专业教育与课程思政协同融合的《自动控制原理》 课程教学探究

田丽欣 吕宏丽

（唐山学院 河北 唐山 063000）

1 课程教学中存在的问题

1.1 课程理论性强，学生缺乏学习兴趣。该课程主要包含自动控制系统的基本概念、控制系统分析和系统校正与综合等，涉及到的知识面广泛，对于控制系统的分析和设计涉及到大量理论公式的推导和应用，高等数学、复变函数、电路原理、模拟电子技术等课程的知识贯穿于教学过程的始终，因此在教学中存在着学生觉得课程枯燥、乏味，从而缺乏学习兴趣和热情的问题。

1.2 授课多采用传统教学方式，不利于应用型人才的培养。传统教学主要以教师讲授理论知识为主，大多数学生对所学知识的理解只限于理论层面，形成了“只会做题，不会应用”的不良局面，不能将所学理论知识有效地融合到实际工程中解决实际系统的控制问题，与新工科理念不符，不利于应用型人才的培养。

针对于上述问题，打破传统教学方式，结合新工科培养要求，以OBE 教育理念为主导，在有限的教学课时条件下使学生掌握自动控制的基本原理，并加强应用能力培养，丰富学生的工程实践经验，是《自动控制原理》课程创新教学改革的关键。课程教学采用线上线下相结合的形式进行，利用项目式教学、案例法教学等多种教学方式，并结合现代计算机软件Matlab/Simulink 仿真教学，使学习内容更加生动、直观易懂。教学项目基于智能制造的实际工程控制系统进行设计，融合多课程知识，注重对学生专业能力的提升，并且根据教学内容深挖思政点，将思政教育潜移默化地融于课程教学过程始终，做到真正的“三全育人”。

2 融合专业教育和思政教育的教学设计

教学过程主要采用项目式教学法和案例式教学法，项目的设计和案例的来源从工程实际出发，摒弃传统的“先理论后做题”的教学形式，将理论知识的讲授贯穿于对实际项目问题的解决中，使学生能够对所学知识进行更深层次的理解，真正知道“学为何用”。在每个项目和案例的教学中都融合了思政教育，在“知识传授”的同时进行“价值导向”的引导，使学生克服惰性思想，从根本上激发学生学习的内驱力，以培养德才兼备的中国特色社会主义合格建设者和可靠接班人。

具体教学设计如下：

在第一章讲解反馈控制系统的概念和结构时，由于学生是首次接触自控系统，还没有物理模型的概念，所以在教学中，采用案例分析法帮学生建立起反馈控制系统的概念。案例的选取结合工程实际和前期专业课程基础，以“电机调速系统”和“水位控制系统”两个典型的反馈控制系统为例，使学生理解反馈的精髓，然后自然地归纳总结出反馈控制系统的一般结构组成。之后结合图像和视频资料对我国在控制系统开发方面的前沿研究成果进行展示，让学生感受国家科技的力量，从而激发学生的国家自豪感和专业认同感，提升学习内驱力。

第二章为系统数学建模，第三、四、五章分别为经典控制的三大分析方法：时域分析法、根轨迹法、频域分析法。对于这部分内容，传统教学主要局限于理论知识的推导以及对公式的“做题”应用，与实际脱钩，造成学生不知学有何用。基于此，围绕“工业机器人控制”，以项目驱动的形式展开教学，将原来孤立的章节有机融合在一起。具体分析和设计实际控制系统，从分析其物理含义入手建立工业机器人控制系统不同表达形式的数学模型，使学生自然掌握自动控制系统常用的数学模型的表达形式以及不同形式之间的转化方法。然后以数学模型为主，展开对控制系统的分析。在以工业机器人为代表的实际自动控制系统中，稳定性是前提，快速性、平稳性和准确性是对自动控制系统性能的基本要求。由学生分别采用时域分析法、根轨迹法和频域法对机器人控制系统性能展开分析，从而使其真正理解三大分析方法的内涵和它们之间的联系，掌握如何利用三大分析方法对实际系统进行性能分析，而不再局限于传统教学中脱离实际应用的做题。

控制系统的数学模型即为对控制系统所要研究问题本质的描述和表征，映射到人的自我认识，即要正确的审视自我，做一个内外兼修的人；数学模型之间的等效变换就如同人与人之间的相处之道：自由、平等、公正。通过时域三大性能指标是互相矛盾、相互制约的，没有绝对完美的系统，映射要用辩证统一的观点看待问题，讲究中庸之道；并映射到团队合作中要顾全大局，不能只顾一己之私，要讲究合作共赢。通过根轨迹图分析系统的性能，是一种借助图形的近似分析方法，要抓住关键要素才能完成对系统稳定性、动态性能的分析，影射解决问题要抓住主要矛盾和问题关键；此部分进一步采用课外实践的形式完成，通过调研本专业领域企业在自动控制方面面临的一些实际问题，由学生分析问题关键所在，提出解决方案，完成方案报告，通过此种形式使思政教育和专业教育紧密结合。频域分析法中三频段理论是基础，三个频段影响控制系统的不同性能，根据对控制系统的性能要求来设计三频段，就如同人生不同阶段有不同的努力目标，要做好规划，以更好地实现各阶段更优、更精彩。

第六章为系统校正和综合设计。当控制系统三频段不满足要求时，需要加入校正装置来调节。继续以“工业机器人控制”为例，经过前面的系统分析过程找出其自身性能存在的不足之处，从而引出系统校正方式和方法的应用。校正方法存在不唯一性，在由教师对常用校正方法理论讲解的基础上，由学生自主选择校正方法对原工业机器人控制系统进行校正，并对校正前后系统的性能进行对比，使学生对校正的原理达到真正意义上的理解。该部分主要思政映射点为：遇到挫折时要调整心态、建立自信、自我纠正以达到最优。具体实施通过小型演讲或微视频的形式由学生来讲述自己的人生规划和励志故事，通过共同分享来激发更多学生的斗志。

之后针对于经典控制方法PID 控制，围绕“一级倒立摆控制器设计”项目展开教学。首先创设情境引出日常生活中倒立摆应用的例子，如：手指支撑木棍不倒的游戏、独轮车的平衡控制等，由学生感兴趣的话题吸引学生兴趣、激发学习热情，从而进一步引伸出倒立摆在工业控制、航空航天领域和机器人控制等方面的应用；并通过“中国制造2025”突出控制的关键性作用以及对人才工程应用能力的要求，从而强调本专业掌握控制理论的重要性，继而引出如何利用基本控制理论解决倒立摆的控制问题。采用理论与仿真相结合的方法解决PID 控制器设计和参数调节问题，同时引导学生思考如何利用微处理器作为控制核心实现倒立摆的控制，将教学内容扩展至相关课程的应用，让学生对控制理论的应用有更直观的理解，提高工程意识。

3 结语

通过对课程内容体系和教学方式的改革，以“数学建模、控制系统性能分析和系统校正”为主线，从实际工程项目和典型案例入手，强化了自动控制理论的工程应用，提高了学生的实践能力，真正做到了学以致用。授课过程中将思政教育自然而然地渗透其中，达到了思政教育和专业教育的有机融合，做到了对学生潜移默化地影响，真正激发了学习的内驱力，从根本上解决了学生学习动力不足的问题，实现了能力培养和思想提升的统一，有利于高素质应用型人才的培养。