想觀念、價值態(tài)度進行引導教育，思政熏陶。

4三層次混合式課程思政教學模式探索

BOPPPS教學模型是一種以建構(gòu)主義和交際法為理論依據(jù)的教學模式，強調(diào)學生參與和反饋的閉環(huán)教學過程模型，它將課堂教學分為導言（Bridge-in）、目標（Objectives）、先測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory-Learning）、后測（Post-assessment）和總結(jié)（Summary）等6個環(huán)節(jié)[10-11]?；贐OPPPS模型，本文探索了“課前-課堂-課后”三層次教學模式，如圖1所示。

4.1課前導學（導言B+學習目標O+前測P）

為了讓學生在課前能夠了解每堂課的教學任務和教學內(nèi)容，首先根據(jù)教學大綱，明確教學目標和教學方式，分析學情，做好教學內(nèi)容梳理。其次設計預習課件，包含主要知識點，推薦的在線學習資料，自制的微課視頻，討論題和自測題等內(nèi)容，利用雨課堂、微信群或QQ群等渠道發(fā)布，以第2次課為例展示了預習課件的內(nèi)容，如表1所示。最后，通過微信群或QQ群在線答疑，利用雨課堂后臺數(shù)據(jù)追蹤學生學習進度和存在的問題，靈活調(diào)整課堂教學進度。學生根據(jù)預習課件所營造的教學情境中完成自主預習，通過教材自學、微課視頻和在線課程助學、合作互學掌握學習內(nèi)容，完成在線自測題，發(fā)現(xiàn)不足并加以鞏固。

4.2課堂教學（參與式學習P+后測P+總結(jié)S）

BOPPPS模型強調(diào)學生是教學的主體，學生要全程參與學習而不是僅僅聽教師講課。在課堂教學時，教師需要啟發(fā)和引導學生積極思考，主動參與教學過程中，進而建構(gòu)自己的知識體系。對于教學重點和難點，采用板書推導演繹并詳細講解，借助雨課堂和多媒體，有機融入仿真示例、實際應用案例和課程思政等內(nèi)容，做好“示范”環(huán)節(jié)。有重點、有針對性地解答預習中學生遇到的問題，再設置一些啟發(fā)式問題，層層追問，舉一反三，做好“反饋”環(huán)節(jié)。通過示范和反饋兩個環(huán)節(jié)搭建“階梯”，才能逐步增加知識的探索性成分，逐步放手讓學生自己獨立思考和探索。學生在課堂上可以參與雨課堂的彈幕討論和小組討論，互動交流，提升對知識點的掌握和應用能力。彈幕討論主要針對講課過程隨時互動的話題，小組討論適用于課前導學過程中預先設計的問題和課后拓學中布置的仿真作業(yè)、實踐訓練項目和文獻泛讀任務等。

表2中列舉了部分章節(jié)的課堂教學環(huán)節(jié)，以“5.5數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定”為例，通過多媒體講解數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的常規(guī)方法，即試湊法、臨界比例度法和響應曲線法。之后在Simulink仿真環(huán)境中，針對二階對象使用試湊法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)，通過閉環(huán)離散系統(tǒng)響應曲線的變化，分析控制器三個參數(shù)的作用。接著融入課程思政案例，數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定時要考慮離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性，針對不同的被控對象，三者之間要有不同的取舍，充分體現(xiàn)了辯證唯物主義和諧共生思想。通過雨課堂提出問題“如何評價閉環(huán)離散系統(tǒng)的單位階躍響應曲線？”，學生可以通過彈幕進行回答。最后，引出群智算法，用于整定數(shù)字PID控制器參數(shù)，將書本上的知識進行了外延和拓展。

4.3課后拓學

課后，教師利用微信群或QQ群進行互動答疑，通過雨課堂布置課后作業(yè)、測驗、仿真作業(yè)、實踐訓練項目和文獻閱讀任務，推送科技文獻、實踐訓練項目學習資料，學生利用課后業(yè)余時間進一步拓展專業(yè)知識。由雨課堂的后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計作業(yè)和測驗的完成情況，反映了學生對課堂內(nèi)容的掌握程度，據(jù)此教師可以隨時調(diào)整課堂教學進度。仿真作業(yè)是指根據(jù)課程知識點設計的仿真實驗項目，分析仿真結(jié)果驗證相應的理論知識。例如：閉環(huán)離散系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和準確性分析，三階對象有紋波/無紋波最少拍控制系統(tǒng)設計與仿真，二階對象改進數(shù)字PID控制系統(tǒng)設計與仿真、火電廠過熱汽溫Smith-PID控制系統(tǒng)與仿真等。依托學院西門子實踐培訓基地，根據(jù)“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽的競賽題目設立實踐訓練項目，例如：反應釜溫度PID控制系統(tǒng)設計，基于OPC技術(shù)的SMPT-1000鍋爐液位系統(tǒng)設計等。文獻閱讀任務是指根據(jù)課程知識點，教師優(yōu)選文獻或由學生查閱文獻，學生通過文獻泛讀了解理論知識在實踐過程中的應用。

課后作業(yè)和測驗，學生需要獨立完成并通過雨課堂提交。仿真作業(yè)、實踐訓練項目和文獻閱讀任務，學生可以分為多個小組，同組同學合作完成，制作PPT并進行匯報。仿真作業(yè)和實踐訓練項目培養(yǎng)學生的實踐動手能力和團隊協(xié)作溝通能力，文獻閱讀培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和科研創(chuàng)新精神，增強對所學專業(yè)的自信感和認同感。

5Smith預估算法教學設計

5.1教學目標

1）知識能力目標

掌握Smith預估算法和兩種改進算法的基本原理，了解該算法在火電廠過熱汽溫中的應用。熟練使用Matlab仿真軟件，完成過熱汽溫Smith-PID控制系統(tǒng)的設計與仿真，分析Smith預估算法的作用和閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能。

2）思政育人目標

培養(yǎng)學生工程思維能力和實踐動手能力，培養(yǎng)學生的職業(yè)道德和社會責任感，增強對電力及相關(guān)行業(yè)的認同感和歷史使命感。

5.2教學重點與教學難點

教學重點為分析Smith預估算法的基本原理。教學難點為分析Smith預估算法缺點，闡述兩種改進算法的基本原理。

5.3整體教學設計

整個教學過程包括課前導學、課堂教學和課后拓學三個階段，如表3所示，表中介紹了每個階段的教學活動、教學平臺和時間分配等內(nèi)容。

1）課前導學

教師通過雨課堂推送預習課件，包括以下幾方面內(nèi)容：

①介紹主要知識點：Smith補償原理，改進Smith預估算法及其工業(yè)應用。

②分享自制的微課視頻：Smith補償原理。

③推薦中國慕課兩門在線學習課程的相關(guān)章節(jié)：東北大學《計算機控制系統(tǒng)》第4.4節(jié)，北京交通大學《計算機控制技術(shù)》第4.5節(jié)。

④發(fā)布自測題：方框圖等效變換有哪些原則？數(shù)字PID控制器參數(shù)如何整定？Smith預估算法為模擬化設計方法，該說法（）A.正確；B.錯誤。Smith預估算法有哪些缺點？

教師引導學生預習和自學，在微信群里與學生互動答疑，根據(jù)雨課堂后臺數(shù)據(jù)梳理學情，在講課過程中才能有的放矢。

2）課堂教學

①情景創(chuàng)設，引入主題

首先回顧上次課的主要知識點，包括數(shù)字PID控制和大林算法的原理、參數(shù)設計步驟和應用場合。提出兩個問題：“帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)有什么特點？火電廠中有哪些帶有純滯后的系統(tǒng)？”，學生思考和討論后通過雨課堂彈幕進行回答，引出本次課的主題。

②推導演繹，突出重點

教師利用板書推導帶領(lǐng)學生一起分析純滯后特性和Smith補償原理。針對含有純滯后環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)（如圖2），求取閉環(huán)傳遞函數(shù)，引導學生從穩(wěn)、準、快三個方面分析系統(tǒng)性能。引入Smith預估算法，針對圖3所示系統(tǒng)再次求取閉環(huán)傳遞函數(shù)并分析系統(tǒng)性能，對比后學生可以直觀理解Smith補償原理。拋出思考題：Smith預估算法有什么缺點？學生思考討論后通過雨課堂彈幕作答。引出兩種改進的Smith預估算法，如圖4和圖5所示，由學生推導系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)并分析改進后的優(yōu)點。

③融入思政，塑造價值

介紹我國火電廠、水電站、核電站和新能源電站等投運情況，包括14座超大裝機容量火力發(fā)電廠、十大水力發(fā)電站、投產(chǎn)和在建的核電站、光伏、風力和潮汐等新能源發(fā)電的概況以及計算機控制技術(shù)在電力行業(yè)中的運用。讓學生了解電力行業(yè)的精神和魅力，增強對自動化專業(yè)的認同感與自豪感，提升學科專業(yè)自信。

④仿真演示，科研導向

針對火電廠過熱汽溫被控對象，設計基于Smith預估算法的PID控制策略，并完成系統(tǒng)仿真。梳理科技文獻，介紹Smith預估算法與模糊控制、滑?？刂?、預測控制等算法相結(jié)合的控制策略，以及它們在工業(yè)過程中的應用。

⑤課堂小節(jié)及作業(yè)布置

總結(jié)本次課重點內(nèi)容，細化知識掌握的程度，布置仿真作業(yè)和文獻泛讀任務。

3）課后拓學

教師通過雨課堂發(fā)布仿真作業(yè)和文獻泛讀任務，在微信群和教研室進行線上和線下答疑。①仿真作業(yè)：以電廠過熱汽溫、再熱汽溫和過熱汽壓等為被控對象，設計基于Smith預估算法的控制策略，制作PPT完成系統(tǒng)仿真和分析。②文獻泛讀任務：泛讀下列文獻：Smith預估補償與積分分離PID在供熱控制系統(tǒng)中的應用、基于抗擾動Smith預估補償?shù)哪ッ簷C出口風粉溫度優(yōu)化控制、Smith預估補償控制在燃煤電廠煙氣脫硝控制系統(tǒng)的應用，制作PPT介紹Smith預估算法在生產(chǎn)過程中的應用。學生分成6個小組，前3組完成仿真作業(yè)，后3組完成文獻泛讀任務，下次課按小組進行匯報。

5.4教學方法

1）推導演繹法

對于主要知識點，采用板書推導演繹方式，完成方框圖等效變換及閉環(huán)傳遞函數(shù)求取，并在推導過程中層層設問，步步引申，加深學生的理解，進而提高學習興趣。

2）多媒體輔助法

對于課程思政元素，借助多媒體、PPT和雨課堂進行講解。圖片、動畫和視頻等多個信息渠道有助于增加學生的感性認知，充分調(diào)動學生學習的積極性。

3）問答引導法

對于課堂互動話題和仿真示例，采用啟發(fā)式提問、雨課堂彈幕和學生討論等形式，大大提高學生的課堂教學參與度。

6教學改革實踐效果

在我院自動化卓越專業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程教學改革中，采用了基于BOPPPS模型的混合式教學模式，取得了良好的實踐效果。

6.1學生成績和實踐能力顯著提高

學生期末成績逐年改善，尤其90分以上人數(shù)逐年增多，如圖6所示。近四年，自動卓越2019—2021級共15人次參加“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，取得了11項省級獎和4項國家級獎，其中2023年取得了國家級一等獎1項，如表4所示。

6.2思政教育效果顯現(xiàn)

自動化卓越同學上課時積極參與課堂互動、小組匯報和彈幕討論等環(huán)節(jié)中，教學中多角度多渠道融入課程思政元素，結(jié)合仿真示例、文獻泛讀和實踐訓練項目，讓知識傳授從課內(nèi)延伸到了課外，讓專業(yè)課變得有活力和感染力，實現(xiàn)了專業(yè)知識傳授、能力提升和價值引領(lǐng)的同向而行。

6.3教師教學能力提升和課程思政建設初見成效

計算機控制系統(tǒng)課程獲評2023年校級課程思政示范課。課程組成員1人獲評2023年吉林省高校課程思政教學優(yōu)秀案例，1人在校級第三屆智慧課堂教師說課大賽中獲得二等獎。

本文探討了計算機控制系統(tǒng)課程的思政教育和混合式教學模式，雖然取得了一些實踐經(jīng)驗和成果，但課程思政混合式教學改革尚處于起步階段，未來還需要在以下幾方面繼續(xù)探索和完善該教學模式。首先，從豐富內(nèi)容、擴大覆蓋面以及突出行業(yè)特色等方面繼續(xù)建設思政案例庫。其次，探索多元的過程化考核形式，有效融入思政目標評價。最后，依托黨支部理論學習、教研活動、公開課等形式，進一步夯實課程組教師的思政理論基礎，繼續(xù)提高思政教學效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】

基金項目：吉林省高等教育學會教育科研課題“融入課程思政的計算機控制系統(tǒng)混合教學模式研究與實踐”（JGJX2021D121）