新工科背景下“自动控制原理”实验教学改革

杨 扬, 张清勇

(武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070)

0 引言

2017年2月，教育部提出新工科建设[1]。教育部先后以《复旦共识》《天大行动》《北京指南》 等文件为标志，启动工程教育改革的人才培养规划，部署新工科建设，代表我国高等工程教育改革进入新的阶段[2]。新工科专业人才培养是中国制造2025强国战略的关键[3]。

“自动控制原理”课程是面向自动化、电气工程及其自动化、机械工程等专业的专业必修课程，也是车辆工程、电信工程等工科专业的选修课程[4]，“自动控制原理”实验教学在培养学生工程实践和应用创新等综合能力方面起着重要作用[5]。传统开设的实验内容大多是对基本理论的验证，实验手段是利用Matlab等工具进行仿真，存在实验内容与理论知识、实际系统、学科前沿及交叉学科联系不足，实验教学效果不佳，学生能力培养不足等问题[6,7]。同时，在我校还存在卓越工程师班与其他教学班的教学目标、教学内容和教学方法等无任何区别的问题，已不符合新工科教育理念。因此，有必要按照新工科建设要求进行“自动控制原理”实验教学改革和创新。本文中，我们面向自动化卓越工程师班，以学生为中心，修改该课程教学目标，将学科交叉和学科前沿知识融入实验教学内容中，创新教学方式与技术，科学评价学生实验成绩并持续改进实验教学，以培养学生工程实践和应用创新等综合素质。

1 多层次的“3-3-3-2”实验教学理念

针对我校“自动控制原理”实验教学中存在的不足，提出多层次的“3-3-3-2”“自动控制原理”实验教学模式，如图 1 所示。确定“自动控制原理”实验教学的三项能力培养目标，对应设置三级层次实验内容，不同实验项目具有三类不同的课程性质，并采取两种不同授课方式。

三项能力培养目标包括：

(1)使学生掌握“自动控制原理”实验的基本方法和实验技能；

(2)使学生具有运用控制理论分析和设计控制系统的综合能力；

(3)使学生具有基于自动化交叉学科知识、学科前沿和工程实物系统进行开放性实验的创新实践能力。

将实验项目分为三个层次：

(1)基于经典控制理论的基础验证性实验项目；

(2)综合运用控制理论知识、学科相关知识和辅助工具的综合设计性实验项目；

(3)基于实验室现有工程实物系统或科研成果转化或学生科技竞赛作品的应用创新性实验项目。

按照多层次化的实验项目，将实验项目类型分为必修性、选修性和开放性三种类型。同时，采取“基础普及式”和“开放引导式”两种教学方式。

2 修订教学大纲，优化三级层次实验内容

根据实验教学目标，重新修订自动化卓越班教学大纲，实验内容分为基础验证性实验、综合设计性实验、应用创新性实验三个层次。早期的“自动控制原理”实验环节为8学时课内实验，现有的培养方案中，适当缩减了理论学时，将课内实验环节总学时增加到16学时，另外将应用创新性实验全部安排在课外自主学习的环节。

图1 多层次的“3-3-3-2”“自动控制原理”实验教学理念

对于基础验证性实验，以实验室现有的“TD-ACC+自动控制原理”实验箱进行实验项目命题，无需借助Matlab仿真工具，只需在实验箱上进行模拟电路实验，目的是学生掌握自动控制原理基本理论和实验方法。基础验证性实验为必修实验。

对于综合设计性实验，以实验室现有的1套固高科技的直线一级倒立摆控制系统、磁悬浮小球控制系统、学院工业4.0 实验室的智能制造系统等工程实物系统进行命题。增加综合设计性实验比重，设置多个实验项目，采用必修和选修结合的方式授课，核心内容是必修的，另外设置一些拓展性实验项目供有兴趣的学生选做。综合设计性实验是实物系统实验，在实物系统实验之前需要进行MATLAB仿真分析。由教师提出实验目标，学生查阅资料、结合学科相关知识，自主设计实验方案，在教师的引导下完成实物系统实验。综合设计性实验内容不仅涵盖自动控制原理课程的重点理论和控制系统分析方法，而且实验重点内容是系统建模、校正、闭环控制器和控制策略设计，将数学模型、控制方法与工程实物系统将结合，培养学生解决实际问题的能力，增强学生综合分析能力。

应用创新性实验采用全开放方式。教师提供的选题一部分来源于学生科技竞赛作品、实验室现有设备，另一部分是基于控制学科前沿知识和学科交叉科研项目的创新性实验，例如：基于实验室现有设备的选题有“直线一级倒立摆摆起控制实验”，“直线一级倒立摆LQR控制实验”，“球杆系统小球定位控制实验”等，基于学生科技竞赛作品的选题有“四旋翼飞行仿真器设计”等、基于科研项目的选题“汽车动力锂电池均衡控制实验”等。学生也可自主选题。由2～3个学生组成一个小组，从方案设计到实验再到撰写报告和PPT，完全由学生自主完成，充分挖掘学生的创新能力，提高学生的应用能力和工程实践能力，也能锻炼学生的团队协作能力。

3 “以学生为中心，问题导向”的教学模式

新工科教育理念要求“以学生为中心”，教师发挥引导作用，提高学生的学习兴趣、学习参与度和自学能力。2018年，武汉理工大学自动化学院专业实验教学网络平台建成，该实验平台包含PC端和手机微信端。基于该实验教学网络平台，提出“以学生为中心，以问题探究为导向”的教学模式，采取问题导向的探究式和互动式的翻转课堂教学方法，采用多方位的考核方式评价实验成绩。

“自动控制原理”实验教学改革模式如图2所示，具体包括以下四个方面。

(1)借助专业实验教学网络平台，采用“互联网+开放实验室”的线上线下结合的教学模式，提供完善的网络实验教学资源，作为翻转课堂的课外学习内容，引导学生自主预习，规划预习节奏，解决课时不足的困难，提高实验教学效率。细化预习任务和预习考核要求，同时设置预考核试题。对于综合设计性和应用创新性实验，学生在自主预习阶段完成方案设计和MATLAB仿真分析，充分发挥学生的主观能动性，提高自学能力。

综合设计性实验的选修部分和应用创新性实验都采用开放预约方式。自动控制实验室对学生全开放，学生完成预习任务后，即可在PC端或微信平台上预约实验项目。

(2)以问题为导向的探究式方法开展基础验证性实验。问题探究方法包含两个层次，一是每个实验项目均以教师“设置问题、启发思考、引导提示“来组织教学，二是以学生“发现问题、分析问题、解决问题”贯穿整个教学过程。通过提出问题激发学生学习兴趣，学生分析问题引发思考从而解决问题，提高学生探究和应用能力。

以项目驱动法开展综合设计性实验和应用创新性实验。项目驱动法教学将实验内容以项目的形式开展。首先结合工程实物系统、科技竞赛作品、学科前沿知识、交叉学科科研成果等设置实验项目，创建情境。然后合理地将实验内容转化为不同层次实验任务，使学生进入工程应用或者科学研究的情境中，以驱动学生带着真实的任务进行实验。其次，项目驱动教学法只提供实验任务和目标，不向学生提供明确的实验方案和步骤，学生需要通过自主学习、独立思考、交流探索来建立控制系统数学模型、设计控制方案、进行仿真分析、获取实验数据及完成实物系统实验，在这个过程中教师只起引导、启发及与学生交流的作用。最后，教师对学生完成实验项目的方案设计、实验过程和结果进行综合评价和反馈，促进学生进行实验反思和方案改进。

(3)利用专业实验教学微信平台反馈交流，结合问卷调查方式进行教学反馈，形成实验教学闭环模式。学生和教师可在微信平台进行互动交流，学生可在微信平台评教，反馈对自动控制原理实验教学内容和教学方法等方面的意见。教师可在平台设置问卷调查，分析问卷调查的结果。通过以上方式，进行教学反馈，以持续改进实验教学。

(4)改变单一地依据实验报告来评定学生实验成绩的考核模式，建立多方位的科学全面的考核机制，才能公平公正地评价学生的学习效果，也能为实验教学持续改进提供思路。针对不同层次的实验项目，考察的方面不同。对于基础验证性实验项目，将学生的预考核情况、实验过程、实验结果和实验报告纳入考核。对于综合设计性实验项目，要考察学生的预习情况、实验方案设计、实践能力和分析解决问题的能力以及实验报告。对于应用创新性实验，还需考察应用创新能力、团队协作能力和汇报答辩能力。

4 结语

基于新工科人才培养目标，本文中提出了多层次“3-3-3-2”“自动控制原理”实验教学模式，确立实验教学的三项能力培养目标，设置基础验证性、综合设计性、应用创新性三级层次实验内容。基于专业实验网络教学平台，实现实验室全开放预约管理，从转变课堂教学模式、完善网络教学资源、建立教学反馈机制和采用多方位考核方法四个方面建立以学生为中心的线上线下结合的教学模式。通过实验教学改革，提高了学生的工程实践能力、创新能力、学科融合和团队协作能力。

图2 “自动控制原理”实验教学改革模式