自动化专业自动控制原理课程教学改革探究

苏 磊，夏荣盛，李 峰，李 飞，孔庆凯，沈 浩

(安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243032)

自动控制原理是自动化学科的一门重要的专业基础课、必修课，是自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化等专业的主干核心课程，该课程以理论教学为主。自动控制原理主要介绍自动控制系统的基本概念，讨论反馈控制系统的基本原理与基本方法。针对线性连续系统，首先建立控制系统的数学模型；在数学模型的基础上，分别应用时域法、根轨迹法和频率特性法分析控制系统的稳、准、快等控制性能；针对不满足性能指标的系统，介绍控制系统设计的基本方法。最后在线性连续系统的分析与设计方法的基础上，讨论非线性系统和采样控制系统的一般基础[1-3]。

一、自动控制原理课程教学中存在的问题

传统的自动控制原理课堂教学中，由于缺乏哲学辩证法的引导，单纯地依靠课堂的知识讲解，学生难以理解课程的思想精髓，造成学生的学习效果并没有完全达到教学大纲的要求[4-7]。此外，课程主要以理论教学为主，实验教学内容偏少，导致理论与实践的脱节。

传统的教学以板书的形式进行教学，教学活动的主体是教师，学生往往缺乏主动性，这种教学方式无法激发学生的学习兴趣，不能满足当前学生对知识的需求。即使有些教师利用多媒体形式进行教学，但是多为单纯的文字形式，缺乏形象的动画、语音、图形等，同样效果不佳[8-9]。

大部分高校的课程考核办法中，平时成绩包括出勤、作业、笔记、实验等，占最终成绩的20%～30%，而期末成绩占最终成绩的70%～80%。期末成绩基本决定了学生的最终成绩，这种评价方式没有充分重视对学生平时学习情况的考核，忽略了对学生学习过程中努力程度的认可，不利于学生对知识的探求以及学生的身心健康发展。

二、课程教学改革措施

(一)教学内容的改革

1.教学内容的调整

自动控制原理课程理论性较强，内容包括复杂繁多的数学推导和数学分析。在教学中融入思政元素，介绍前人或企业在自动化设备研发过程中如何思考、如何克服所遇到的障碍，引导学生学习科学的思维方法以及勇于面对挑战的精神。从自动化学科对我国创新驱动发展作用的角度出发，以杰出贡献者研究工作为载体，把社会主义核心价值观融入课程教学内容和教学各环节，突出价值引领、知识传授和能力培养，帮助学生正确认识历史规律、准确把握基本国情，掌握科学的世界观、方法论，树立正确的世界观、人生观和价值观。在教学内容上对自动控制原理课程进行了如下修订：

(1)在第一章“绪论”的教学内容中引入我国著名科学家钱学森的事迹介绍，培养学生的爱国情怀，教育学生要将自己所学投入到我国现代化建设中，无论以后从事何种行业，都需要保持敬业、精益、专注和创新的工匠精神。

(2)在第二章“数学模型”的讲授过程中，引入我国自动控制技术应用到航天工程领域的实例，坚定学生为实现中华民族伟大复兴的中国梦而不懈奋斗的信念。

(3)在第三章“时域响应”的介绍环节，展开介绍拉氏变换的创造过程，锻炼学生独立思考和辩证分析问题的能力。

(4)第四章“线性系统的根轨迹分析”的重点在于关注虚轴和实轴，它们分别对应系统的稳定临界条件和振荡临界条件。在教学过程中引导学生善于把握主要矛盾、主要问题和关键问题，从而解决难点问题。同时让学生意识到事物都不是一成不变的，需要以发展的眼观去看待问题。

(5)在第五章“线性系统的频域分析”教学过程中，结合稳定裕度的含义，引导学生为做事留有余地，加强个人修养，内外兼修，以适应日新月异的变化，从而从容应对来自社会的各种挑战。

(6)在第六章“控制系统设计”教学过程中，通过引入火星探测器的校正设计，激发学生的情感共鸣，培养学生的民族自豪感。

2.课程学时的优化

根据教学计划，自动控制原理课程共64学时，其中理论教学为58学时，实验教学为6学时。理论教学的主要内容包括：建立控制系统数学模型、控制系统时域法分析、根轨迹分析、频率特性法分析、用频率特性法设计控制系统、非线性系统分析以及采样控制系统的分析。实验内容主要包括：状态空间控制模型系统仿真及状态方程求解，系统的能控、能观和稳定性分析以及极点配置与状态观测器的设计。自动控制原理理论教学中的部分内容，在一些专业课程中已经学习，因此，需要对授课内容进行必要的调整，突出重点、弱化难点，有选择性地进行讲解，从而实现缩减理论教学学时，增加实验教学学时的目标。为了让学生更好地掌握主要知识点以及锻炼实践能力，可以将部分理论教学内容作为自学内容，并一定程度上提高实验教学学时。具体的改革措施如下：

(1)理论教学改为50学时，实验教学为14学时。其中时域法分析、频率特性法分析以及采样系统分析中的拉普拉斯变换、傅里叶变换以及Z变换的内容因在前序课程已有介绍而选择不再重复讲解。因自动控制原理课程主要针对线性系统进行分析，所以非线性系统分析的部分内容作简要讲解。

(2)为了提高学生对理论知识的理解以及锻炼他们的实践动手能力，增加一些实验教学内容，如：系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换、控制系统极点的任意配置以及状态观测器及其应用。

(二)教学方法改革

由于上述理论教学课时从58学时压缩到了50学时，为了使学生能够充分掌握主要内容，有必要采取“线上+线下”的混合教学模式。在线上教学环节，可以利用“雨课堂”、慕课等方式，让授课教师对自动控制原理课程授课主要内容进行教学视频录制并将其上传，以供学生在线学习。授课教师统计授课班级学生观看教学视频的情况，了解学生对自动控制原理课程学习的真实状态，以便在线下教学时更好把控教学过程。线上教学很好地解决了线下教学时间短、节奏快的问题，学生可以根据自身的学习情况，自主选择学习未完全掌握的内容，从而进一步提升学习成绩、补充知识。

建立QQ群或者微信群，让学生在群里提出问题，教师负责答疑。也可以采用线上匿名问卷的形式发放给学生，从而更好地了解学生掌握知识情况，以便在后续复习或章节回顾时有的放矢重点讲解。

自动控制原理课程既有理论性又有实践性，在教学过程中应注重应用实例的引入，结合学生的专业实践或生活实践，横向挖掘学生对所学专业的兴趣，增加知识的广度，做到学以致用，提高教学效果。例如，引入污水净化自动控制案例，介绍由安徽工业大学于2002年发起成立的安徽华骐环保科技股份有限公司运用自动控制技术在工业、村镇、黑臭水体治理领域取得的成就，条件许可的情况下，还可以带领学生实地参观学习，了解自动控制技术在工业领域的应用，让学生切身体会到自己所学知识的巨大价值，进而进一步激发学生的学习兴趣。此外，对于一些比较抽象的概念，如零输入零状态响应、系统的稳定域、频域分析等，可以借鉴Matlab仿真软件进行现场教学验证。

(三)评价体系优化

在课程教学评价上，做到过程性评价和终结性评价并用，提高过程性评价的权重，改变以往的一纸试卷模式，采用线上线下一体化方式，作业、随堂测验、实验等多种手段的综合考察法[10]。成绩由三部分组成：第一，出勤和线上线下作业，主要依据是QQ群或网络平台上发布的限时签到、线上作业以及线下布置的章节作业完成情况；第二，每学期两次的随堂测验以及课程思政相关内容的答题成绩；第三，学期期末考试成绩，试题以知识应用为目的，将基本概念和原理与学生所学专业的实际工程案例相结合，检验学生的实践、创新等综合能力。

三、结语

针对安徽工业大学自动化专业自动控制原理课程教学中存在的问题，通过对教学内容、教学方法以及教学评价机制提出了相应的改革措施，提高课程的灵活性，增强课程对不同专业的适用性。在教学过程中，通过混合教学模式来弥补内容多、课时不足的缺陷。在评价过程中，以学生为中心，强调过程评价和结果评价。上述改革措施实施后，学生课堂学习的积极性显著提高，更加注重平时对所学知识的积累。实验课时的增加，加深了学生对自动控制原理课程的理解，也锻炼了学生实践能力，提高了课程教学效果。