“自动控制原理”一流本科课程教学建设探索

王昕 华臻 隋金雪 尚南强 马加庆

[摘 要] 为响应国家“双万计划”，积极探索“自动控制原理”一流本科课程建设方法。介绍课程的建设背景及发展契机;描述了课程教学现状及教学效果不理想的主要原因，总结分析了在课程教学改革探索中应解决的重点问题;结合长期从教经验及山东工商学院“自动控制原理”课程建设实践，从塑造课程目标、优化课程内容、全面组织实施和融合课程思政四个方面探讨了“自动控制原理”一流课程建设思路;辅以山东工商学院“自动控制原理”课程建设历程，说明课程教学改革成效。

[关键词] 自动控制原理;一流本科课程;课程目标;课程内容;思政融合

[基金项目] 2020年度山东省教育厅本科高校教学改革研究项目重点项目“内外循环持续改进，电子信息类一流专业产教融合协同育人机制的研究与实践”（Z2020062）;2018年度山东工商学院教学改革研究项目“产教融合协同育人模式下创新实践能力培养在自动化专业教学中的研究探索”（11688201806）;2020年度教育部电子信息教指委教学改革面上项目 “基于工程认证理念的电子信息类专业课程思政教学体系构建与实践”（2020-YB-65）

[作者简介] 王 昕（1975—），女，山东招远人，硕士，山东工商学院信息与电子工程学院讲师，主要从事智能控制、高等教育研究;华 臻（1966—），女，河南南阳人，博士，山东工商学院信息与电子工程学院院长，教授，主要从事智能视觉与可视化技术、高等教育研究;隋金雪（1977—），男，山东高密人，博士，山东工商学院信息与电子工程学院副院长，副教授，主要从事智能控制与智能系统、高等教育研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）47-0071-04    [收稿日期] 2021-08-30

贯彻落实党的十九大精神，落实“立德树人”根本任务，教育部于2019年4月提出“双万计划”，至2021年底建设适应新时代要求的国家级及省级各万门一流本科课程，形成中国特色、世界水平的一流本科课程体系。如何抓住国家一流本科课程建设契机，提升“自动控制原理”课程的高阶性、创新性和挑战度，实现以学生为中心、产出导向的教学模式转变，是“自动控制原理”课程教学改革最值得探索和研究的问题。

一、“自动控制原理”教学现状

“自动控制原理”作为自动化、电气工程及其自动化等工科专业的专业基础课，主要研究自动控制的共同规律、面向各类自动控制系统的基本分析及设计方法，原理属性强，教学难度高。

根据“自动控制原理”长期的授课经验，笔者发现，过半数的学生课堂上能跟随教师的授课进度，有反馈，会记录重点内容，态度端正且积极。但通过考核却发现学生的学习结果并未达到预期目标，究其原因，主要在于以下几个方面：（1）教学内容包含大量的公式和原理。研究方法涉及的公式推导过程复杂，部分学生数学基础较差，难以听懂，有畏难情绪，最终只会生搬硬套公式;概念及原理阐述比较抽象，不生动，学生对其并未真正理解，只会死记硬背来应付考试。（2）缺乏对控制理论发展和应用背景的认识。学生对工业常用控制规律的应用情况了解很少，也不太关注控制理论的发展现状，对课程的重要性没有树立正确的认识，在学习过程中缺乏主动探索的精神。（3）理论知识不能指导工程实践。学生重视知识获取，应试目的性强，不能学以致用，不会将理论分析设计方法应用到实际工程系统中去解决具体情境中的实际问题。

二、课程教学改革要解决的重点问题

为改变课程教学现状，实现建设“自动控制原理”一流本科课程的目标，应着重解决以下几个问题。

（一）如何以“立德树人”为目标，从知识单元提取思政元素并融入教学案例

探索结合智能制造等自动控制技术应用领域成果，引导学生积极追寻挑战新技术，激发学生学习主动性以及家国情怀，潜移默化地让学生悟出“为什么学”“怎么学”“怎么用”，強化以唯物辩证观点进行系统分析与设计，有效提升学习者学习体验和学习获得的方法。

（二）如何面向能力产出，设计支撑课程目标达成的课程内容

课程内容的优化与教学组织实施密不可分。如何利用先进的信息化教学工具，实现多种优质教育资源的落地应用，整合课程内容，使学习从课内拓展至课堂外。有意识地在设计教学环节过程中让学生忙起来，引导学生思考、探索、发现课程内容蕴含的本质规律，全方位地实现学生的学习能力、理论与实践相结合能力的提升。

（三）如何强化以学生为中心，完善课程评价与持续改进机制

探索引导学生从注重“考试结果”向注重“学习过程”的转变方法，切实提高学生解决复杂工程问题的能力。课程评价体系如何实现从结果评价转向结果与过程评价相结合的方式，综合考虑课程中涉及的各个环节，如作业、实验、创新实践等，使评价体系有效促进学生分析与解决问题、团队协作、严谨求实等个人整体素养的增进。

（四）如何在原理性课程中持续强化学生工程意识养成与工程思维的训练

作为专业基础课，激发学生工程意识是其应有之义。如何让学生明晰系统中有哪些变量，变量间的大致关系，存在耦合否，在工程层面上熟悉被控对象是实施自动控制的基点;明确工程思维的多样性，理解同一个系统可以有多个模型来描述;同一个工程问题可以有多种解决方案，同一方案可以有不同的实现参数，这样些都是需要深入思考和实践的方面。

三、课程教学改革探索

（一）重塑课程目标

作为原理属性的课程，应提供解决问题的共性方法;作为专业基础课，应强化工程属性;若不将个案的工程实例与共性方法融为一体，工程的思维方式就难以建立起来。首先训练学生能用数学工具将工程问题抽象为科学问题，然后能用时域法、频域法分析科学问题，形成多个工程解决方案;再以仿真实验分析优选工程方案，最后给出计算机控制系统的实现。

在教学过程中有意识地培养学生的工程意识，模拟实现工程训练，注重弘扬工匠精神，渐进培养学生解决自动化领域复杂工程问题的能力[1]，具体如下：（1）正确理解工程中控制系统的概念、结构，能够建立反映工程问题合理的控制系统模型，具备对系统进行定性分析、定量估算、动态仿真及分析求解的能力。（2）能够分析控制系统的稳定性、动态和稳态性能[2]，并能设计相应实验，研究参数变化产生的影响。能够设计控制器并仿真验证，掌握计算机控制系统实现方法，具备设计开发复杂工程问题解决方案的能力。（3）能够立足专业、追求卓越，具有科技报国的家国情怀和使命担当。

（二）优化课程内容

“自动控制原理”课程内容包括反馈控制引论、系统的数学描述、时域分析法、根轨迹法、频域分析法、控制器的设计与实现[3]。内容应能体现系统描述、分析、设计、评估、实施的完整过程，形成一个有机的知识链，而不是分散的知识点。讲授过程中不把工程原理讲成数学，而是用数学讲透工程原理，从中渗透出共性方法，才能有效地渗入学生的头脑之中。

1.反馈控制引论可从简化的工程实例入手，以一个完整控制问题的解决过程，解构自动控制的基本框架，使学生从中领会自动控制的本质，而不是生硬的解释名词。

2.系统的数学描述实质上是描述系统中的变量及其关系，而变量间的关系不外乎是各种物理化学定律，通过典型实例使学生明确这些定律一般都是在某种恒定条件下获得的，实际工程系统难以满足这些恒定条件，但在微分段上这些恒定条件可以满足，从而确立微分方程或者偏微分方程是描述系统最一般的方法认识;引入拉氏变换，通过传递函数将系统的输出与输入剥离到系统之外，为后续的系统性能分析留下伏笔。

3.时域分析法从微分方程求解入手，引导学生观察一般系统响应的结构，归纳响应基本形态;随后建立系统基本性能与扩展性能两大部分的工程分析框架;引导学生以系统响应为桥梁，建立不求响应只根据系统参数完成性能分析的路径。

4.根轨迹法从系统开环、闭环传递函数入手引导学生明确开环、闭环零极点关系，借助二阶系统实例充分认识闭环零极点对系统性能的影响，帮助学生建立图解确定主导极点，结合系统参数进行性能分析的途径。

5.频域分析法是让学生掌握利用开环稳态频域信息分析闭环系统性能的一般性方法，其特点是用稳态信息分析瞬态性能，用开环信息分析閉环性能;将闭环系统类比为增益为1的放大器，使学生从关注时间轴到关注频率轴，逐步建立起分频段分析系统的新框架;特别需注意难点辐角原理，引导学生讨论为何复平面上的封闭围线可用频率特性图代替进行分析，当在虚轴上有开环极点时，如何补画封闭的开环奈奎斯特图和开环伯德图。

6.控制器的设计主要是让学生综合实践前述的建模和分析方法;以比例控制为基础，若不能达到期望性能（期望特性指标受到被控对象、传感器性能的约束不可任意），则需增加超前与滞后的复合校正，学会调节PID参数。同时明确设计过程需多次迭代，方案不唯一。

7.控制器的实现主要是让学生掌握计算机控制系统的实现方法。以计算机为通用实现载体，其控制算法有两种形成方式。其一是在连续方式下设计控制律，然后对连续控制率进行离散化;其二是将被控对象离散化，以离散方式直接设计离散控制率。采样周期T是任何一种离散化方法的关键参数，应引导学生高度重视对它的分析和设计;将离散系统零极点参数以Z与S的指数关系进行转换，引导学生对应地将连续系统的时域分析方法频域分析方法引入过来。

（三）重视组织实施

应以能力提升为目的，全面贯彻课程组织实施。

1.围绕学生所思所想所学，激发学生的热情与兴趣，引导学生思考和探索，采用包含讲授点拨、讨论探究、问题驱动、实践演练等灵活多变的教学方法。阐述原理以点拨为主，厘清重点和难点，在教学过程中，不断提示学生注重数学符号背后的工程含义;工程原理提供的共性方法不可能涵盖所有的实际系统，形成的解决方案也是多样性的，讨论探究能激发学生的学习兴趣和灵感，加深理解，使多种系统实施解决方案优劣立显;工程实际问题贯穿整个教学流程，让学生由局部到整体学习把握方法内涵;通过实践项目任务，学生分组借助仿真工具完成项目设计，以工程原理指导工程实践。

2.努力丰富教学资源。如搭建高水平的实践环境，提供多元化、综合性的工程演练项目;充分发挥线上优质公开课程等资源优势，借助如精品课教学网站、慕课等，积极拓宽学生课外学习渠道，倡导学生自学、结对学习;不断优化更新自建试题库、知识点微视频等，提高课堂外的教学辅助水平;借助网络通信工具促进师生互动、生生互动，充分利用碎片时间，打破空间限制，最大限度地调动学生学习的主动性，提升教学效果。

3.设计包含课堂问答、作业、实验、测试、创新实践和学科竞赛相结合的多元化、形成性考核评价体系。评价体系中注重激励实践创新能力提升，如引入高阶性、创新性和挑战度的实践项目完成评价，如机械臂控制系统、智能车系统、倒立摆系统、四旋翼等;加入学科竞赛获奖激励机制，通过小组辅导、校内预赛、获奖学生经验交流、老带新等多种措施大力提升学科竞赛的参与率与获奖率，增加学生个体理论指导实践的机会，有效提高培养学生综合能力。授课结束后针对授课对象整体和个体进行课程目标达成度分析，对学习效果进行评价，找出薄弱环节，评价结果作为课程教学质量持续改进的重要依据。

（四）融合课程思政

用好课堂主渠道，在知识传授的同时注意价值传导，从课程内容中提炼思政元素，融入教学案例。帮助学生确立远大的志向，为实现中华民族伟大复兴梦打下坚实基础;突出本科教育是科技进步的基础力量，以及在强国益民发展中的重要作用;以我国在自动控制领域的进步和发展，激发学生的民族自豪感[4];以控制领域科学家的事迹鼓舞学生，培养学生严谨求实的科学态度，立足专业、追求卓越的工匠精神，使学生具有使命担当。

四、改革成效

山东工商学院“自动控制原理”课程改革从2003年起步，持续不断优化教学内容，2009年被评为校级精品课程;2010年出版《自动控制原理》教材;积极探索理论传授与实践应用的深度融合，2012年被评为山东省高等学校精品课程;建设课程网站，优化课程资源;2013年和2018年立项校教学研究改革项目，完善课程评价体系，增加过程考核，激励学生自主学习;通过建设和教学改革，实现了价值塑造、能力培养、知识传授三位一体的教学目标，2020年立项山东省本科教改重点项目，2021年7月获批山东省一流本科课程。

五、结语

“自动控制原理”一流本科课程建设应始终贯彻OBE教育理念和课程思政要求，以学生为中心，贴近产业需求和技术发展，结合现代化信息技术，持续革新教学理念、教学内容与模式，丰富教学资源，深入工程原理，持续强化工程意识与思维养成，最终提升学生解决复杂工程问题的能力[5]。

参考文献

[1]闫群，李擎，崔家瑞，等.大学生解决复杂工程问题能力的培养[J].实验技术与管理，2017，34（11）：178-181+186.

[2]王万良.“自动控制原理”课程教学中的几个关键问题[J].中国大学教学，2011（8）：48-51.

[3]程鹏.自动控制原理[M].2版.北京：高等教育出版社，2010：4.

[4]吴小娟，郝家琪.“自动控制原理”课程思政建设的思考[J].产业与科技论坛，2020，（19）3：243-244.

[5]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30+84.