“自动控制原理”混合式课程改革研究*

张 冉 ， 高联学

（滨州学院电气工程学院，山东 滨州 256600）

0 引言

“自动控制原理”教学团队密切关注自动控制科学领域发展的新动向，不断地追踪和学习新科技，处理好基础知识与新科技的关系，教学中有的放矢地向学生进行传授，夯实学生理论基础，进而培养学生的主动精神和追踪新科技的能力，以适应自动控制领域科学发展的需要[1-3]。教学团队选择并综合运用多种教学方法，有机整合多个教学环节，进行教学改革。

课程教学团队结合学校建设以航空为主要特色的高水平应用型大学发展方向，一方面，对教学模式进行改革，建设了“自动控制原理”线上课程，将传统的线下授课为主优化为线下线上相结合、相辅相成的教学模式；另一方面，指导学生运用自动控制理论解决工程实际问题，积极参与大学生智能汽车竞赛、山东省大学生智能制造大赛以及国家级大学生创新创业训练计划项目等创新创业活动，在科技创新活动中加深对自动控制理论的理解和运用。

1 学情分析

1.1 学生来源和知识储备

“自动控制原理”课程主要针对自动化专业大二学生进行授课。学生前期学习了“高等数学”“大学物理”“电路分析”等课程，对微分方程、拉式变换、矩阵、行列式以及基本的工程问题具有一定的了解，具有理论知识基础。学习该课程前，自动化专业学生已参加实习活动，参观了国网滨州电力公司、大唐滨州发电有限公司、山东魏桥创业集团等具备较高自动化水平的企业，对电气自动控制系统有一定的感性认识，为本次课的学习奠定了一定基础。因此，学生有一定的感性认识、知识储备以及学习基础。

1.2 学生心理特征及认识水平

授课对象为自动化专业大二学生，已接触专业基础课程和部分专业课程，也有欲望了解本专业的就业方向、考研前景等现实问题。“自动控制原理”是自动化专业很重要的一门专业基础课，应用性较强。大部分学生对这门应用性较强的课程关注度很高，迫切希望在业余时间参加教师相关课题。总体来看，学生学习动力较足，积极性较高。学生平均年龄19岁，其抽象思维能力较强。由于该课程是自动化专业考研的专业课，因此学生对本节课内容学习兴趣较高。

2 教学理念与教学方法

2.1 教学理念

1）将课程知识与培养学生分析解决复杂工程问题的综合能力有机结合，形成自动控制的高级思维，达到提高学生职业能力和素养的目的。

2）引入MATLAB等科学软件，注重课程的实用性和时代性。探讨全信息化的教学手段与传统教学方式之间的融合，引导学生利用自动控制理论结合科学软件解决实际工程问题。

3）理论联系实际，结合实际控制工程需求，提高教师备课质量，增加理论知识的实用性，增强课程内容的广度和深度。

4）将课程思政与“自动控制原理”课程相融合，凝练课程思政元素，将“工匠精神”“家国情怀”等融入“自动控制原理”混合式课堂，激发学生爱国、创新、科技报国的思想。

2.2 教学方法

1）理论课程与实验相结合。针对“自动控制原理”课程理论性强的特点，同时为了加强学生的动手实践能力，结合“自动控制原理”中的实例，向学生介绍在工程中如何通过MATLAB等科学软件对自动控制系统进行参数设计和仿真。

2）教学过程采用任务驱动式教学法和启发式教学法等方法。任务驱动式教学法是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学方法，符合探究式教学模式，有助于培养学生的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。大多数大学生有着良好的学习态度，他们学习的目的性更加明确，单靠动画等画面丰富的多媒体教学法去激发他们的学习兴趣已很难成功。目前，关键是让他们理解和感受到所学课程对其将来成长的意义，懂得其课程间的逻辑关系，使其从“要我学”变成“我要学”，并且要把这种思想融入日常教学中，而不是采用教条主义形式的说服教育[4-6]。

3）教学方式与时俱进。现代教学手段与传统教学方法相结合，教学团队采用板书与多媒体相结合进行教学，同时建设在线课程，让学生在课前可以对“自动控制原理”重点内容进行预习、在课后能够继续对难点加以理解与巩固。在线课程的建设充分利用了现代网络先进技术，弥补了传统教学方式中的不足。

4）结合行业需求和课程发展建设的需要。团队教师结合“自动控制原理”基本知识指导学生参加机器人、智能车以及挑战杯等各级各类学科竞赛，锻炼学生的动手能力和解决实际工程问题的能力，加深对“自动控制原理”知识的理解和应用[7-8]。同时，为了提升授课水平和教学质量，团队教师积极参加教育部自动化教指委举办的自动化类专业青年教师讲课（说课）竞赛和滨州学院课程标准剖析比赛，获得三等奖一项、优秀奖一项。

3 典型教学案例分析与设计

3.1 新课导入环节设计

新课导入环节教学设计如图1所示。导入环节设计是为了引起学生思考，激发学生学习兴趣，使其了解自动控制系统，并引入本节内容。导入神舟十二号飞船与空间站自动控制交会对接的案例分析，提出自动控制交会对接是如何实现的、什么是自动控制系统以及自动控制系统由什么构成等问题，进而与学生互动。

图1 新课导入环节教学设计

3.2 新内容讲授环节设计

知识点1：自动控制系统的概念。首先，通过驾驶过程分析控制系统工作原理，采用控制系统术语讲授控制系统框图模型的构成。通过课堂互动，使学生自主思考生活中和工程中常见的控制系统，留课后作业让学生自行画出控制系统结构框图。

知识点2：控制系统结构分类。通过定速巡航自动控制让学生理解反馈控制系统的结构和闭环控制系统的控制逻辑，重点是偏差控制的控制原理。引入马克思主义辩证法中的事物两面性原理，让学生理解闭环系统的优点和不足，以及开环系统的特点及应用场景，使学生熟悉自动控制系统的分类方法。

知识点3：连续系统的数学模型。利用弹簧-阻尼-质量系统和RLC电路数学模型，使学生掌握典型系统建立数学模型的方法，使学生理解不同物理域的系统可能具有相同的数学模型。数学模型是系统结构的抽象表达，具有更加普遍的意义。

1.4 数据处理 采用Excel 2003 和DPS v7.05 软件对试验数据进行处理。X1表示密度，X2表示N，X3表示P2O5，X4表示K2O。通过回归分析建立4因素与豇豆产量之间的回归方程，因通用旋转设计的常数项与二次项系数、二次项系数之间都具有相关性，为方便对模型分析讨论，保留不显著的各项。将4个因素中的3个固定在零水平，对数学模型进行降维分析，得到以其中1个因素的偏回归模型，并根据该模型做出单因素变化趋势图；在固定其他2个因子为零水平时，求另外2因子之间的交互作用；对所建模型进行非线性求解得出最大值。

4 教学创新

教学团队形成“一中心、三课堂、一目标”，即“以学生为中心”“以翻转课堂为平台、以智慧课堂为载体、以课堂思政为抓手”“以能力培养为目标”的教学理念。

以学生为中心，以教师为主导。课程对标工程专业认证标准，贯彻以学生为中心的OBE教育理念，授课过程中注重引导学生对自动控制系统进行讨论和探究，就实际工程问题指导学生自行讲解分析。充分发挥授课教师的主导作用，授课教师均具有“自动控制原理”课程多年授课经验，在课堂组织、学生引导和知识点总结方面具有较高的水平。

充分发挥“三课堂”的引领作用。采用线上线下混合式教学，智慧树平台建立了“自动控制原理”课程的翻转课堂，注重知识传播的双向性[9-10]；智慧课堂实现课堂教学的智能化（课程录像在智慧课堂录制），充分利用多媒体信息化手段，学生可以实现线下授课内容的回看；课堂思政强化专业知识的育人性，授课团队充分挖掘“自动控制原理”课程的思政元素，建立了“自动控制原理”课程思政案例库，充分激发学生的爱国热情和科技兴国的报国之情，塑造专业人才的人生观、世界观和价值观。

以能力培养为目标。授课过程中培养学生应用MATLAB解决自动控制系统问题的综合能力，包括用MATLAB建立系统数学模型、MATLAB在系统时域分析中的应用、MATLAB应用于根轨迹分析以及基于MATLAB的风力发电机转速控制系统等，培养学生解决复杂化问题的思维和能力。

5 教学实践与效果

滨州学院于2006年成立了电气工程及其自动化本科专业，“自动控制原理”课程伴随着该专业的成立而设置，并且一直是该专业的主干核心课。在多年教学工作中，教学团队经常性地开展教学研讨活动，密切注视国内外控制理论在教育与科技方面的进展，定期召开会议，制定教学大纲，有计划、有针对性地组织观摩教学和教学研究活动，取得了显著的成效。“自动控制原理”课程从教材、授课内容、授课方法和实践教学等方面也在不断改进，如选用高等教育出版社程鹏主编的国家级规划教材《自动控制原理》、改善实验教学条件、扩充教学队伍和培养中青年教师等，逐步建立了课程教学与实践环节相结合的整体优化新体系。在教学效果、现代化教学手段、培养学生综合能力与素质、教学梯队建设、教学资源和实践教学等方面都取得了优异的成绩。

2）课程教学内容和课程体系不断优化提升。“自动控制原理”课程立项滨州学院校级重点课程建设项目，“自动控制原理”课程实验教学改革研究立项滨州学院实验技术研究项目。一篇毕业论文被评为山东省优秀学士学位论文。

3）考研专业课的成绩得到了提升，自动化类毕业生受到了用人单位好评。通过线上线下课程的学习和创新创业类活动的实践，提升了学生对自动控制原理的理解和应用能力，学生考研专业课的成绩得到了提升，多名学生考取中国民航大学自动化专业研究生进行深造。在自动化类企业就业的学生，能够将所学的自动控制理论应用于实际工作中，获得了用人单位的认可和好评。