计算机控制系统课程思政混合式教学改革与实践

摘要：为实现专业知识传授、能力提升和价值引领的有机融合，本文探索了计算机控制系统课程思政混合教学模式。为完成立德树人的任务，制定了融入课程思政的课程目标，同时结合专业知识多角度设计了思政案例。基于BOPPPS模型，构建了“课前导学-课堂教学-课后拓学”三层次混合教学模式，并以Smith预估算法为例进行了教学设计。这为自动化专业课的课程思政教学改革提供了有益探索。

关键词：计算机控制系统；课程思政；BOPPPS模型；混合式教学

中图分类号：G642文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）34-0150-06开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0引言

教育部于2018年发文《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，明确提出了“坚持立德树人，德育为先；坚持学生中心，全面发展；坚持分类指导，特色发展”等几项基本原则[1]。为进一步贯彻落实这几项原则，2020年教育部颁布了《高等学校课程思政建设指导纲要》，指出全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措，是全面提高人才培养质量的重要任务，同时强调专业课程是课程思政建设的基本载体。在工科类专业课程教学中要把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析实际问题和解决具体问题的能力，培养广大学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情感和社会责任担当。

2021年，教育部印发《普通高等学校本科教育教学审核评估实施方案（2021—2025年）》，这是在建设教育强国战略背景下教育部启动实施的新一轮审核评估[2]。本轮审核评估强调“立德树人”是教育教学的根本任务，要求各高校不但要重视专业知识的讲授，还要深挖课程的思政元素对学生进行价值引导，使知识传授与思政教育形成协同效应，使能力和素质目标落到实处[3]。目前，高校自动化专业对课程思政教育进行了许多研究和探索，尤其是在计算机控制系统课程的思政案例库建设、思政教学改革、教学案例设计等方面取得了较好的成绩[4-7]。为了迎接新一轮的审核评估，推进课程思政建设，改革教育教学手段，依托自动化专业的计算机控制系统课程，本文探讨了融入课程思政的混合式教学模式。

1计算机控制系统概述

计算机控制系统是自动化专业的核心课程，注重工程实践，对学生理解和掌握自动化概念、理论、方法和技术至关重要。在教学过程中，不仅要注重本课程知识的内涵，还要关注知识的外延和拓展。如何提高教学效果和教学质量，改革思政教学内容和方法，一直是计算机控制系统教学改革关注的焦点[8]。一方面，要改革教学模式，培养学生的创新精神和实践能力；另一方面，要推进课程思政建设，将思想政治教育贯穿于专业课教学的全过程，培育出德才兼备的人才。

经过课程组教师的共同努力，在课程思政建设方面取得了一些成绩，但仍存在着一些教学问题亟待解决，主要包括教学方式单一，使得学生学习动力不足、兴趣不浓；理论和实际应用结合得不够紧密，学生的实践和创新能力需要提升；思政元素融入方式生硬，思政案例偏少，思政教学效果还得再提高。为了解决这些问题，本课程以“学生为中心”作为教学改革的核心，首先明确融入课程思政的教学目标，根据思政育人目标建立了思政案例库；随后基于BOPPPS模型对传统教学模式进行了改革和探索，以Smith预估算法为例设计了教学案例，最后总结了教学实践效果。

2融入课程思政的课程目标

根据计算机控制系统课程教学大纲，学生在学习本课程后，在知识、能力、素养等方面达到如下要求。

2.1课程知识能力目标

学生能够描述计算机控制系统的基本概念、典型结构和工作原理；能够运用理论方法建立离散控制系统的数学模型，计算离散系统的技术指标，分析离散系统的基本特性；根据性能指标要求，能够进行控制算法、软硬件和抗干扰的设计。能够利用Matlab软件完成计算机控制系统的设计和仿真，并解释分析仿真结果。依据被控对象或生成过程的工艺要求，运用专业知识完成计算机控制系统的方案设计与实现。

2.2课程思政育人目标

本课程以立德树人为根本任务，坚持社会主义核心价值观，在知识传播中实现价值引领，在价值传播中凝聚知识底蕴，以思政案例为抓手，确保实现下列思政育人目标。

1）通过应用领域思政案例，让学生了解计算机控制行业发展背后的中国智慧和中国力量，激发学生的学习热情和民族自豪感。

2）通过科研领域思政案例，培养学生勤于思考的习惯，科学严谨的学习态度，在实践中感受科学精神、工匠精神、创新精神和探索精神。

3）通过行业领域和“引申”领域思政案例，培养学生的职业道德和社会责任感，增强对电力及相关行业的认同感和历史使命感。

3思政案例库的建设

为了落实课程思政育人目标，通过思想政治主题报告会、党支部组织生活会、教研活动和说课大赛等形式，对计算机控制系统课程知识进行梳理，多角度挖掘思政元素，建设了思政案例库。

3.1行业领域思政案例

东北电力大学是新中国第一所电力工科学校，自1949年建校以来，向我国电力行业输送了大量科技人才，为我国电力事业的发展作出了巨大贡献。因此，电力行业的“人”和“事”更会引起学生们的关注和共鸣。案例①：介绍我国火电厂、水电站、核电站和新能源电站的投运情况，介绍计算机控制技术在电力行业中的应用，例如火电厂过热汽温、给水流量和磨煤机转速等，水电站水轮机转速、核电站蒸汽发生器液位、光伏电站最大功率点跟踪、风机桨距角等参数的控制。案例②：介绍本学院优秀校友“全国五一劳动奖章”获得者包文杰在特高压输电线路运检工作中的事迹，他取得今天的成绩离不开坚毅的品质、克服困难的勇气和工匠精神。这些案例可以让学生高度关注发电企业的前景，激发他们爱岗敬业的精神，并做好职业规划。

3.2科研领域思政案例

在计算机控制领域有许多学者，他们的事迹具有励志教育的作用。案例①：中国科学家在计算机控制系统领域的重要贡献，如钱学森、杨振宁等杰出科学家的事迹，激发学生的民族自豪感和爱国热情。案例②：采样定理，又称香农采样定律或奈奎斯特采样定律，是信息论，特别是通信与信号处理领域中重要的结论。克劳德·香农和哈利·奈奎斯特为此作出了巨大的贡献，让学生了解科学家们追求真理、严谨细致的创新精神，同时激发学生对工程实践和科研工作的兴趣。

3.3应用领域思政案例

计算机控制技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。案例①：电力系统稳定控制系统和医疗设备控制系统都是计算机控制技术的经典应用案例，通过这些案例讨论基础设施建设对国家安全和社会稳定的重要性，增强学生的国家认同感和主人翁意识，培养学生的社会责任感和服务人民的使命感。案例②：自动驾驶汽车依赖于一系列计算机控制系统来感知环境、做出决策并执行驾驶操作，性能分析是确保自动驾驶系统安全性和可靠性的关键。通过这个案例讨论科技创新对社会生活的影响，鼓励学生投身于科技进步，为国家的科技发展贡献力量。

3.4“引申”领域思政案例

结合专业、课程知识和专业术语等，引申至人生观、价值观和世界观的思政案例，可以引起学生的关注，从而达到思政育人的目的[9]。案例①：香农采样定理是本专业研究生复试中常出现的面试问题，可以引出话题：“你为什么考研？”“你将如何度过研究生阶段？”“你想从事什么样的工作？”案例②：数字PID控制器的三个参数整定时要考虑离散系统的稳定性、快速性和准确性，相互制约的三个因素是需要合理选择，体现出兼顾三者平衡的重要性，这充分反映了辩证唯物主义和谐共生思想[8]。可以引出话题：“求职时去大城市意味着挑战和机遇，回小城市意味着安逸和局限，如何抉择？”。根据这些话题，发布问题调研，分析调研结果，引导学生树立正确的职业发展观，做好职业规划。

上述4个类型的思政案例，包含了爱国主义精神、思想引领、科学态度、社会责任、职业精神和意识担当等多层面思政元素，兼顾了深度和广度，可以更好地对学生的思想观念、价值态度进行引导教育，思政熏陶。

4三层次混合式课程思政教学模式探索

BOPPPS教学模型是一种以建构主义和交际法为理论依据的教学模式，强调学生参与和反馈的闭环教学过程模型，它将课堂教学分为导言（Bridge-in）、目标（Objectives）、先测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory-Learning）、后测（Post-assessment）和总结（Summary）等6个环节[10-11]。基于BOPPPS模型，本文探索了“课前-课堂-课后”三层次教学模式，如图1所示。

4.1课前导学（导言B+学习目标O+前测P）

为了让学生在课前能够了解每堂课的教学任务和教学内容，首先根据教学大纲，明确教学目标和教学方式，分析学情，做好教学内容梳理。其次设计预习课件，包含主要知识点，推荐的在线学习资料，自制的微课视频，讨论题和自测题等内容，利用雨课堂、微信群或QQ群等渠道发布，以第2次课为例展示了预习课件的内容，如表1所示。最后，通过微信群或QQ群在线答疑，利用雨课堂后台数据追踪学生学习进度和存在的问题，灵活调整课堂教学进度。学生根据预习课件所营造的教学情境中完成自主预习，通过教材自学、微课视频和在线课程助学、合作互学掌握学习内容，完成在线自测题，发现不足并加以巩固。

4.2课堂教学（参与式学习P+后测P+总结S）

BOPPPS模型强调学生是教学的主体，学生要全程参与学习而不是仅仅听教师讲课。在课堂教学时，教师需要启发和引导学生积极思考，主动参与教学过程中，进而建构自己的知识体系。对于教学重点和难点，采用板书推导演绎并详细讲解，借助雨课堂和多媒体，有机融入仿真示例、实际应用案例和课程思政等内容，做好“示范”环节。有重点、有针对性地解答预习中学生遇到的问题，再设置一些启发式问题，层层追问，举一反三，做好“反馈”环节。通过示范和反馈两个环节搭建“阶梯”，才能逐步增加知识的探索性成分，逐步放手让学生自己独立思考和探索。学生在课堂上可以参与雨课堂的弹幕讨论和小组讨论，互动交流，提升对知识点的掌握和应用能力。弹幕讨论主要针对讲课过程随时互动的话题，小组讨论适用于课前导学过程中预先设计的问题和课后拓学中布置的仿真作业、实践训练项目和文献泛读任务等。

表2中列举了部分章节的课堂教学环节，以“5.5数字PID控制器的参数整定”为例，通过多媒体讲解数字PID控制器参数整定的常规方法，即试凑法、临界比例度法和响应曲线法。之后在Simulink仿真环境中，针对二阶对象使用试凑法整定数字PID控制器参数，通过闭环离散系统响应曲线的变化，分析控制器三个参数的作用。接着融入课程思政案例，数字PID控制器的参数整定时要考虑离散系统的稳定性、快速性和准确性，针对不同的被控对象，三者之间要有不同的取舍，充分体现了辩证唯物主义和谐共生思想。通过雨课堂提出问题“如何评价闭环离散系统的单位阶跃响应曲线？”，学生可以通过弹幕进行回答。最后，引出群智算法，用于整定数字PID控制器参数，将书本上的知识进行了外延和拓展。

4.3课后拓学

课后，教师利用微信群或QQ群进行互动答疑，通过雨课堂布置课后作业、测验、仿真作业、实践训练项目和文献阅读任务，推送科技文献、实践训练项目学习资料，学生利用课后业余时间进一步拓展专业知识。由雨课堂的后台数据统计作业和测验的完成情况，反映了学生对课堂内容的掌握程度，据此教师可以随时调整课堂教学进度。仿真作业是指根据课程知识点设计的仿真实验项目，分析仿真结果验证相应的理论知识。例如：闭环离散系统稳定性、快速性和准确性分析，三阶对象有纹波/无纹波最少拍控制系统设计与仿真，二阶对象改进数字PID控制系统设计与仿真、火电厂过热汽温Smith-PID控制系统与仿真等。依托学院西门子实践培训基地，根据“西门子杯”中国智能制造挑战赛的竞赛题目设立实践训练项目，例如：反应釜温度PID控制系统设计，基于OPC技术的SMPT-1000锅炉液位系统设计等。文献阅读任务是指根据课程知识点，教师优选文献或由学生查阅文献，学生通过文献泛读了解理论知识在实践过程中的应用。

课后作业和测验，学生需要独立完成并通过雨课堂提交。仿真作业、实践训练项目和文献阅读任务，学生可以分为多个小组，同组同学合作完成，制作PPT并进行汇报。仿真作业和实践训练项目培养学生的实践动手能力和团队协作沟通能力，文献阅读培养学生的科学素养和科研创新精神，增强对所学专业的自信感和认同感。

5Smith预估算法教学设计

5.1教学目标

1）知识能力目标

掌握Smith预估算法和两种改进算法的基本原理，了解该算法在火电厂过热汽温中的应用。熟练使用Matlab仿真软件，完成过热汽温Smith-PID控制系统的设计与仿真，分析Smith预估算法的作用和闭环控制系统的性能。

2）思政育人目标

培养学生工程思维能力和实践动手能力，培养学生的职业道德和社会责任感，增强对电力及相关行业的认同感和历史使命感。

5.2教学重点与教学难点

教学重点为分析Smith预估算法的基本原理。教学难点为分析Smith预估算法缺点，阐述两种改进算法的基本原理。

5.3整体教学设计

整个教学过程包括课前导学、课堂教学和课后拓学三个阶段，如表3所示，表中介绍了每个阶段的教学活动、教学平台和时间分配等内容。

1）课前导学

教师通过雨课堂推送预习课件，包括以下几方面内容：

①介绍主要知识点：Smith补偿原理，改进Smith预估算法及其工业应用。

②分享自制的微课视频：Smith补偿原理。

③推荐中国慕课两门在线学习课程的相关章节：东北大学《计算机控制系统》第4.4节，北京交通大学《计算机控制技术》第4.5节。

④发布自测题：方框图等效变换有哪些原则？数字PID控制器参数如何整定？Smith预估算法为模拟化设计方法，该说法（）A.正确；B.错误。Smith预估算法有哪些缺点？

教师引导学生预习和自学，在微信群里与学生互动答疑，根据雨课堂后台数据梳理学情，在讲课过程中才能有的放矢。

2）课堂教学

①情景创设，引入主题

首先回顾上次课的主要知识点，包括数字PID控制和大林算法的原理、参数设计步骤和应用场合。提出两个问题：“带有纯滞后环节的系统有什么特点？火电厂中有哪些带有纯滞后的系统？”，学生思考和讨论后通过雨课堂弹幕进行回答，引出本次课的主题。

②推导演绎，突出重点

教师利用板书推导带领学生一起分析纯滞后特性和Smith补偿原理。针对含有纯滞后环节的闭环控制系统（如图2），求取闭环传递函数，引导学生从稳、准、快三个方面分析系统性能。引入Smith预估算法，针对图3所示系统再次求取闭环传递函数并分析系统性能，对比后学生可以直观理解Smith补偿原理。抛出思考题：Smith预估算法有什么缺点？学生思考讨论后通过雨课堂弹幕作答。引出两种改进的Smith预估算法，如图4和图5所示，由学生推导系统的闭环传递函数并分析改进后的优点。

③融入思政，塑造价值

介绍我国火电厂、水电站、核电站和新能源电站等投运情况，包括14座超大装机容量火力发电厂、十大水力发电站、投产和在建的核电站、光伏、风力和潮汐等新能源发电的概况以及计算机控制技术在电力行业中的运用。让学生了解电力行业的精神和魅力，增强对自动化专业的认同感与自豪感，提升学科专业自信。

④仿真演示，科研导向

针对火电厂过热汽温被控对象，设计基于Smith预估算法的PID控制策略，并完成系统仿真。梳理科技文献，介绍Smith预估算法与模糊控制、滑模控制、预测控制等算法相结合的控制策略，以及它们在工业过程中的应用。

⑤课堂小节及作业布置

总结本次课重点内容，细化知识掌握的程度，布置仿真作业和文献泛读任务。

3）课后拓学

教师通过雨课堂发布仿真作业和文献泛读任务，在微信群和教研室进行线上和线下答疑。①仿真作业：以电厂过热汽温、再热汽温和过热汽压等为被控对象，设计基于Smith预估算法的控制策略，制作PPT完成系统仿真和分析。②文献泛读任务：泛读下列文献：Smith预估补偿与积分分离PID在供热控制系统中的应用、基于抗扰动Smith预估补偿的磨煤机出口风粉温度优化控制、Smith预估补偿控制在燃煤电厂烟气脱硝控制系统的应用，制作PPT介绍Smith预估算法在生产过程中的应用。学生分成6个小组，前3组完成仿真作业，后3组完成文献泛读任务，下次课按小组进行汇报。

5.4教学方法

1）推导演绎法

对于主要知识点，采用板书推导演绎方式，完成方框图等效变换及闭环传递函数求取，并在推导过程中层层设问，步步引申，加深学生的理解，进而提高学习兴趣。

2）多媒体辅助法

对于课程思政元素，借助多媒体、PPT和雨课堂进行讲解。图片、动画和视频等多个信息渠道有助于增加学生的感性认知，充分调动学生学习的积极性。

3）问答引导法

对于课堂互动话题和仿真示例，采用启发式提问、雨课堂弹幕和学生讨论等形式，大大提高学生的课堂教学参与度。

6教学改革实践效果

在我院自动化卓越专业计算机控制系统课程教学改革中，采用了基于BOPPPS模型的混合式教学模式，取得了良好的实践效果。

6.1学生成绩和实践能力显著提高

学生期末成绩逐年改善，尤其90分以上人数逐年增多，如图6所示。近四年，自动卓越2019—2021级共15人次参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛，取得了11项省级奖和4项国家级奖，其中2023年取得了国家级一等奖1项，如表4所示。

6.2思政教育效果显现

自动化卓越同学上课时积极参与课堂互动、小组汇报和弹幕讨论等环节中，教学中多角度多渠道融入课程思政元素，结合仿真示例、文献泛读和实践训练项目，让知识传授从课内延伸到了课外，让专业课变得有活力和感染力，实现了专业知识传授、能力提升和价值引领的同向而行。

6.3教师教学能力提升和课程思政建设初见成效

计算机控制系统课程获评2023年校级课程思政示范课。课程组成员1人获评2023年吉林省高校课程思政教学优秀案例，1人在校级第三届智慧课堂教师说课大赛中获得二等奖。

本文探讨了计算机控制系统课程的思政教育和混合式教学模式，虽然取得了一些实践经验和成果，但课程思政混合式教学改革尚处于起步阶段，未来还需要在以下几方面继续探索和完善该教学模式。首先，从丰富内容、扩大覆盖面以及突出行业特色等方面继续建设思政案例库。其次，探索多元的过程化考核形式，有效融入思政目标评价。最后，依托党支部理论学习、教研活动、公开课等形式，进一步夯实课程组教师的思政理论基础，继续提高思政教学效果。

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【通联编辑：王力】

基金项目：吉林省高等教育学会教育科研课题“融入课程思政的计算机控制系统混合教学模式研究与实践”（JGJX2021D121）