自动控制原理课程教学改革与实践探索

林异凤 任家智 徐善智

[摘           要]  自动控制原理课程是控制理论与控制工程学科的基础和核心课程。为满足新工科和应用型本科建设要求，我们在教学中创新工程教育方式与手段，对该课程试行教学改革与创新，促进学生专业知识的掌握和创新能力的提升，在课程建设的各环节进行了探索与总结，取得了不错的效果。

[关    键   词]  自动控制原理;新工科;教学改革

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2022）03-0061-03

山西能源学院是一所“以工为主，能源见长”的应用型本科院校。为了培养满足国家和地方发展需要的高素质人才，学院鼓励教师树立教育新理念、创新教学新方式、提高课程教学质量、培养具有创新创业意识和跨界整合能力的新工科人才。自动控制原理课程教学组在教学过程中针对课程进行教学改革和创新以及课程建设的实践和探索，培养学生的创新思维与创新能力。在课程教学改革与实践探索中，依据社会需求修订人才培养方案，根据技术发展改进课程内容，遵从学生爱好改变教学方法，课程教学效果大幅提高，学生的理论水平和实践能力得到较大提升。

一、教学改革的必要性

（一）课程性质及特点

自动控制原理是电气类、自动化类以及智能控制类等本科专业的核心基础课程，该课程侧重从理论角度阐述自动控制领域的基本概念和基本规律，理论性较强，计算量大，对学生数理基础知识要求较高，且内容比较抽象，学生理解比较困难。

（二）课程改革前教学状况

自动控制原理课程以往的教学方式是以教师讲授为主，教师讲，学生听，教师作为教学主体，依据教学大纲机械式完成教学，不能结合本校学生的基础知识水平和差异，导致学生由兴趣较高到听课困难再到学不会直至完全失去学习兴趣;教师也因为教不会而失去信心，教学陷入“学生难学、教师难教”的死胡同。由于课时量少，理论讲解深度和宽度有限，学生几乎没有实践机会，也没有实践的兴趣，导致教学效果很不理想。

（三）教学改革的主导思想和目标

2017年，教育部提出新工科建设的愿景与行动，倡导高校运用新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、新经济发展，建成工程教育强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦奠定坚实的基础。为此，自动控制原理课程组致力于课程教学改革，并进行大胆的实践探索。

在课程教学改革实践中，我们以实际工程应用需求為导向，以建设精品课程为目标，以学生为中心，改变教学理念，将学生作为主体开展教学工作。在理论教学基础上加大工程应用案例讲解，加强实践能力训练，培养学生理论知识与实践能力并重、创新思维与创新能力共同发展，通过课程思政、双语教学等方式，实现“立德树人”总引领，树立学生的家国情怀、民族自豪感和自信心，培养思想导向正确、致力于国家建设与国际交流的应用型人才。

二、课程改革实践

（一）建设控制理论课程体系

自动控制原理是控制理论的基础课程，它的研究对象是过程控制系统中被控对象的输出模拟信号的实时检测与控制，课程涉及的学科内容多、知识面广，我们通过厘清各专业课程同自动控制原理课程的关系，以服务专业课程为目标，建立应用任务模块，做到课程高度服务于专业建设。结合学生就业及升学需求，在人才培养方案中完善先修及后续课程，增加了传感器与检测技术、信号与系统等课程，建立了完整的控制理论课程体系，并且合理规划课时，做到教学内容和进程符合新工科培养目标。

（二）完善教学资源

1.编写教改课程大纲，制作教改课件。编写教改的课程大纲，充分体现专业培养特色需求。制作满足课程特色要求的理论和实验教学课件，建立线上教学资源库，收集课程知识的应用科普视频及趣味链接，让学生充分享受趣用结合的翻转体验。

2.设立应用任务目标，编写实验教学大纲和实验指导书。编写与各类专业相关的设计性、综合性和探索性实验大纲和教学指导书，最大限度地发挥学生的主动性和创造性。在保留一些传统实验的基础上，增加MATLAB软件仿真实验，加强学生对课程理论知识的掌握，提高学生的动手实践能力和创新能力。

3.充实与完善试题库，完善考核模式。建立章节练习题和试题库，库内资料满足教学大纲及研究生入学考试水平要求，开发试题库管理及试卷生成系统。考核中不唯考试成绩论，综合考查学生的教学参与程度、实验动手能力、创新创业能力。

4.建设教师团队。课程负责人牵头建立教学团队，承担教师的培养和考核任务。鼓励教师参加各种形式的教学交流活动，课程组经常进行教学研讨，通过定期听课促进教师业务水平提高。教学团队实行出入制度，对于不能满足教学目标的教师实行淘汰制。

（三）革新教学方式

1.学生成为教学主体。自动控制原理课程知识覆盖面广、内容多、更新发展快，理论性和应用性都很强，具有相当的深度和难度，且内容比较抽象、逻辑性强、概念多、概念间的差别小，导致学生理解比较困难、概念容易混淆。因此，我们在教学中要求学生必须在课前参加网络课程的学习，在课堂上的任务主要是交流和讨论，提出问题并得到教师的解答。教师的任务是帮助学生理清课程的脉络，讲解课程的重点和难点，鼓励学生参与到教学活动中，让学生认识到课堂的主角是自己。这个过程有别于目前盛行的翻转课堂教学模式，每堂课都要求全员参与课程讨论，学生的参与度作为平时成绩考核的依据并且有较大占比。

2.教师成为知识的引路人，而不是灌输者。本课程的显著特点是脉络清晰、逻辑紧密，课程教学设计紧紧围绕这一特点开展，从课程整体框架、章节之间的衔接，直至每一次课堂内容设计。教师在首次课程概述讲解中要带领学生进行课程知识“骨架”搭建、脉络梳理，在每个章节的学习中都要紧紧围绕这个脉络进行阐述，让学生明确为什么学、学什么、如何学。教师是学生思路的引领人，学生是思考的主体。教师的职责是让学生参与到教学中，以学生为中心，引导学生通过独立思考、团队讨论来自主解决问题。

3.引入工程案例教学。教师在章节课程开始时设计工程应用案例，提出设计要求，教学过程围绕工程案例展开。教学中，学生学习的目标生动、具体、直观，有身临其境之感，易于学习和理解。课堂上，教师引导学生思考、组织讨论研究，进行总结、归纳，调动学生学习的主动性。学生在课堂上再也不是忙于记笔记，而是共同探讨问题。由于调动集体的智慧和力量，容易开阔思路，收到良好的效果。

4.建立线上线下共享课程。为解决学生课后学习中的困惑，课程组教师精心设计课程，录制完整的教学视频并建立网上课程与学生共享，学生可以根据需求反复听课。课程组教师针对每个专业和年级建立课程学习讨论微信群，学生可以在群内提出问题、参与讨论问题，教师随时为学生答疑解惑，利用信息化手段将课堂延伸至任何时间和地点。

5.课程思政建设。立足“立德树人”根本任务，将德育元素融入专业课程教学中，实现全课程育人。教师在教学中提炼专业课程蕴含的文化基因和价值范式，将其转化为社会主义核心价值观具体化、生动化的有效教学载体，在“润物细无声”的知识学习中融入理想信念层面的精神指引。课程加入“中国元素”，以“科技强国”“军事强国”为课程改革重要内容，培养学生的专业归属感、民族自豪感，使学生成为热爱祖国、甘愿为祖国奉献的新时代社会主义建设者[1]。

（四）创新实验实践

建立实验教学资源库，优化实验教学内容。依据自动控制原理课程教学内容，从改革和完善实验教学大纲入手，在实验设计中综合考虑知识的难点和重点，在传统的模拟实验的基础上增加软件仿真实验，在验证性实验的基础上，增加设计性实验和综合性实验，以促进学生对课程知识的理解和应用[2]。

例如，在根轨迹分析法验证实验中，通过增加零极点引起的根轨迹变化，理解零点和极点的介入对系统动态性能的影响以及零点和极点的位置不同，导致对系统性能影响的大小不同，由此加深学生对PID控制器的理解。在此基础上，教师提出设计性要求（例如，设计一个超调量不大于10%的蓄水箱控制系统），学生依据要求进行实验方案设计并通过实验结果完成校验。通过验证型实验到设计型实验的训练，提升了学生的综合思维能力和创新能力，并由此引导学生开展综合型实验。学生利用涉及本课程的综合知识或与本课程相关的课程知识，独立思考和完成课程设计及毕业设计，或参加“互联网+”大学生创新创业大赛等国家级竞赛，调动学生勇于探索、勇于创新的积极性，最大限度地满足学生的求知欲和不断创新的精神，从而达到培养学生创新能力的目的。

三、课程教学改革特色及效果

自动控制原理课程教学改革试行三年来，形成了“学、验、用、研”各环节均具创新特色的课程。

（一）与专业课程相结合

构建与专业课程相结合的课程理论和实践教学案例，实现自动控制原理课程与其他专业课程的紧密结合，使课程教学内容与学生专业知识结构相适应，不仅能够降低课程学习难度、激发学生的学习兴趣，还能加强各专业课程间的联系，有利于学生专业知识体系的构建和知识综合应用能力的培养。

（二）与仿真技术相结合

随着多媒体技术在课堂教学中的广泛应用，为MATLAB仿真技术进入自动控制原理理论课堂教学创造了条件，通过MATLAB仿真技术对自动控制原理教学内容的图形、图像化展示，增强学生对教学内容的直观理解，不仅能提升教学效果，而且能让学生掌握计算机仿真分析软件的使用方法[3]。

（三）与学生竞赛相结合

自动控制原理课程是电气类学科竞赛的核心课程，在全国大学生电子设计竞赛、全国大学生智能车竞赛等都有重要的应用。我们将各类大学生竞赛项目中的自动控制案例渗透在课程教学各环节中，吸引学生的学习兴趣，引导学生积极参加各类学科竞赛，增强理论知识综合应用能力。系部专门为学生开辟了学生创新实践实验室，配备了实验仪器和设备，为学生课外实践提供支持，同时，专业教师在课题选择、方案确认、实现路径等各方面与学生研讨，学生解决问题的积极性得到提高，业余时间在实验室做科研项目的人越来越多，在国家级和省级学科竞赛中取得了多项成果。

（四）与教师科研相结合

教学和科研相辅相成，将教师科研相关内容纳入自动控制原理课程教学过程中，让学生了解控制理论的应用。例如，在某逆变器LCL滤波器设计课题研究中，由于LCL滤波器具有三阶特性，易引起系统谐振，我们采用双环或多环负反馈对控制系统物理结构进行改进，对控制系统降低阶次，从而避免了谐振，同时提高了系统的动态响应速度[4]。通过这个项目的研究，拓宽学生的科学视野，提高学生的学习兴趣，增强学生的求知欲望。

通过自动控制原理课程教学改革，学生对该课程的兴趣大增，在学习中善沟通、会协作，具备了自主学习的信心和积极性，开拓了创新思维与创新能力，学生在教务系统中对课程和教师的评价优秀率达93%以上。在近几年的全国大学生数学建模竞赛、全国大学生电子设计竞赛、全国大学生智能车竞赛、大学生“互联网+”、大学生创新创业大赛等都有奖项斩获。同时学生在考研专业课自动控制原理考试中成绩突出，2016级15名考研学生专业课平均成绩达116分，2017级23名考研学生专业课平均成绩达118分。

在自动控制原理课程教学改革实践中，课程组教师的专业知识水平和授课能力得到显著提高，在参加省级和校内中青年教师赛讲、全国教师创新教学大赛及教科研工作中都有许多收获。2020年，课程组成员共发表论文10篇，省级和院级科研项目2项，同时自动控制原理课程被评为院级教改项目和精品课程。

四、结语

自动控制原理课程教學改革取得了一定的成绩，得到了学校及学生的认可，但是距离国家对新工科教育理念的要求还有距离，尤其对催生新技术和孕育新产业的研究还未深入涉及。因此，课程组将继续积极尝试通过课程教学改革与实践，培养和造就引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障，为增强学生的实践创新能力做出积极的贡献。

参考文献：

[1]戚静.高校课程思政协同创新研究[D].上海：上海师范大学，2020.

[2]王建辉，徐林，顾树生.自动控制原理实验教学的改革[J].实验室研究与探索，2005（S1）：192-195.

[3]赵静.基于自动控制原理的教学改革实践探究[J].中国成人教育，2011（17）：147-148.

[4]赵晋斌，张元吉，屈克庆，等.单相LCL并网逆变器控制策略综述[J].电工技术学报，2013，28（10）：134-142.

◎编辑 郑晓燕