自动化专业《自动控制原理》课程教学改革研究

刘志超

（无锡太湖学院物联网工程学院，江苏无锡 214064）

为推动新时代中国特色社会主义经济建设，推进经济转型升级，政府相继实施了“一带一路”“中国制造2025”等重大强国战略，这对工程领域技术人员的素质以及能力提出了更高的要求，对工科高校人才培养、 对工程教育的改革和发展提出了更高的期望。自动控制技术作为20 世纪发展最快、21 世纪最重要的高新技术之一，在工业机器人、军事、航天航空等领域起着关键性的作用，也是智能制造领域的核心技术[1]。与传统的自动化专业人才相比，新工科人才是有必要具备更强的工程实践能力、 更出色的创新能力、更突出的国际竞争力的复合型人才。为适应复合型人才的培养以及现代化教学的需求，我国高校先后提出了OBE 教学理念。OBE 理念是工程教育专业认证的核心理念，即产出导向教育（Output Based Education，OBE）[2]。在“互联网+”的时代背景及OBE 教育理念指导下，《自动控制原理》课程及其课程体系迫切需要总结多年来的教学改革经验和成果，在结构、内容、教学方式、实验手段等方面应有所调整，逐步创立新的教学体系，使其更加突出创新能力的培养，使学生具有更好的自动控制系统设计和分析能力、工程应用能力和独立科研攻关能力。

1 自动控制原理课程发展现状

《自动控制原理》 课程是自动化专业的核心课、必修课，也是控制类专业研究生入学考试的必考课，在自动化专业本科生教育中占有非常重要的地位。课程内容主要涵盖: 控制系统数学建模、 线性系统时域分析、 线性系统根轨迹分析、 线性系统频域分析、系统校正、线性离散系统分析、非线性系统分析七大部分。课程主要内容可归结为控制系统建模、系统分析和控制器设计三大部分课程具有理论性强、内容抽象、数学推导和计算量大的特点。学习该门课程，要求学生不仅有很好的建模能力，还要掌握电力、物理、数学知识，对学生要求很高。目前，自动控制原理课程教学存在的问题有以下几方面。

（1）现有教学内容主要依赖于教材，且教材选择比较单一，任课教师会指定一本教材作为课堂教学依据。虽然《自动控制原理》课程教材的出版物较多，但教材内容基本相似，同质化严重。教师不要求，学生也很少会主动去学习参考其他相关教材，因而知识面得不到扩展，相关知识点得不到冠联。从教材内容的安排来看，章节之间的安排比较重视理论部分的逻辑连贯性和知识深度，一旦学生前期基础没有打好，学习该门课程时会感觉非常困难。而学生的学习能力，理解能力，动手能力，对课程投入的学习时间、精力存在很大差异，使得教学内容不能被很好地消化吸收。

（2）自动控制原理这门课程理论与实践研究联系紧密，现有的教学模式多数是以课堂教授理论为主，再辅以课后实验。这使得理论与实际应用严重脱节。且传统的理论课程教学多基于多媒体，授课方式极为枯燥，多数情况都是教师一直在进行理论推导及概念梳理的单方面输出，学生被动接受，很少去思考，这种填鸭式的教学方式使得教师和学生之间难以有深层次的互动交流，无法充分吸引学生的注意力并调动学生的学习积极性[3]。此外，学生基于畏惧或者不喜欢等原因不愿向教师请教问题，即使有不懂的地方也不积极主动请教，这就导致了很多学生存在知识盲点，无法将知识完全消化吸收[4]。

（3）教学实验设施不足，实验室开放力度不够，造成学生综合分析能力、 工程实践能力都没有得到锻炼与提高。传统的教学模式中没有重视Matlab 等系统仿真软件的教学与应用，使得学生对仿真软件存在畏难情绪，进而影响其解决实际问题能力。此外，学生实践机会太少，无法将理论与现实联系起来。

综上所述，现有《自动控制原理》课程的教学内容和方法不能很好地引导学生探究该门课程在实际应用领域的兴趣，难以达到人才培养的预期目标，因此有必要对课程的教育实践进行教学改革。该文将从教学内容、 课程实验及实训平台3 个方面进行改革措施分析阐述。

2 教学内容、方式改革

为了提高学生学习效率，必须抛开之前教学内容一把抓的教学模式，采用选择性教学，建立一个结构合理的课程体系。在具体的教学内容中不能出现重复现象，需要在有限的学时内合理安排课程内容，有侧重地将比较核心的课程内容进行安排。在具体教学方法中要避免重复讲解，节省学时，优化教学内容和教学质量。教师可以借鉴西方高校的教学模式，以自己讲义为主要教材，然后推荐指定一些相关书籍、课程为辅导，让学生自主去学习，并鼓励学生自主思考问题，提出问题，鼓励学生互相讨论学习。此外，为了解决学生不愿向教师请教问题，教师可以选择本专业优秀研究生为助教，研究生与本科生同为在校学生，且年龄相仿，因而更容易交流沟通，学生也更愿意去请教问题。大部分学生认为教师也要根据学生对课程的理解，建立不同的授课目标，从不同的侧重点和不同的角度出发，有选择地安排教学内容，对于不同课程间存在知识重叠的部分进行优化，让学生有更多的学时用于对所学知识的吸收消化。此外，教学应该专业特色化，根据自动控制原理专业特色开展针对性的，有专业特色的教学。以往的教学模式都是教授一门课程仅仅只对该门课程进行讲解，不强调专业背景，这就导致课程之间、相关知识点之间脱节，学生无法形成系统的知识体系。自动控制原理课程是电气工程以及自动化专业的基础课，其理论知识贯穿于两个专业之间，包含的如电力系统稳态分析、 电力系统暂态分析等所涉及的电力系统频率控制等相关方面的知识都很重要[5]。因此自动控制原理课程教学时，需要根据该课程特色，以专业为导向，建立以自动控制原理课程为主导，同时穿插其他课程相关知识点的有特色的教学方法。这样不仅能帮助学生巩固其他课程知识点，加深理解运用，而且有助于学生学好自动控制原理课程，有助于学生形成系统的知识结构体系，培养学生综合运用所学知识解决专业问题的技能[6]。

传统的教学模式即使引入多媒体，也只是将课程知识点以PPT 形式展现给学生，无法生动形象地展示模型或者演示建模、计算等过程[7]。为了让学生更好地理解抽象的课程内容，提高学习积极性，可以将新媒体如Flash 等引入课堂，将各种控制系统以动画的形式清晰地展示给学生。此外，还可以引入Matlab 软件，在讲授时域响应、根轨迹法和频率域方法等抽象概念时，就可以通过仿真响应的动态变化情况，在课堂上实时地分析系统的性能，增强直观性，有效加深学生对知识的理解[8]。还可以在教学过程中引入典型工程应用案例，帮助学生加深理论知识与实际应用的联系。

3 课程实验改革

长期以来，“自动控制原理” 课程都是在一些理论的研究方面比较侧重，虽然也安排了一些实验课，但是多数的学校都是以理论课研究为主。整个自动控制系统特别复杂，并且受办学条件限制，大部分学校的自动控制设备都存在着或多或少不完善性的地方。大部分需要由实验进行的课程，都是以简单的形式来实现，真正留给学生操作的时间并不多。教师的每一堂课的侧重点都是基础理论，而学生更感兴趣的则是实验设备等，造成了学生对于自动控制理论的实践环节认识不足，动手能力不够强，缺乏基本的实验能力和知识。因此课程实验的改革对于自动控制原理课程改革成效起着至关重要的作用。

3.1 课程实验内容改革

传统的课程实验大多是基础性实验，而且实验设施有限。为了增强学生的实践能力和课程理解能力，实验内容应在基础性实验的基础上增设综合性实验以及研究型实验。目的是验证和巩固学生所学习到的知识，提高学生的基本能力。在综合性实验中，在实际系统的基础上进行实验，将庞大的系统分解为很多个小的分支分别研究，有助于培养学生处理工程问题的能力。研究性实验较基础性实验和综合性实验可以具有更高的难度，增加一些具有创新性的环节，带动学生完成一些涉及自动控制具体内容的科研项目，目的是培养学生处理工程问题时的应变能力和创新意识，使学生不拘泥于书本中的方法。每种实验都需要富有针对性，根据不同层次学生的需求和具体情况设计可以更好地提高学生综合素质和创新能力的实验活动。

3.2 课程实验方式改革

一般来说，每所学校的实验设施是有限的，很多学校的实验设施都很陈旧，甚至不能使用，实验室的开放力度也不够[7]，而且传统的实验设施对于一些创新性实验也有很大的局限性。因此，各大高校加大实验室开放力度，增大科研设施投入，引进一些新型的、先进的自动化实验设施很有必要。如果学校自身实际情况不允许，高校之间可以资源共享。高校之间共享实验资源，不仅能让更多的学生有机会接触到先进的实验设施，而且能促进高校学生之间互相学习交流，提高学习科研效率[9]。此外，各大高校可以引进多媒体模拟实验教学，让计算机软件代替实际实验设施，大大降低了成本。

3.3 课程实验考核方式改革

传统的教学中学生课程成绩理论知识占比很大，课程实验成绩占比很小，这就导致很多学生为了成绩而学习，而只注重理论知识学习，这就使得越来越多的高校毕业生缺乏实际动手能力。高校学习是为了为社会培养人才，培养能运用理论知识解决实际问题的人才，而不是一些只会纸上谈兵的人，因此学生时代就该培养好实际动手能力。因此，自动控制原理课程应增加课程实验、 课程实践所占成绩的比重；可以让学生通过查阅资料，做调研、做实验，自己完成一些小课题、小论文，不仅能锻炼学生的思维能力，还增强了实践能力。一门课程的成绩由理论考试成绩+实验、实践成绩+课堂作业成绩+课题、论文成绩组成，让学生不再只埋头于课本，而将一部分精力投入到课程实验、社会实践中去。

4 实训平台的改革

传统的自动控制原理课程教学一般缺乏实训，学生可能只有到做毕业设计、 毕业前实习的时候才能真正进入到工厂车间，而这样的实习往往是以参观为主，根本没有机会碰到实际问题、 解决实际问题。这样的教学模式就导致学生在实际工作中遇到问题时不知该如何运用知识解决，甚至感觉无从下手。新型的自动控制原理课程教学模式可以增加课程实训，可以以校企学研合作的形式进行。高校可以跟当地一些企业进行合作，企业允许自动化专业学生到企业实训，参与企业解决实际自动化相关问题。校企双方可以成立相关课题研究小组，在帮助企业解决实际问题的同时，提高学生的实践能力，创新能力。此外，也为学生毕业后就业提供了平台。

除此之外，高校可以定时聘请企业资深的专家给学生做讲座，讲授自动控制实际中经常遇到的问题及解决办法，让学生学到更多的解决问题的实际经验。

5 结语

教学改革是教学工作永恒的主题，教学方式没有好坏之分，只有适合与否之别。教育工作者只有顺应时代潮流，紧跟学科发展前沿，在教学过程中因地制宜，不断调整和优化教学内容、教学方法，才能真正提高教学质量。自动控制原理是一门理论性与实践性都很强的课程，为了促进自动控制原理课程教学改革的进展，必须从多个方面进行分析，同时还要结合学生学习特点灵活地改变教育方式，在实践中不断总结教学经验，提高自动控制原理课程教学质量，培养出更多高素质人才。