新工科工程教育背景下自动控制原理课程建设改革模式探讨

陶洪峰 刘艳君 熊伟丽 徐颖秦

摘  要：在新工科工程教育理念的指导下，自动化专业的基础核心课程《自动控制原理》必须适应新时代需求，从课程内容、师资队伍、实验设置和评价方式等方面开展综合性教育教学改革，优化和重构新的教学模式，文章基于江南大学的课程情况介绍了一些改革措施，为相关课程提供借鉴，助力自动化新工科专业建设和人才培养。

关键词：新工科;自动控制原理;课程改革;工程教育

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）03-0124-03

Abstract： Guided by the concept of emerging and engineering education， the basic core course of automationAutomatic Control Principlemust meet the needs of new era， carry out comprehensive education and teaching reform from the aspects of curriculum content， teaching staff， experimental settings and evaluation methods， then optimize and reconstruct the new teaching mode，based on the curriculum situation of Jiangnan University， this paper introduces some reform measures to provide reference for related courses， and thus helpsthe emerging education major construction of automation and talents training.

Keywords： emergingeducation; automatic control principle; curriculum reform; engineering education

一、概述

随着物联网、人工智能、智能制造等“新技术、新产业、新模式、新业态”为特征的新经济的驱动下，以及国际工程教育的背景下，目前整个社会对新时代工科人才的知识、能力和素养都提出了更高的要求，要求学生具有多学科多专业知识的综合应用和创新能力。但为满足社会对新工科人才在数量和质量上的要求，我国的新工科专业建设不仅是要去创设一批新型或新兴工业专业，更要对自动化等传统工科专业进行升级和改造[1]，这一改造过程就必然需要与新兴技术产业涉及的多学科多专业发展相融合，并强化实践综合能力的培養[2]。自动化专业是信息科学领域的一个综合性专业，涉及电子、机械、电气、通信、计算机等多个学科和专业，具有新工科专业改造的天然优势[3]。《自动控制原理》作为自动化专业的核心课程，主要培养学生学习控制系统的基本概念，分析和设计方法，对后续课程和其他专业知识的学习都是重要的一环，因此如何在夯实学生自动化专业基础的前提下，进一步结合新工科专业建设开展课程教学改革，这对夯实自动化专业学生的知识融合贯通能力、复杂工程问题的分析设计能力和工程实践能力起着关键基础作用。

二、课程建设现状与问题

现阶段多数高校《自动控制原理》课程的教学内容、教学方法和质量评价体系，甚至包括师资队伍的组建都是建立在先修课程包括电路原理、模拟与数字电子技术、微积分、复变函数和大学物理等单一学科知识的基础上[4]，学生的新工科相关知识和能力储备不足，这对培养多学科交叉、动手实践能力强、团队协作并具有国际视野的复合型新工科工程技术人才提出了挑战。虽然培养新工科工程技术创新人才并不是依托单一课程就能实现，但是在专业基础核心课程中融入新工科教育理念相信对学生的系统性培养具有优势。目前《自动控制原理》课程建设主要存在如下问题：

（1）目前课程教材讲授的被控系统多数是简易的物理和化学对象，是可以通过分析机理后建模得到的系统模型，控制器多数仍然以电路形式给出，但在物联网和智能制造等新经济产业背景下，被控对象越来越复杂和综合，不仅难以直接获取系统模型，而且控制过程也实现了网络化和智能化，教学内容和工程实际存在一定脱节。

（2）授课教师的专业背景基本都是传统的自动化专业和控制学科，对于新工科背景下结合其他专业和学科开展自动化专业建设和课程改革，存在个人知识面、实践能力或改革动力不足的问题。

（3）课程实验多数都是基于电路实验箱或者MATLAB软件开展简易的验证性实验，大多数情况下学生都是在不了解任何工程机理和工艺流程的基础上直接去讨论所谓的控制系统然后设计控制器，并没有真正给学生建立牢固深刻的解决复杂工程问题的基本概念和处理流程。

（4）侧重于对学生控制系统分析能力的考核，包括控制系统建模、时域分析、根轨迹分析、频域分析和非线性系统分析等方法，对于控制系统设计方面的内容偏少偏简单，控制系统设计的工程案例更是极少涉及。

三、教学模式改革思路

首先需强调的是，解决上述现有课程教学内容、评价方法、师资队伍和实验设置方面的问题并不能从单一角度去解决，而是需要结合新工科工程教育的需求，以学生为中心，开展系统性贯穿式的综合性改革，因此本文重点从以下几个方面尝试提出课程的改革方案：

（1）在授课内容和教材方面，在保持经典控制理论基于精确数学模型讨论各种自动控制系统分析和设计方法的基础上，有必要增加部分数据建模、基于数据驱动的无模型控制、网络化控制等方法的概念和讨论，给学生建立完备的知识储备。增加实际工程案例，尤其是智能制造、物联网系统的控制环节和策略分析需在学习初级阶段就予以讲授，不仅能培养学生正确的工程概念，结合最新的技术也能提升学生的课程学习兴趣。

（2）有必要打破课程团队的教师范畴，相关学院建立课程群组织，尤其是增加新产业技术，例如物联网、人工智能、智能制造等课程的老师开展课程改革，同时可以尝试聘请一些校外企业兼职教师、国际知名学者与校内教师联合结合工程案例讲解具体的控制系统分析与设计过程，以知识点和专题形式分解章节，开拓学生的国际发展视野。当然授课方式也可以根据实际内容需要开展翻转教学、线上线下的混合式教学[5]，目的不在于何种形式而在于学生的实际接受程度，对教师备课和学生课后都提出了更高的要求。

（3）依托新一代信息技术开展虚实结合的控制系统分析与设计的综合性实验，譬如将化工过程控制等危险性实验，智能制造流程工业等大系统控制实验等以现代虚拟仿真半实物形式开展，这样不仅可以通过虚拟仿真实验动态展示整个对象的工艺流程，便于学生理解系统的控制机理，而且在相对接近工程实际环境下进行实验仿真也可以增强学生对于复杂控制工程问题的理解。开展实际控制系统仿真当然是最佳方案，例如可以结合各校特色开展行业具体对象控制，训练学生的团队协作和动手实践能力。

（4）从个体评价转向个体评价、团体评价和项目评价等过程性评价相结合，降低期末试卷考核、实验结果等终结性评价结果比例，适当提升过程性评价结果比例，尤其是要将实验过程中控制方案的合理性与经济性，团队协作的参与度或管理能力、项目讨论过程中的创新性、甚至项目调研分析能力都纳入到学生“知识、能力、素养”的综合性评价中，鼓励学生以论文和专利的形式呈现团队项目成果。项目讨论等过程性评价环节设计可以只在某些知识点中体现，可以不必在各个知识点中都有涉及，另外还需要与课程群其他课程相配合。

四、改革实践经验

江南大学的自动化专业始于1975年，作为江南大学传统的优势专业和品牌特色专业。江南大学自动化专业2009年入选“国家特色专业建设点”，2012 年入选“江苏省重点专业”，2013年入选教育部“卓越工程师教育培养计划”，2015年入选“江苏高校品牌专业建设工程（一期A类）”。该专业围绕国家和地区经济建设的需求，基于学校的办学定位和发展规划，已形成了自己的办学特色：

（1）依托学校传统优势，构建具有轻工特色的自动化专业人才培养机制，为轻工行业培养从事自动控制系统分析设计、技术开发、运行管理等方面的技术人才。

（2）主动对接无锡物联网产业，根据国家战略需求，为地方特色经济的发展提供智力支撑和人才保障。

（3）紧密服务长三角区域的智能制造行业，不断加强自动化專业的人才服务功能，为高端智能制造提供人力储备。

江南大学自动化专业的《自动控制原理》课程是学校首批卓越课程，至善课程。课程组由5名教授和3名副教授组成，编写的教材是江苏省高等学校精品教材，“十二五”江苏省高等学校重点教材。通过本课程的学习，学生加深对自动控制基础知识点的理解和掌握，学会利用基本的经典控制理论解决简单控制系统的建模、分析和设计问题[6]。同时我们也尝试在江南大学自动化专业、电气工程及其自动化专业8个班结合新工科工程教育开展课程教学改革，目前的主要举措有：

（1）更新教学内容与教材。目前在课程教学内容中加入磁盘读取系统、伺服电动机、生物发酵过程等工程仿真案例分析被控系统机理，再让学生通过讨论和仿真进一步验证和深化所学的自动控制理论，熟悉解决工程控制问题的基本步骤。同时在授课过程中加入智能制造、人工智能等新产业新技术内容，让学生从整个系统角度去分析和思考新技术如何与经典控制理论相结合。另外我们在课程内容中加入课程思政教育，提供控制科学家的故事去提高学生的兴趣度，增加学生的学习动力。同时出版新形态的数字电子教材，一整套视频、测验等电子资源结合纸质教材巩固学生的知识点学习。

（2）组建多学科多专业混合课程群。考虑到控制知识在物联网、智能制造等产业都有涉及，但对该课程知识点的侧重点会有不同，因此我们组建了以自动化、电气、物联网和计算机背景的教师组成多学科多专业混合的课程群，主要涉及自动控制原理、现代控制理论、计算机控制系统、物联网技术概论、人工智能等课程，同时适当尝试聘请有丰富工程经验的校外企业兼职教师讲授实际控制工程案例。本课程基础知识由专业教师在课内统一讲解，但涉及到新工科工程教育的内容，学生可以首先在课程公共平台进行研讨，然后有针对性地由相关课程群教师联合进行课后答疑解惑，增加不同专业学生和不同学科背景教师间的互动，构建了多位教师并行教学的新工科课程师资队伍和课程群。

（3）开展线上线下混合式教学。针对传统课堂教学和MOOC在线课程这两种教学模式的优劣[7]，以及本课程知识点多、逻辑性强、应用性强的特点，通过中国大学MOOC这一互联网公共平台完善“十三五”江苏省在线开放课程《自动控制原理》课程建设，在MOOC教育背景下开展课程线上与线下信息融合的混合式教学模式的研究与实践，全方位改革课程教学大纲和教学方法，开展翻转课堂与引导式教学相融合的教学方式。对于“控制系统根轨迹分析法、控制系统结构图与信号流图”等相对独立、完整的MOOC教学知识点，要求学生在指定的时间内完成在线学习，再开展课堂讨论和头脑风暴活动。截止目前，经过4期网络公开，校内校外共有累计12000人进行了本课程学习，也提升了课程的校内外影响力。

（4）多维度评价能力达成。该课程改变单纯以线下教育结果为学生能力的评价方式，提升学习过程的评价和控制方案的合理性评价，不仅将常规的平时作业、单元测试、期末考试、互动讨论等教学环节纳入到考核环节中，而且根据不同专业实际情况，适当增加10%-15%的MOOC课程知识点在线学习成绩比例突出学生自主学习能力的评价。同时为了提升学生的工程实践和解决复杂工程问题的能力，提升课程实验难度，增加综合性设计型实验数量。另外在课后由研究生助教和课程教师一起单独开设MATLAB控制仿真实训，利用一些典型工程的Simulink模型让学生从建模、分析、设计和优化角度整体认识控制系统。

五、结束语

总之，《自动控制原理》课程的专业适应性、工程性决定了课程的教育教学改革必须在新工科和工程教育背景下做出新的教学改革，优化教学内容和教学方式，融合传统知识与新兴技术，训练学生基础技能与创新能力，按照教育部的“金课”建设标准，让课程具有高阶性、创新性和挑战性，培养适应新时代要求的新工科自动化工程技术和创新研究人才。本课程结合江南大学特色已针对新工科工程教育的特点开展了一些实际工作，但是，例如虚拟仿真实验平台的搭建、物联网和人工智能等技术与控制理论教学内容的深度融合、控制工程案例的教学内容再设计等工作还需要我们在今后进一步开展和完善。

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育，2017（1）：1-8.

[2]陈晓艳，杜萌，赵骥，等.新工科背景下的自动化专业学生培养现状及应对策略——以天津科技大学电子信息与自动化学院为例[J].中国轻工教育，2018（03）：79-82+96.

[3]熊伟丽，陶洪峰，刘艳君，等.新工科背景下自动化专业工程实践教学体系的建设与思考[J].高教学科，2019（12）：62-64.

[4]胡寿松.自动控制原理（第六版）[M].科学出版社，2018.

[5]陶洪峰.自动控制原理课程的混合式教学模式探索[J].大学教育，2019（3）：62-64.

[6]徐颖秦，刘艳君，陶洪峰，等.基于工程教育和新工科理念的“教法”与“学法”——以自动控制原理课程为例[J].中国轻工教育，2018（06）：5-8+20.

[7]黄震.基于慕课和混合式教学的工程教育探索与实践[J].高等工程教育研究，2016（04）：11-13.