自动控制原理课程线上教学探索与实践

刘方军

（佛山科学技术学院自动化学院，广东 佛山528000）

自动控制原理课程是电气自动控制专业的一门重要的专业基础课，具有较强的理论性和实践性，涉及知识繁杂并且概念抽象难以理解[1]。本课程既体现了数学理论知识点，如拉普拉斯变换、矩阵分析等，也包含力学、电学、热学的物理知识，还涉及电路理论等机电专业课程的内容，学生难以及时吸收所学知识，影响了教学效果，没能很好地培养学生数学建模能力，从而影响了解决实际问题的能力。传统讲授的单一模式对于基础薄弱的学生而言学习较难，概念抽象，用数学语言描述难以转化为自动化控制系统[2]。尤其在实验教学方面，实验课程教学系统设备有限，或者不能及时更新以适应现代化发展的需要；开展的实验主要以验证目的为主，缺乏综合性、探索型实验，很难培养学生分析、解决问题的能力，不利于实践创新能力的培养[3，4]。同时，传统课程考核方式为笔试，期末考试成绩占70%，平时成绩占30%，考核方式不能反映学生学习过程评价，学生往往重视期末理论考试，而忽视实践能力与学习能力，这不符合学校的高水平应用型人才培养理念[5]。传统教学模式不能满足当前学生实践创新能力的培养需求。在当前面临新冠疫情形势下，如何提高自动控制原理课程线上教学方法与效果，是亟待解决的关键问题。在新冠疫情期间，线上课程教学成为大学课程教学主要模式，极大地促进了课程教学的改革。本文从优化线上教学设计、开展MATLAB 线上综合训练、改进线上考核体系三个方面，开展自动控制理论课程线上教学探索与实践。

1 优化线上教学设计

近年来，线上课程教学成为高校课程教学改革切入点[2]。笔者在过去线上线下教学经验的基础上，利用腾讯课堂在线教学平台，开展自动控制原理线上教学。利用该平台可以实现课程教学直播、课堂互动以及生成回放，特别适合学生课后复习。在课前可以按照进度将课件以及相关资料上传到学生QQ 群，便于学生提前预习，教师可以把更多精力讲解课程的重难点，减少了教师对简单概念的讲解。在课堂授课时，可以通过线上平台讨论区进行师生互动，把学生完成的整个情况呈现出来，可以精准把握学生掌握较好或较差的内容，课堂上可以进行针对性的授课和总结，方便教师进行教学反思，以更好地调整教学环节。同时，通过腾讯课堂的签到模式可以让教师更加直观的了解班级的出勤率，高效管理班级。此外，课堂讨论区功能使得师生互动更加便捷，营造出良好的课堂氛围。

另一方面，选择MOOC 平台作为课程教学的补充，进一步丰富课程教学内容。在当前信息时代，学生有更多碎片化时间，如果引导学生充分利用碎片化时间进行课程学习，将会提高课程学习效果。目前，MOOC 网络课程平台具有资源丰富、教学知识点，教学视频短小精炼等特点，突破了传统课程时空的限制，是碎片化学习的合适的教学资源[3]。借助MOOC 平台，有机结合“自动控制原理”网络课程，逐步完善了课件、视频、测试等课程资源，学生可以随时随地聆听教师讲授。

但是，线上教学也是存在一些不足的，最突出问题是没有传统课堂教学氛围，学生的自制力不高，学生上课效率较低，这需要在线上教学过程中不断探索。笔者针对这一问题，采用线上点名方法，让被点名同学回答问题，督促他们集中精力学习，同时检查学习的效果。同时，与传统线下课程教学相比，线上教学师生互动不顺畅，如果学生有不懂的地方，不能立刻请教老师或同学，可能需要通过讨论区留言来进行沟通，尤其在教师讲授PPT 时可能未及时看到讨论区交流。

2 开展线上Matlab 综合训练

Matlab 仿真分析是自动化控制系统计算机辅助分析的重要工具，将Matlab 与自动控制原理课程的教学有机结合是线上教学的重要的趋势[6]。自动控制原理课程教学以培养学生数学建模、解决实际问题的能力为目标，将理论学习转移到应用知识解决实际问题方面。课程教学引入Maltab 软件，便捷进行拉普拉斯变换/微分方程求解、根轨迹和频域分析等，使得复杂系统的结构简化，抽象概念具体化，利用Matlab 强大的计算能力和丰富的色彩表现力，绘制出这个曲线，动态地演示曲线的生成，大大提高学生学习兴趣与热情。

线上教学增加综合训练环节，作为培养学生的实践动手能力重要思路。结合课程内容与工程问题，提炼出综合训练题目，与传统实验教学项目相辅相成。将MATLAB 软件与自动控制原理课程相结合，借助于MATLAB 语言和Simulink 模块对直流电机拖动系统与性能进行编程仿真分析（图1），能让学生直观、动态地观察参数的变化对实验结果的影响，加深对课堂知识的理解，突破时间和空间的限制。在Matlab 综合训练过程中，教师给出自动控制具体的设计参数及要求，学生通过查阅资料了解控制器的结构框架、工作原理，并在Simulink 中搭建控制系统的模型，根据控制对象选择整定方案，将整定后的参数作为系统控制参数，运行整个系统，反复调整直到达到要求。通过线上Matlab 综合训练，提高学生对实际工程问题的实践操作能力，实现从理论到工程应用能力的转变，使学生掌握扎实的计算机辅助分析和设计能力，有效调动学生学习的积极性，培养学生创新精神与工程实践能力。

图1 直流电机拖动系统仿真分析

3 探索线上课程考核体系

课程考核体系是课程教学的重要环节，《自动控制原理》课程传统考核方式以笔试为主，基本上以期末笔试成绩（70%）+平时成绩（30%）考核模式。在线上课程考核方面，无法开展传统期末闭卷考试方式，同时，以往平时成绩评定常流于形式，如出勤率等，缺乏课程教学的过程考核，难以反映学生获得的知识能力和经验的评价。因此，如何设计线上课程考核体系是每一个教师面临的紧迫问题。笔者认为，为了有效引导学生学习动力，应该建立基于课程全过程的多元化考核体系，由过去期末知识考试转变为综合应用知识解决实际问题的能力考核。课程考核成绩分为平时成绩20%、Matlab 综合训练30%、线上考试成绩50%。平时成绩主要包括在线网络资源的学习情况，课堂交流互动情况，随堂测试情况以及课后作业完成情况。线上考试以开卷模式，这要求期末考核试题删减知识点记忆性质考核，从综合应用知识解决实际工程问题的能力，有利于线上考核应用推广。另一方面，将课程Matlab 仿真综合训练纳入考核体系，考核学生运用计算机软件分析解决问题的能力，体现课程学习过程考核，引导学生课程学习兴趣与动力，调动学生的主观能动性，在自主探究学习能力上有所突破与创新，进而达到培养目的。

4 结束语

线上课程教学发展促进了高等院校课程教学的改革与创新。本文通过腾讯课堂、MOOC 等开展自动控制原理课程线上教学，从优化线上教学设计、开展MATLAB 线上综合循环、改进线上考核体系等三个方面，开展了自动控制理论课程线上教学改革与实践，取得较好教学效果，为今后线上线下课程教学提供有益借鉴。