基于学科竞赛的自动控制原理课程案例式教学改革研究

摘  要：为解决自动控制原理课程教学过程中遇到的一些突出问题，提出一项基于学科竞赛和案例教学的教改研究。选取如全国大学生机器人大赛ROBOCON和“西门子杯”中国智能制造挑战赛等高质量竞赛项目，从竞赛题目中提炼出与自动控制原理教学内容相关的若干案例。这些案例被整合到理论和实践教学环节中，引导学生将所学知识应用于解决实际问题，形成一个通过学科竞赛促进教与学的案例教学模式，激发学生学习的主动性，培养创新型应用型人才。

关键字：自动控制原理；学科竞赛；案例式教学；赛教融合；教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）20-0157-04

Abstract： In order to solve some outstanding problems encountered in the teaching process of the course Principle of Automatic Control， a research on teaching reform based on disciplinary competitions and case study teaching is proposed. High-quality competitions such as ROBOCON and Siemens Cup were selected， and a number of cases related to the teaching content of Principle of Automatic Control were extracted from the competition titles. These cases are integrated into the theoretical and practical teaching sessions， guiding students to apply what they have learned to solve practical problems， forming a case teaching mode that promotes teaching and learning through disciplinary competitions， stimulates students' learning initiative， and cultivates innovative and application-oriented talents.

Keywords： Principle of Automatic Control; discipline competition; case teaching; integration of competition and education; teaching reform

自动控制原理课程主要面向东莞理工学院自动化、电气工程、机器人工程和智能制造工程专业的学生开设，是这些专业的核心基础课程，对于培养学生在控制工程应用方面的理论理解和实践技能至关重要。近年来，控制相关专业的本科毕业生在就业过程中暴露出许多问题，包括实际操作能力差、问题分析和解决能力弱，以及缺乏创新意识和主动学习能力。以上问题直接影响毕业生的就业质量，凸显了专业发展和课程改革的必要性和紧迫性。

自动控制原理课程的特点理论性较强，需要依赖大量的数学知识，很多概念相对抽象，使得学生难以理解。大量的数学推导往往导致课堂教学枯燥乏味，难以激发学生的学习兴趣，学生很难真正理解控制理论对工程实践的指导意义。案例式教学法使用真实或虚拟案例来引导学生，将课堂教学的知识应用到案例中，培养学生问题解决能力、创新思维和团队协作能力。已有研究表明，将案例式教学法引入信号与系统、自动控制原理、电力电子技术等工科课程中，能够有效提升课堂教学质量，提高学生的实践应用能力和创新思维能力[1-4]。

本文提出了一种基于学科竞赛和案例教学的教改研究，选取高质量竞赛项目，从竞赛题目中提炼出与自动控制原理教学内容相关的若干案例，通过案例库设计、教学方法改革、考核方式改革等实施举措，将竞赛案例融入课程教学全过程，形成了一个通过学科竞赛促进教与学的案例教学模式，激发学生学习的主动性，培养创新型应用型人才。

一  现有教学过程存在的不足

（一）  理论教学环节

自动控制原理课程依赖深厚的数学基础，教学过程以理论知识为主导，辅以应用技术的内容。在教学实践中，教师往往更加注重系统性和逻辑性的知识传授，这可能会减少对学生实践能力和创造性思维的培养。如何在这些理论教学中让学生更快地理解所学内容对实际控制问题的指导意义？采用案例式教学方法是一种可行的解决方案。通过引入相关工程典型案例分析，可以迅速将理论与实践联系起来，同时也能更好地激发学生的学习兴趣和积极性。

（二）  实践教学环节

自动控制原理课程的实践教学通常采用硬件模拟和软件仿真的方式展开，学生通常只需要按照实验指导书的要求搭建模型，这使其很难真正培养创新思维能力和实践动手能力。尽管这些实验能够有效验证课程理论知识，但实验内容普遍缺乏工程实践背景，这可能导致学生无法将理论知识与实际工程实践相结合，从而影响他们对实验步骤和原理的深入理解。

（三）  考核评测环节

自动控制原理课程的原有考核评价标准，通常将期末考试的权重设定较高，而忽略了对学生实践能力、创新能力和主动学习能力等方面的考核。这可能会导致学生学习动机产生偏差，例如，过于依赖死记硬背概念和公式，而不是深入理解和应用所学知识。为了弥补这一不足，建议在课程考核评价中增加平时成绩的比例，包括对课堂讨论、实验报告、案例分析等形式的过程评价。通过这种方式，可以鼓励学生积极参与教学全过程，从而保持积极的学习态度，并有效培养学生的实践技能和工程应用能力。

二  基于学科竞赛的案例式教学改革

（一）  学科竞赛取得的成果和经验

“以赛促学、以赛促教”教学模式是地方本科院校积极响应社会需求、加强校企合作、促进学生综合素质提升的重要举措。这一模式倡导通过参与各类技能大赛，将实践性的技能培训和学术知识相结合，从而提高学生的综合能力和应用水平，有助于弥合学校教学与实际需求之间的鸿沟。同时，通过学科竞赛为载体，学校可以创新教学方式和手段，提升教学质量和效果，激发学生的学习兴趣和积极性，有助于打破传统教学的束缚，推动教育教学的不断创新和发展。已有研究表明，采用“以赛促学、以赛促教”的教学模式能够有效激发学生的学习潜能，培养学生的创新实践能力[5-7]。

东莞理工学院在新工科教育过程中坚持“以赛促教、以赛促学”的理念，积极组织学生参加各类专业竞赛，为学生提供良好的学习氛围和实践机会。在全国大学生电子设计竞赛、全国大学生机器人大赛ROBOCON、“西门子杯”中国智能制造挑战赛等赛事中，学生取得了显著成绩，并积累了丰富的经验和资源。将学科竞赛内容融入自动控制原理的教学过程，不仅丰富了课堂教学资源，更能够激发学生的学习兴趣，提高学生的参与度和积极性。同时，这一做法也有助于促进学生的价值目标、知识目标和能力目标的全面提升，如图1所示。

（二）  教学案例库的设计方法

建立合适的教学案例库需要教师团队的共同努力和不断积累经验，同时也需要教学实践和反馈不断地改进和完善[8-10]。从实际工程中选择教学案例固然具有许多优点，例如案例的真实性、直观性和实用性等，但也存在一些不足之处。实际工程案例通常受到特定环境、条件和限制的影响，往往无法全面覆盖教学内容，难以涵盖广泛的教学需求。实际工程案例往往较为复杂，涉及到多个因素的相互影响和复杂交互，这使得教学案例的分析和理解可能较为困难，特别是对于初学者而言。对于某些实际工程案例，由于涉及到复杂的工程过程和系统，难以在教学实验室中进行模拟或实验验证，限制了学生对案例的实际操作和实践经验的获取。

学科竞赛通常源自真实的工程案例，具备一定的应用性和实用性。同时，学科竞赛的题目往往会简化或剔除实际工程中的复杂限定因素，以符合大学生的实践水平和学习需求，更加注重学生对理论知识的掌握和应用。因此，从高质量的学科竞赛中选取适合于自动控制原理课程的教学案例，可用于课堂教学或实践环节。这样一来，学生不仅能够更好地理解和应用所学的理论知识，提升实践能力，还能接触到较为真实的工程案例，深入了解工程实践中的具体问题和解决方法。

自动控制原理教学组积极收集历年全国大学生电子设计竞赛、全国大学生机器人大赛ROBOCON、“西门子杯”中国智能制造挑战赛的优秀作品、获奖作品、典型案例。教学组对收集到的竞赛案例进行筛选和评估，选择与自动控制原理教学目标和内容紧密相关、具有代表性和可操作性的案例，评估案例的难度、适用范围、实践价值等因素。教学组对案例中涉及的控制理论问题进行深入分析和提炼，形成了适合教学的内容，如运动控制方案和过程控制方案。这些内容以描述型案例、讨论型案例和实践型案例等形式呈现，在教学过程中融入了文字描述、图片展示、实验报告和课程设计等多种方式，如图2所示。这一举措使理论教学和实践教学环节得以有机结合，从而更好地促进学生的学习效果。

（三）  教学改革的举措和实施方法

1  课堂教学过程的改革

自动控制原理教学组在课堂教学过程中采用案例式教学方法，包括课前准备、课堂实施和课后活动三个阶段，具体实施方法如下。

1）课前准备阶段。课前准备的首要任务是精选案例。在选择案例时，应该与课程内容紧密相关，能够充分体现课程的核心知识点和技能要求。案例应具有一定的复杂性，能够激发学生的思考和讨论，促进其学习深度和广度。案例还应具有时代性和前瞻性，能够反映当前学科领域的热点问题和未来发展趋势，从而引领学生对未来发展方向的思考和探索。

明确教学目标是课前准备的重要环节。教师需要根据课程要求和学生的实际情况，设定清晰的教学目标，以确保教学活动能够达到预期效果。这些教学目标应该明确指出学生在课程结束时应该具备的知识、技能和能力。教师还需要设计一系列与案例相关的问题，这些问题应当能够引导学生深入分析案例，挖掘案例背后的理论知识和实践技能。问题的设计应该具有启发性和引导性，能够激发学生的思考，促进学习和理解。

学生在课前需要对案例进行预习，以理解案例的基本情况和关键问题。为了帮助学生更有针对性地进行预习，教师可以提供一些指导性的问题。例如，了解案例涉及的行业、背景和相关环境；识别案例中的主要问题和挑战是什么？学生可以思考案例中涉及的关键技术、理论或实践问题，可以尝试想出可能的解决方案或策略，以应对案例中的挑战。

2）课堂实施阶段。教师在课前准备阶段需要对案例进行呈现。教师可以通过口头讲解的方式介绍案例的背景、关键问题和挑战，向学生传达案例的核心内容。如果有相关的视频资料，教师可以播放视频来呈现案例，让学生从视觉和听觉多方面感知案例的情况。在呈现案例的同时，教师需要引导学生关注案例的关键点和问题，为后续的讨论和分析做好铺垫。

案例教学的核心环节是小组讨论。教师需要将学生分成小组，促进学生之间的互动和合作。教师充当引导者的角色，鼓励学生发表观点，并进行互动交流。教师提供一些问题或话题，引导学生思考和讨论案例中的关键问题，激发学生的思维和创造力，通过提出问题、澄清疑惑、总结结论等方式引导学生的讨论方向，确保每个小组成员都能够参与到讨论中，从而提高学生的学习效果和能力。

小组讨论结束后，教师需要进行适当的引导和总结，帮助学生提炼出有价值的观点和结论，同时对学生的讨论进行评价，提炼出有价值的内容，以便全班学生更好地理解和吸收。教师还可以鼓励学生相互评价，促进学生之间的互动和反思，以提高讨论的质量和效果，还可以帮助学生更好地理解和掌握案例的内容。

3）课后活动阶段。学生对课堂讨论进行反思和总结，可以书面形式撰写报告，详细记录课堂讨论的过程、主要观点和结论，以及个人的思考和感悟。通过对课堂讨论的过程和结果进行梳理和总结，可以帮助学生加深对案例的理解，发现自己的不足之处，并为今后的学习和实践提供指导和借鉴。

教师可以推荐一些相关的阅读材料和研究资源，鼓励学生通过阅读文献、实地调研等方式，拓展自己的知识视野，增强理论与实践的结合。同时教师需要根据案例教学的内容，布置一些相关的作业和项目，这些作业和项目应当具有一定的挑战性，能够促使学生运用所学知识解决实际问题。通过完成作业和项目，学生能够将课堂所学应用到实践中，提高自身的实践能力。

如图3所示，这一教学方法使得学生在实际案例中逐步运用所学知识解决工程问题，从而更好地理解和应用课程内容。

2  实验教学过程的改革

在实验教学环节中，自动控制原理教学组为每章设计了一个设计型或综合型实验，以取代原有的验证型实验。所有实验内容均来源于实践型案例，这些案例详细介绍了工程背景、工作原理、操作环境及面临的挑战，同时强调了该问题在工程实践中的重要性。学生需要完成的实验步骤。

1）将这些案例抽象为一个或多个自动控制原理课程中的具体问题，并建立描述系统动态行为的数学模型。

2）应用控制理论对控制系统进行分析，包括稳定性分析、性能评估等，根据控制目标设计控制策略，包括控制器的选择和参数设定等。

3）在实验结束后，学生对比实验结果与预期目标，验证控制方案的有效性，并探讨实验结果对实际工程应用的意义及可能的改进方向。

通过这种设计型或综合型实验，学生不仅能够深入理解自动控制原理课程中的概念和理论，还能够将所学知识应用到实际问题中，培养其工程实践能力和创新思维。

3  考核评测方法的改革

为了更全面地评估学生的综合学习效果，自动控制原理教学组在课程的考核评价中采用多种考核形式，如课堂表现评价、课堂总结报告、实践操作考核和小组合作评估等，不再仅仅依赖期末考试成绩，全面评估学生的各方面表现，以激励学生在整个学期中保持积极的学习态度，改革实施举措如下。

1）课堂表现评价。教师通过观察学生在课堂上的表现评价其学习情况，记录学生的发言、提问频率、讨论深度等信息可以帮助教师更客观地评价学生的表现，及时发现学生的优点和不足，为其提供个性化的指导和帮助。同时，这也可以激励学生积极参与课堂，提高他们的学习效果。

2）课堂总结报告。学生对课堂讨论进行反思和总结，并撰写报告，教师应当评估报告是否全面覆盖了课堂的主要概念、讨论点和学习目标，提供具体、建设性的反馈，帮助学生认识到自己的优点和需要改进的地方。同时，教师也应当鼓励学生在报告中展现个性和创造性，促进其全面发展。通过这样的评价方法，学生可以更好地从课堂学习中受益，提高其学术能力和专业技能。

3）实践操作考核。在实践教学环节中，学生通过实验、模拟仿真、项目设计等方式进行实践操作。教师需要全面地评价学生在实践操作中的表现，帮助他们发现不足之处，并提供改进的建议和指导，以提高其实践能力和问题解决能力。评价学生在实践操作中的准确性，包括他们是否能够按照实验指导书或项目设计要求正确地进行操作。评价学生在实践操作中解决问题的能力，包括他们是否能够及时发现问题、分析问题的原因、采取有效的解决措施等。评价学生对实验结果的分析能力，包括他们是否能够正确地解读实验数据、分析实验现象，并提出合理的结论和解释。这可以通过学生撰写的实验报告或实验结果的讨论部分来评价。

4）小组合作评估。对小组项目报告和讨论进行评估时，除了评价项目结果外，还要评估小组成员之间的合作程度和分工情况。可以采用同组评分、组内评分和教师评分相结合的方式，综合考量学生的团队合作能力。

三  结束语

通过对自动控制原理课程教学过程的深入分析与改革实践，本文提出了一种结合学科竞赛和案例教学的创新教学模式。该模式旨在解决传统教学中存在的理论教学与实践脱节、学生创新能力不足等问题，通过引入与学科竞赛相关的实际案例，增强课程的实践性和互动性，从而提高学生的学习兴趣和参与度。

这一教学模式不仅适用于自动控制原理课程，也为其他工程类课程的教学改革提供了有益的借鉴。未来，我们将继续优化案例库内容，探索更多与实际工程相结合的教学案例，以进一步提升教学质量，培养更多具有创新精神和实践能力的自动化领域人才。

参考文献：

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基金项目：广东省本科高校教学质量与教学改革工程项目“依托现代产业学院的‘自动控制原理案例式教学改革实践”（粤教高函[2023]4号）

作者简介：姜鸣（1982-），男，汉族，辽宁沈阳人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为线性控制理论、深度强化学习理论。