“自动控制原理”课程教学改革的探索与实践

张 园， 刘淑波， 初俊博

(海军大连舰艇学院 基础部，辽宁 大连 116018)

0 引言

“自动控制原理”课程是我院的专业基础课。在课程建设过程中，我们一直探索将军事应用案例、Matlab仿真引入教学。但随着教改的逐步深入和细化，以下问题日益凸显：第一，案例的设计和使用缺乏统一设计，通常只是主讲教师面向局部教学内容选取，随意性大，连贯性差，没有面向整个课程通盘考虑、统一设计，更谈不上兼顾后续课程。第二， 实践环节只有硬件仿真(以有源网络硬件模拟控制系统)，理论和硬件仿真之间缺少软件仿真的练习与考核；加上理论和实践环节缺乏统一设计，致使理论与实践存在一定程度的脱节。第三，学生应试思维普遍，工程思维匮乏。面向题库的应试学习方式仍然存在，没有形成面向工程应用的思维和习惯。

为不断提高人才培养质量，特别是提高学生创新实践能力，我们基于工程教育理念，结合军队院校实战化教学要求，以“案例贯穿、理实一体、混合探究”教学模式为中心，从教学内容、案例设计、教学方法、评价机制四个方面对课程进行了系统的改革，解决了课程原来存在的案例选取与使用随意不连贯、理论和实践环节脱节不统一以及学生工程思维匮乏重应试等问题。

1 整合教学内容

1.1 重构教学内容，与案例探究相同步

一是内容主线化。以实际应用需求为驱动载体，将“探究解决舰载装备控制系统的分析设计问题”这一课程的总体目标作为教学内容的主线。

二是主线案例化。用几个典型舰载装备应用案例贯穿覆盖整个教学内容，使主线落到实处。

三是模块过程化。在基本内容不变的前提下，将原来的原理组成、数学模型、时域分析、频域分析4个模块，按照实际问题的解决过程：定性分析→定量分析(建模→分析→设计)，整合重构为原理、建模、分析、设计4个模块(如图1所示)。虽然基本内容保持不变，但内容的组织方式发生了根本改变，不是单纯按照分析设计方法进行分类组织，而是面向案例解决过程，使模块内容逐步递进，环环相扣。

图1 “自动控制原理”课程教学内容设计

1.2 主辅案例配合，使案例贯穿不断线

“自动控制原理”课程“建模”部分主要介绍几种控制系统的数学模型及其建模方法。由于组成控制系统的各控制元件的数学模型主要放在后续课程“自动控制元件”中介绍，所以“自动控制原理”课程“建模”部分以往主要通过对无源(有源)网络建模进行介绍，虽然方法类似，但典型舰载装备应用案例无法顺利贯穿该模块，学生也体会不到真正控制系统的模型及其建模方法。

按照舰载装备控制系统案例贯穿整个教学内容的设计思路，我们以最具代表性的直流伺服电动机的建模为重点，以点带面，将控制元件、控制系统的数学模型及其建模方法融合进去，使案例贯穿不断线。

而原有的无源(有源)网络建模案例，我们精选其中几个作为辅助案例。主辅案例配合使用，既能丰富案例贯穿的脉络，又能较好解决课程原有内容与增加的相关课程内容之间的关系。

1.3 软硬仿真结合，使案例探究一体化

按照对贯穿案例的理论分析→软件仿真→硬件仿真的探究过程，梳理调整软件仿真和硬件仿真的相关内容，以便实现案例探究的理论实践一体化。

一是软件仿真内容的融合式增加。以前的做法是将相关的Matlab/Simulink仿真命令放在各章末尾集中介绍。为使学生对案例的理论探究和软件仿真探究融为一体，我们将原来的集中添加改为融合式增加，在每一个理论知识点讲解完毕后紧跟相应的Matlab/Simulink仿真方法介绍，然后在对贯穿案例的理论探究后通过软件仿真探究加以应用。为了帮助学生对软件仿真方法的理解记忆，在理论教学中顺带给出所有概念术语的英文关键词。

二是硬件仿真案例的一体化调整。目前学生实作采用的“TD-ACC+自动控制原理”实验平台，是以有源网络模拟控制系统，与控制元件、控制系统在直观上脱节，不容易使学生形成控制系统的整体概念。并且，学生如果按照实验平台生产厂家推荐的案例进行实验，实验教学与理论教学使用的案例也脱节。为此，我们将统一设计的舰载装备应用案例贯穿至硬件仿真中，保证学生始终面对同样的案例进行理论分析→软件仿真→硬件仿真探究。

2 设计贯穿案例

2.1 示范案例设计

选取某火炮随动系统、某火箭深弹发射炮随动系统作为2个示范案例，用于课堂教学。示范案例贯穿整个教学内容的每一个教学进度，贯穿理论分析、软硬仿真各教学环节。为了达到案例始终贯穿、全面覆盖的效果，我们精心设计，在教学实践过程中反复修改完善，力求2个示范案例在难易程度等不同方面具有不同的典型性和代表性。比如：从稳定性的角度，应该分别代表稳定系统和不稳定系统等等。这样，两个案例相互配合、交叉并行，才能更好地实现案例的始终贯穿全面覆盖，更好地驱动教学内容的自然推进。

2.2 练习案例设计

选取某随动操舵系统作为主要练习案例，用于课后作业，贯穿整个教学内容，随示范案例同步推进。另外，我们梳理多年积累的十几个案例，集成为案例库，开发了“舰载装备随动系统设计仿真实验平台”，供学生随教学进度同步进行自主探究练习实践，并可将自己得到的结果提交平台验证。

3 改革教学方法

采用“案例贯穿、理实一体，混合探究”的教学方法。所谓“案例贯穿”，就是用几个典型舰载装备控制系统案例，贯穿整个教学内容，其中，两个示范案例用于课堂教学，一个主练习案例用于课后作业[1～2]。案例贯穿使得学生在解决系统局部问题的时候，始终面对的是整个系统，而不是一个个孤立的题目，更容易实现从知识到能力的转化，也能更容易形成系统论和负反馈的思想。所谓“理实一体”，是指每次对案例的探究，先是理论计算，然后是Matlab/Simulink软件仿真，最后是实验箱硬件仿真，实现理实一体[3]。为了在课堂上给学生提供一个理实一体的自主探究环境，把上课地点选在实验室。理实一体为学生理论与实践相结合的道路扫清障碍。在实施了上述教学策略之后，课堂教学时数有限的问题更加突出，为此，依托雨课堂，利用微视频、微测试、微讨论、雷实验，让学生进行课前的预习和课后的复习拓展，实现线上、线下的“混合探究”，在课堂教学中进一步突出重点，也帮学生破解电路接线等难点[4～5]。

具体实施步骤为：①课前兴趣激发先导，打牢探究基础，即：学生通过雨课堂观看预习微课视频，完成预习测试，激发兴趣、打牢基础；②课上示范案例驱动，引导一体探究，即：两个示范案例驱动，学生在教师引导示范下进行自主探究，包括：理论分析、软件仿真、硬件模拟、软硬仿真对比以及小组研讨；③课后练习案例驱动，自主探究拓展。一个主练习案例——某随动操舵系统，为必做案例；其余案例，集成为案例库，开发了仿真实验平台，供学生选作。学生还可以通过雨课堂、以及我们自主开发的视频公开课和网络课程等进行课后的复习和拓展，还可以参加本科学生科技创新活动以及机器人俱乐部活动，延伸创新实践。

在此过程中，通过主线探究，牵引学生主动思辨过程；通过融合渗透，培养学生工程思维方式；通过理实一体，提高学生创新实践能力。

4 评价机制

课程采用形成性考核与终结性考核相结合、理论考核与实作考核相补充的考核方式。形成性考核是实施中的难点，以往将平时作业、课堂提问等计入成绩，可操作性差，效果差强人意。更重要的是，以往的考核缺少对学生软件仿真能力的评价，这样就使软件仿真能力的培养效果大打折扣。为此，我们将形成性考核设计为软硬仿真实作、中间考试和雨课堂测试，各占10%，力求全面覆盖学生的理论与实践、线上与线下的整个学习过程。与以往相比，增加了软件仿真、雨课堂预习的考核，保证了教学方法改革的实施效果，且这些平时考核内容均可通过平台自动完成，更加科学方便有效。

5 结语

“案例贯穿、理实一体，混合探究”的教学方法发展了案例教学，形成了全面贯穿的特色。案例贯穿全部教学内容和所有教学环节，使得学生对案例的探究始终不断线。其次，这种教学方法发展了理实一体教学，形成了混合一体的特色。线上依托雨课堂和雷实验，实现理实一体；线下依托实验室，实现教与学的理实一体，使得学生的理论和实践始终不脱节。上述探索应用，取得了良好的教学效果，形成了海军级教学成果。