基于现代信息技术的《自动控制原理》课程思政建设

肖理庆

（淮南师范学院机械与电气工程学院 安徽淮南 232038）

积极响应教育部号召，国内各高校教师积极开展课程思政建设[1-3]。为了解决学生目前以及今后学习、工作中可能遇到的问题和困惑，强化学生工程伦理教育，在深入挖掘《自动控制原理》课程思政元素的基础上，将现代信息技术应用于《自动控制原理》课程思政建设中，效果理想。

一、《自动控制原理》课程思政元素

授课教师通过深入梳理《自动控制原理》课程的教学内容[4-7]，挖掘了课程思政元素，主要包括：

很多学生在计算控制系统的动态性能指标与稳态性能指标时，经常忽视对控制系统稳定性的判断。授课教师首先向学生强调：涉及控制系统性能指标的计算必须首先判断控制系统稳定性。然后授课教师教育学生：对个人而言，“德”是做人做事的根本；判断系统稳定性的方法主要包括：劳斯判据、绘制控制系统根轨迹以及频域稳定判据。在讲解三种不同方法时，授课教师首先向学生强调：在应用中具体采用哪种方法判断控制系统稳定性应结合实际情况。其次授课教师教育学生不应该盲目跟风考研，而应结合自己的实际情况，就业和创业也会有很好的发展和前途。最后以控制系统闭环特征方程D(s)=0.125s5+s4+3s3+7s2+6s+2=0时为例，讲授由中国学者提出的谢绪恺判据，并通过对比，明确其优点。

在讲解利用闭环主导极点的概念计算高阶系统时域性能指标时，授课教师首先按照课程教材所述的方法计算高阶系统时域性能指标，然后通过MATLAB仿真软件编程显示原高阶系统与按照课程教材所述方法得到的降阶系统在单位阶跃输入信号下的响应曲线，如图1(a)所示，进而指出课程教材的错误之处，再讲解在利用闭环主导极点的概念计算高阶系统时域性能指标时的正确方法及注意事项，并通过MATLAB仿真软件编程验证其准确性，如图1(b)所示。

图1 控制系统单位阶跃响应曲线

最后授课教师教育学生：在求学和工作的过程中必须严谨、科学，“尽信书不如无书”，要敢于质疑，并要求学生课后找出并纠正由厂家提供的实验指导书存在的错误；在讲解幅值裕度h和相角裕度γ的计算方法时，以GK(s)=6/[s(0.2s+1)(0.5s+1)]为例，授课教师首先演示采用近似估算的方法求得：控制系统的幅值裕度h为0.86（小于1）、相角裕度γ为-4.90°（小于0°），进而根据所学知识得到“此控制系统不稳定”的错误结论。然后分别通过列写劳斯表、利用牛顿-拉夫逊算法和待定系数法求得控制系统全部特征根，得到“此控制系统稳定”的正确结论。最后授课教师教育学生：在今后的学习和工作中一定要精确计算、精益求精，否则将“差之毫厘，谬以千里”。

二、基于网络教学平台的《自动控制原理》课程思政建设

在所主持的2018年安徽省级课程类建设项目——《自动控制原理》大规模在线开放课程示范项目的资助下，笔者按问题组织了《自动控制原理》课程不同知识点，录制了慕课视频并在安徽省网络课程学习中心平台上线。截止2020年11月08日，《自动控制原理》大规模在线开放课程教学环节统计数据如表1所示，其中学习总人数包括淮南师范学院学生、其他高校学生及社会人士。

表1 《自动控制原理》网络教学平台统计数据

课程累计访问量公告次数教师发帖数教师讨论数课程总发帖数互动讨论参与人次测验和作业参与人次考试参与人次72653 56 68 1054 290 4219 24795 690 31465 64 59 1735 339 4390 13080 376

在所录制的慕课视频中，有机融入了授课教师挖掘的上述《自动控制原理》课程思政元素；在课程互动部分，首先由授课教师提出问题，然后学生回答，最后由授课教师针对有错误的回答一一回帖纠正，如图2(a)所示；在课程公告部分，除了公布线上学习进度要求、随机专题测验的时间、内容与密码外，授课教师不定期推荐学生观看有利于培养其精益求精的大国工匠精神的视频，如图2(b)所示。

图2 《自动控制原理》网络教学平台中课程互动与公告部分

三、基于《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配软件的课程思政建设

为了强化学生工程伦理教育，培养学生分工合作、取长补短的意识，基于MATLAB独立研发了《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配软件，如图3所示。

图3 《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配软件

《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配软件的主界面如图3(a)所示，由查看学生《自动控制原理》先修课程期末考试成绩、基于改进遗传算法《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配、查看《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配结果以及查看《自动控制原理》课外拓展要求四部分构成。

首先通过查看学生《自动控制原理》各先修课程的期末考试成绩，确定其权重，并在基于改进遗传算法《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配界面中输入改进遗传算法参数，点击“确定”按钮，便可以式(1)为算法适应度函数，利用改进遗传算法实现《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配，如图3(b)所示。

式中：n为《自动控制原理》课程学习小组总数；m为《自动控制原理》先修课程数目(m=7)；αj为第j门《自动控制原理》先修课程期末考试成绩的权重；βij为第i个学习小组全体成员第j门《自动控制原理》先修课程的期末考试成绩最高分；ε为非常小的正数。

在《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配软件中，默认每组3名成员。当班级学生总数N不是3的倍数时，将学生《自动控制原理》各先修课程的期末考试成绩代入式(2)，所得的值最大（或者最大以及次最大）对应的学生暂不参与分组。待其他学生分组结束后，将其增加至按式(3)计算所得的值最小（或者最小以及次最小）对应的学习小组中。

式中：ηkj为第k位同学第j门《自动控制原理》先修课程的期末考试成绩。

点击“查看改进遗传算法收敛曲线”按钮，可查看改进遗传算法收敛曲线，如图3(c)所示。在查看《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配结果界面中，如果不输入学生学号，而直接点击“确定”按钮，软件将每隔5秒动态显示每组学生学号、姓名、头像以及随机分配的课外拓展题目，如图3(d)所示。如果输入学生学号，软件将显示对应学生姓名及其所在学习小组成员的全部学号、姓名、头像以及课外拓展题目，如图3(e)所示。点击“查看《自动控制原理》课外拓展要求”按钮，可查看《自动控制原理》课外拓展要求，如图3(f)所示。

四、基于《自动控制原理》辅导答疑软件的课程思政建设

“反馈”不仅是自动控制领域中两大主题之一，而且属于控制系统的本质特征之一。为了使学生亲身体会“反馈”，并将其应用于学习和今后工作中，授课教师基于MATLAB独立研发了《自动控制原理》辅导答疑软件，如图4所示。

图4 《自动控制原理》辅导答疑软件

《自动控制原理》辅导答疑软件主界面如图4(a)所示，由根据关键词搜索查询《自动控制原理》课程知识点编号、根据《自动控制原理》课程知识点编号辅导答疑、根据《自动控制原理》智慧教学软件反馈结果辅导答疑、根据《自动控制原理》智慧测验软件反馈结果辅导答疑、根据《自动控制原理》闯关游戏软件反馈结果辅导答疑以及根据《自动控制原理》期末考试软件反馈结果辅导答疑六部分构成[8]。

在根据关键词搜索查询《自动控制原理》课程知识点编号界面中，输入关键词之后，点击“确定”按钮，便可显示对应的《自动控制原理》课程知识点及其编号，如图4(b)所示。

在根据《自动控制原理》课程知识点编号辅导答疑界面中，输入课程知识点编号后，点击“确定”按钮，便可显示对应内容（采取图片形式），并通过声音进行详细讲解。如果听完之后仍不明白，可点击“重复一遍”按钮，如图4(c)所示。

在根据《自动控制原理》智慧教学软件反馈结果辅导答疑、根据《自动控制原理》智慧测验软件反馈结果辅导答疑、根据《自动控制原理》闯关游戏软件反馈结果辅导答疑以及根据《自动控制原理》期末考试软件反馈结果辅导答疑界面中，点击“确定”按钮，便可根据反馈结果按顺序显示课程知识点编号及其对应内容（采取图片形式），并通过声音进行讲解。如果听完之后仍不明白，可点击“重复一遍”按钮，否则点击“明白”按钮，软件将在反馈结果中自动删除此课程知识点相应的信息。点击“下一个”按钮，便可进行下一个知识点的辅导答疑，如图4(d)-图4(g)所示。

《自动控制原理》辅导答疑软件有利于学生加深对“反馈”的理解，并将其应用于学习和今后工作中，从而不断提高自己、完善自己。

五、结语

为了强化学生的工程伦理教育，在深入挖掘《自动控制原理》课程思政元素的基础上，充分利用网络教学平台中慕课视频、课程互动、课程公告以及基于MATLAB独立研发的《自动控制原理》课程学习小组成员智能分配软件与辅导答疑软件，进行《自动控制原理》课程思政建设，充分发挥了《自动控制原理》课程的育人作用，解决了学生目前以及今后学习、工作中可能遇到的问题和困惑。