“自動控制原理”教學(xué)改革發(fā)展動向

摘 要：“自動控制原理”作為機(jī)械電子工程、電氣工程及其自動化、機(jī)器人工程等工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要包括控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、針對脈沖與階躍指令的時域響應(yīng)分析、針對正弦與余弦指令的頻域響應(yīng)分析、控制系統(tǒng)校正等方面的內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題有非常重要的作用。本文針對近幾年來關(guān)于“自動控制原理”課程方面的教學(xué)研究與改革做了深入的調(diào)研和分析，并結(jié)合當(dāng)前社會科技、文化等方面的發(fā)展情況對后續(xù)此課程在教學(xué)方法、教學(xué)資源、沉浸式學(xué)習(xí)、課程思政建設(shè)、課程圖譜建設(shè)、考核評價等方面改革的發(fā)展動向給出了相應(yīng)的預(yù)判，以期為此課程的教學(xué)探索與改革起到拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；控制工程；教學(xué)改革；發(fā)展動向

1 概述

“自動控制原理”作為機(jī)械電子工程、電氣工程及其自動化、機(jī)器人工程等工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要講授控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、針對脈沖與階躍指令的時域響應(yīng)分析、針對正弦與余弦指令的頻域響應(yīng)分析、控制系統(tǒng)校正等方面的內(nèi)容。為了提高學(xué)生在控制系統(tǒng)工程方面的能力，大量文獻(xiàn)針對本課程從課程教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考評方法等方面進(jìn)行了研究與改革探索。從國內(nèi)發(fā)展階段來看，我國已走到了民族復(fù)興的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)，國家綜合實(shí)力邁上了嶄新的臺階。從生產(chǎn)力表現(xiàn)形式來看，新的物質(zhì)生產(chǎn)力在信息化、智能化條件下形成，關(guān)鍵性技術(shù)突破成為生產(chǎn)力增長的重要源泉。因此，當(dāng)前形勢對自動控制工程方面的人才提出了越來越高的要求，亟須開展適應(yīng)當(dāng)前形勢或迎接未來新形勢的“自動控制原理”教學(xué)改革。

2 研究現(xiàn)狀

參考文獻(xiàn)［1］針對課程中的時域響應(yīng)分析、頻域響應(yīng)分析等基礎(chǔ)理論知識采用實(shí)驗(yàn)室已有的小型實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證；針對課程中的根軌跡分析、校正分析等較為復(fù)雜的理論知識采用基于MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析實(shí)驗(yàn)；此外，為了提升學(xué)生的綜合能力，結(jié)合現(xiàn)實(shí)中的典型物理系統(tǒng)如磁懸浮、倒立擺、飛行控制等半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺開展了控制方面的設(shè)計(jì)、調(diào)試與分析實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)內(nèi)容改革方面，參考文獻(xiàn)［2］結(jié)合與日常生活緊密相關(guān)的倒立擺、磁盤驅(qū)動控制系統(tǒng)等易于理解的工程案例庫，進(jìn)行了控制對象的數(shù)學(xué)建模、響應(yīng)分析及系統(tǒng)校正等貫穿全課程內(nèi)容的講解，以此激發(fā)學(xué)生的興趣。同時，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿、科研技術(shù)成果、工程應(yīng)用與實(shí)踐等內(nèi)容，開發(fā)更多易于理解的工程案例。為了落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，通過將思政元素與課程內(nèi)容密切相結(jié)合，建立了相應(yīng)的課程思政庫，從而培養(yǎng)學(xué)生愛國愛家的情懷。通過錄制課程視頻，開展線上學(xué)習(xí)資源建設(shè)。課堂上以學(xué)生為中心，以問題為引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生主動去解決問題；課后對學(xué)生的作業(yè)練習(xí)進(jìn)行總結(jié)、解答，從而實(shí)現(xiàn)線上、線下混合式的教學(xué)模式。在實(shí)踐方面，帶領(lǐng)學(xué)生搭建水溫控制、液位控制等小型控制系統(tǒng)，提高其專業(yè)方面的技能，促使理論與工程實(shí)踐的緊密結(jié)合。為了不僅強(qiáng)調(diào)課程基礎(chǔ)知識的理解與掌握，而且注重應(yīng)用、分析和創(chuàng)新等綜合能力的培養(yǎng)，參考文獻(xiàn)［3］將課程最終考核成績設(shè)置為考試卷面成績、模擬實(shí)驗(yàn)成績與仿真實(shí)驗(yàn)成績的加權(quán)和，根據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成度的評價方法形成了課程目標(biāo)的達(dá)成度，通過深度分析對提高教師的教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生的學(xué)習(xí)效果具有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)［4］通過積分控制啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)歷史先驗(yàn)知識總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而指導(dǎo)行動、厚積薄發(fā)，達(dá)到收斂與穩(wěn)定的最終效果；通過微分環(huán)節(jié)啟發(fā)學(xué)生做事要有長遠(yuǎn)的規(guī)劃才能夠行穩(wěn)致遠(yuǎn)；通過比例—積分—微分控制啟發(fā)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)工作中要團(tuán)結(jié)協(xié)作并發(fā)揮各自的優(yōu)勢才有利于提高最終的工作效果。為了將課程各部分相關(guān)內(nèi)容緊密聯(lián)系起來并且激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維能力，參考文獻(xiàn)［5］針對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，結(jié)合Hurwitz系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)、Routh系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)、根軌跡法、Nyquist系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)以及對數(shù)頻率系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)等方法開展了一題多解的教學(xué)方法研究。針對本課程的重點(diǎn)內(nèi)容，參考文獻(xiàn)［6］對其進(jìn)行分類、歸納進(jìn)而提煉出核心關(guān)鍵詞并構(gòu)建網(wǎng)狀思維圖，同時根據(jù)這些關(guān)鍵詞選擇或創(chuàng)建恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)視頻資源，并將其共享到網(wǎng)絡(luò)平臺中供學(xué)生使用，之后通過持續(xù)更新并結(jié)合任務(wù)導(dǎo)向、多樣化考核教學(xué)方式提升最終的教學(xué)效果。這種線上教學(xué)方式不僅使提供的學(xué)習(xí)資源更加有條理，而且使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加有邏輯。參考文獻(xiàn)［7］結(jié)合自身高校在石油與石化方面的特色，以石油與石化應(yīng)用中的自動化控制系統(tǒng)為背景，依托新工科、新理論、新方法、新思政，結(jié)合課程基礎(chǔ)內(nèi)容，將這些領(lǐng)域的前沿發(fā)展、前沿成果融入教學(xué)內(nèi)容中，同時將這些領(lǐng)域內(nèi)典型的石油化工儲存罐液位控制案例融合到課程講授中，對整個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、響應(yīng)分析與校正等，進(jìn)一步提高課程內(nèi)容質(zhì)量。參考文獻(xiàn)［8］以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域廣泛用于仿真與測試的測試轉(zhuǎn)臺裝備為例，結(jié)合線上與線下混合教學(xué)等模式開展本課程控制器設(shè)計(jì)與分析方面內(nèi)容的講授，同時結(jié)合相關(guān)的卡脖子技術(shù)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家科技，從而培養(yǎng)其愛國愛家的情懷。參考文獻(xiàn)［9］通過MATLAB軟件中的GUI模塊開發(fā)了本課程中時域/頻域分析、根軌跡法、系統(tǒng)校正等典型控制內(nèi)容實(shí)驗(yàn)，這種方式不僅操作簡單、便于演示，而且有助于提高學(xué)生解決工程難題的素養(yǎng)。參考文獻(xiàn)［10］基于經(jīng)典的Outcome Based Education教育理念，以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，綜合考慮專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和社會實(shí)際需求，開展注重知識、能力與素養(yǎng)等方面高端人才的培養(yǎng)。參考文獻(xiàn)［11］依托于實(shí)際的科研項(xiàng)目，以永磁同步伺服電機(jī)作為被控制的對象，結(jié)合MATLAB軟件開發(fā)了一套用于課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)物驗(yàn)證平臺，可用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立、控制器設(shè)計(jì)、響應(yīng)性能分析等方面的實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)，參考文獻(xiàn)［12］建立了一個可同時用于課堂教學(xué)和虛擬仿真功能的實(shí)驗(yàn)平臺，可實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)課件展示、課堂實(shí)時測試、教學(xué)實(shí)時評價及意見反饋、數(shù)字仿真、三維虛擬控制對象仿真等功能。參考文獻(xiàn)［13］通過對歷年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽方面的優(yōu)秀作品進(jìn)行評估，篩選出一系列與本課程內(nèi)容與目標(biāo)密切相關(guān)的典型教學(xué)案例，包括多自由度機(jī)械臂運(yùn)動控制、小車位置與速度控制、鍋爐溫度控制、反應(yīng)器過程控制等，對培養(yǎng)具有創(chuàng)新與實(shí)踐能力的人才具有重要的推動作用。參考文獻(xiàn)［14］以STM32硬件控制旋轉(zhuǎn)倒立擺為例開展了本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，此方法不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)到了本課程的知識，而且拓展了控制器硬件方面的知識，還有助于學(xué)生理解控制理論知識如何在實(shí)際對象中實(shí)現(xiàn)，對提升學(xué)生解決復(fù)雜工程難題有重要意義。

3 發(fā)展動向

經(jīng)上述調(diào)研分析可知，教師們針對本課程做出了一些非常重要的探索，并取得了一定的教學(xué)效果。當(dāng)前本課程教學(xué)改革主要朝著以下方向發(fā)展。

3.1 有效教學(xué)方法

恰當(dāng)教學(xué)方法的選取和運(yùn)用，能有效地調(diào)動學(xué)生的積極性，引導(dǎo)他們主動地去探究和獲取新知識，加深對新知識的理解和掌握，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，直接決定著課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及良好的教學(xué)效果。當(dāng)前，本課程主要采用啟發(fā)式、案例式、課堂翻轉(zhuǎn)式、項(xiàng)目教學(xué)式等教學(xué)方法，隨著社會的發(fā)展和本課程內(nèi)容的更新迭代，需要進(jìn)一步研究先進(jìn)有效的教學(xué)方法。

3.2 先進(jìn)教學(xué)資源

綜合開發(fā)與利用現(xiàn)代教學(xué)資源，不僅可以提高教學(xué)效果，而且可以增加教學(xué)效能。當(dāng)前，教師們已通過國內(nèi)知名視頻網(wǎng)站等教學(xué)資源建立了包括課件、視頻、課堂測試、課后作業(yè)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)資源，并進(jìn)行了本課程的講授。如何根據(jù)不同課程內(nèi)容的特點(diǎn)充分利用好各自教育平臺、遠(yuǎn)程教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)資源等教學(xué)資源的優(yōu)勢，對各類教學(xué)資源進(jìn)行靈活選配，從而進(jìn)一步拓展教育學(xué)習(xí)資源的路徑，以滿足各類學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效能的最優(yōu)化值得進(jìn)一步探索。

3.3 沉浸式學(xué)習(xí)

沉浸式學(xué)習(xí)是一種注重以學(xué)生為中心，通過營造良好的學(xué)習(xí)情境和利用有效技術(shù)手段來提升學(xué)生體驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式。這種方式能夠提供近乎真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生能夠身臨其境地感受和體驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，具有交互性、真實(shí)性和多感官刺激等特點(diǎn)。當(dāng)前，本課程主要通過搭建虛擬仿真平臺以及半實(shí)物仿真平臺給學(xué)生提供相應(yīng)的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)的情境，如何通過創(chuàng)造真實(shí)情境并利用多媒體資源支持提供其他先進(jìn)有效的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)情境并將其貫穿到整個課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，對學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣與積極性、加深記憶與理解、培養(yǎng)實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等具有重要的作用。

3.4 課程思政建設(shè)

課程思政是一種將思政元素包括思政教育理論知識、價值理念及精神追求等融入本課程中的教育理念，此理念強(qiáng)調(diào)全員、全程、全課程育人格局，以期春風(fēng)化雨地對學(xué)生的思想意識、行為舉止等產(chǎn)生積極影響，實(shí)現(xiàn)立德樹人的教育目標(biāo)。當(dāng)前，教師們針對這門課挖掘了很多思政元素，尤其是結(jié)合自身高校的背景整理了很多案例，并將其運(yùn)用到課程教學(xué)中。同時，我們還要結(jié)合學(xué)生的成長背景以及當(dāng)前的時事熱點(diǎn)不斷更新當(dāng)前的思政案例庫，還應(yīng)積極關(guān)注學(xué)生個體的日常生活，融合其當(dāng)前的人生遭際和心靈困惑，有意識地回應(yīng)其在學(xué)習(xí)、生活、社會交往和實(shí)踐中所遇到的真實(shí)問題和困惑，真正觸及他們的心靈，改變其認(rèn)知與實(shí)踐，從而對他們產(chǎn)生積極的影響。

3.5 知識圖譜建設(shè)

知識圖譜，即知識域可視化或知識領(lǐng)域映射地圖，是通過可視化技術(shù)表達(dá)知識資源及其相應(yīng)的載體，可圖形化展示知識發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系。通過將本課程與圖形學(xué)、人工智能、應(yīng)用數(shù)學(xué)、信息可視化等多學(xué)科相融合，挖掘、分析并構(gòu)建知識及其錯綜復(fù)雜的關(guān)系，從而可視化地展示本課程的核心結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷史、前沿領(lǐng)域及整體知識架構(gòu)的圖譜。通過本課程知識圖譜的建設(shè)，人工或自動地梳理課程內(nèi)容并抽取課程知識點(diǎn)，建立知識點(diǎn)和知識點(diǎn)之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)和課程資源而形成課程內(nèi)容之間的結(jié)構(gòu)化、可視化成果。知識圖譜通過對課程內(nèi)容進(jìn)行精煉、歸納，將會對課程教學(xué)產(chǎn)生重大的推動作用，尤其是對于線上教育，教師們可以基于知識點(diǎn)的掌握情況對每個學(xué)生進(jìn)行個性化教育，規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑并展示學(xué)情狀況，從而做到千人千教。

3.6 多元化評價

當(dāng)前，本課程的考核評價主要基于平時作業(yè)、期末考試成績和實(shí)驗(yàn)成績等，這種評價方式傾向于結(jié)果而對過程關(guān)注較少，并且缺乏對其他教學(xué)環(huán)節(jié)的有效評價，難以適應(yīng)本課程培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力的人才的目標(biāo)，因此亟須構(gòu)建多元化的考核評價體系。同時，應(yīng)關(guān)注學(xué)生的平時學(xué)情狀況、能力提升指數(shù)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、多方面評價以及價值觀等因素，建立多維度、全方位的評價考核機(jī)制。此外，還需要對學(xué)生的學(xué)情進(jìn)行及時分析，以便對課程教學(xué)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，還有助于對課程教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

結(jié)語

通過對“自動控制原理”課程教學(xué)方面的探索與改革進(jìn)行深入的分析與總結(jié)，預(yù)判了當(dāng)前本課程需要進(jìn)一步研究先進(jìn)有效的教學(xué)方法，需要綜合開發(fā)與利用好各類教學(xué)資源與教學(xué)平臺，需要提供先進(jìn)有效的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)情境并將其貫穿到整個課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，在挖掘各類思政元素的同時還需要關(guān)注學(xué)生在日常生活中所遇到的各類問題與困惑并對其產(chǎn)生積極的影響，需要加強(qiáng)課程知識圖譜方面的建設(shè)以及建立多元化的考核評價方式。尤其是近年來隨著低空經(jīng)濟(jì)、具身智能機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，支撐這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)課——“自動控制原理”也應(yīng)當(dāng)與時俱進(jìn)。

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教改項(xiàng)目：南京工業(yè)大學(xué)2023年度教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目——機(jī)械控制工程沉浸式教學(xué)研究（項(xiàng)目編號：20230126）

作者簡介：楊貴超（1989— ），男，漢族，河南南陽人，博士研究生，副教授，研究方向：機(jī)電液伺服控制。