金课建设背景下“自动控制原理”课程教学改革与实践研究

田雪虹，刘海涛

（广东海洋大学 机械工程学院，广东 湛江 524088）

2018 年6 月教育部陈宝生部长第一次提出了“金课”概念。11 月24 日教育部高等教育司司长吴岩作了“建设中国金课”的报告。通过金课的建设，结合工程教育专业认证体系“以学生为中心，以成果为导向，持续改进”的理念要求，充分发挥专业核心课程在人才培养中的重要作用，提高学生的专业素质和人才质量。

控制论既是广义的系统动力学，又是唯物辩证法的方法论的一门学科，它对启迪和发展人的思维有很大的作用[1]。自动控制原理是机械电子工程专业的一门专业核心课程，该课程主要讲述经典控制论的相关内容，如何从动力学角度认识和理解事物发展变化的本质属性及其动态过程。该课程以传递函数为数学工具，研究单输入单输出的自动控制系统。课程的主要内容包括：系统数学模型的建立、系统的时间响应分析、系统的频率特性分析、系统稳定性的判定、系统的性能指标及校正以及线性离散系统初步。研究的问题主要包括系统动态模型的建立，求出传递函数，根据二阶欠阻尼系统的单位阶跃响应，推导出系统快速性能指标（上升时间tr、峰值时间tp和调整时间ts）和平稳性能指标（最大超调量Mp和振荡次数N）；
根据对控制系统的基本要求要求（稳、快、准）和系统的性能指标，判断系统是否稳定并满足系统给定的性能指标要求，如果系统不满足要求，通过改变系统的参数或者是加入某种装置，对系统进行校正，使满足系统预定的性能指标要求[2-3]。自动控制原理课程的特点是涉及的专业知识面广，理论性和应用性强，内容抽象。例如建立系统动态数学模型和求系统传递函数要用到高等数学、电工学、大学物理、理论力学、材料力学以及拉普拉斯变换等基础知识。

2.1 教学模式单一

自动控制原理课程的理论性强。传统的教学模式是大多数老师利用多媒体播放课件的形式教学，老师是教学活动的主体，学生被动的填鸭式接受知识，学生跟着老师的思路，整个教学过程中，学生缺乏独立思考问题、缺乏学习的主动性，缺乏课堂互动，课堂死气沉沉，枯燥无味，很难激发学生的学习兴趣，学生不能将所学的理论知识应用到实际的工程应用中，不能培养学生的创新能力[4-5]。

2.2 重理论轻实验

课程实验是课程的重要组成部分，做好实验，掌握实验技能，可以培养科学思维能力和动手能力，也是学好本课程的主要手段之一。但是目前很多高校还是以理论教学为主，实验课时很少或基本没有，如果有也仅仅是利用Matlab 做简单的仿真实验，不能充分发挥学生的思维能力和动手能力，不能用实验解决复杂的实际工程问题。

2.3 教学内容有待优化

“金课”要求适当增加课程的难度和扩大课程知识的深度，自动控制原理教学内容与金课要求以及“以学生为中心，培养学生解决复杂实际工程问题能力”的理念相差甚远。自动控制原理主要涉及经典控制论的内容，通过本课程的学习使学生掌握“系统”的概念，并学会从动力学角度分析和设计问题。但随着人工智能技术的发展和社会的进步，被控对象越来越复杂，需要学生掌握和应用更多的理论知识，对复杂的控制对象进行分析和设计，基于上述原因，课程内容亟需优化。

2.4 课程思政教育挖掘不深入

如何充分发挥专业课程中课程思政元素的作用，引导学生具有正确的世界观、人生观、价值观极为重要。但是课程思政必须结合课程内容教学，以“润物细无声”的方式将课程内容的思政资源内涵延伸至专业知识，做到科学性与价值性、知识性与思想性的辩证统一。同时应以案例式、实证式的形式将专业知识中的思政资源具体化，而不是抽象的说教式输出。因此，自动控制原理课程中的思政元素挖掘不够具体。

2.5 考核方式单一

目前，很多高校课程采用传统考核方法：总成绩＝平时成绩（包括考勤、作业、实验）占30%+期末考试占70%。这样终结考试（期末考试）基本上就决定了学生的最终成绩，导致部分学生迟到、早退、旷课，应付作业抄袭作业现象严重，他们认为，考前集中复习，临阵“磨刀”也能有个不错的成绩，不利于学生对所学知识掌握，也不利于学生的身心发展。

3.1 教学模式的改革

“自动控制原理”是一门理论性很强的核心专业课程，理论知识学生不容易理解和掌握，本课程使用多种教学方法，加深学生对知识的理解和掌握，如讲授法、案例法、课堂讨论法以及项目驱动法。在讲解控制系统分类时——根据系统有无反馈分为开环控制系统和闭环控制系统，先讲授反馈、开环和闭环的概念，接着以教室里的风扇和空调为案例进行分析，分别属于哪种控制系统，然后让学生寻找生活中开环和闭环控制系统的案例，加深学生对反馈、开环和闭环等基本概念的理解。在讲解特征根和自由响应的关系时，运用前置课程所学的内容，分组讨论特征根分布情况对自由响应的影响，并得出结论，课堂讨论法增加了学生学习的主动性和积极性，培养了学生的思考能力。在讲解校正相关内容时，以自动生产线的改造项目为依托，对原系统的控制器进行优化升级，培养学生分析问题和解决实际问题的能力。

3.2 重视实验教学

实验是人们认识客观世界最重要的手段之一。认真做好实验，掌握实验技能，可以培养科学思维能力和动手能力。自动控制原理课程理论性较强又与实际工程问题紧密结合，这就要求学生在学习过程中重视实验环节。实验操作不仅能加深对理论知识的理解还能提高学生的动手能力。例如操作控制系统及校正实验时，先建立仿真模型系统，先将控制器设为比例控制器，K 取不同的值，观察输出波形；
再将控制器设为比例积分控制器，把积分环节的时间取定值，改变比例环节K 的参数，观察对应的输出波形的变化，可以直观看出参数的变化对系统稳态性能和动态性能的影响。把学科竞赛引入课程教学[6]，鼓励学生积极参加控制类相关的竞赛，如智能小车避障赛、机器人与人工智能赛和智能机器人创意大赛等，让学生把所学知识灵活运用到实践中，真正做到学以致用。学生参加学科竞赛获国家级二等奖1 项，三等奖3 项。

3.3 优化教学内容

“自动控制原理”课程安排50 学时，学时少，内容多，仅仅利用有限课堂学时学生很难把相关知识学懂、学透，这就需要对课程内容进行优化。将课程内容分为低阶（记忆和简单理解）和高阶（分析和应用），对低阶的知识点线上学生自学完成，对于高阶的知识点，如典型案例分析，老师线下讲解。课后活动即收集反馈信息，学生对于线上不能理解的知识点，通过平台反馈给老师，根据反馈情况，老师线上或线下讲解，形成闭环，有利于教学的持续改进，提高教学质量。课程内容分解如图1 所示。

图1 课程内容分解

3.4 课程思政融入课堂

课程思政由于专业不同、课程不同，专业课引入的方式和方法也不相同。自动控制原理融入课程帮助学生形成正确的世界观、人生观、价值观，培养学生的爱国主义、勇于攀登的科学精神，增强民族自信心和自豪感。如讲解自动控制原理绪论时，讲述中国近年来自动化技术在航空、航天、交通和智能制造领域的发展和应用，使学生对控制学科有更深入的认识和了解，培养学生的专业自信心；
讲解控制论的发展史内容时引入中国的科学家燕肃、张衡、苏颂、钱学森使学生了解科学家的事迹、贡献以及中国是一个发明创造的国度，增强学生民族自豪感，培养学生科技创新、科技报国思想；
讲解系统三频段论时，不同的频段映射出人生不同阶段的奋斗目标等等。将课程思政润物细无声的融入课堂，学生不仅学到了专业知识，又培养了学生的爱国主义精神，达到了专业知识与思想政治理论同向同行的效果。

3.5 多元化考核方式

传统的考核方式，期末考试所占比例重，忽视了过程性考核，不能全面考查学生对知识的点掌握程度，不能全面、客观的评价学生的成绩。参考工程教育专业认证的考核方式，调整了考核评价机制，提高平时成绩的比重，重视过程考核，增加课堂讨论、章节测试、课堂测试以及大作业等评价学生的综合运用能力，调动学生学习的主动性和积极性，有利于培养学生分析实际复杂工程问题和解决复杂实际工程问题的能力[7]。

金课背景下为培养新工科时代具有分析问题和解决实际复杂工程问题能力的人才，结合工程教育理念对自动控制原理课程的教学方法、实验教学、课程内容、课程考核方式等方面进行了分析和研究，提出了使用多种教学方法、重视实验教学、优化课程内容以及多样化的考核方式等改革措施，重视过程考核，调动了学生学习的主动性和积极性，提高了学生的职业素养和创新实践等综合能力[8]，提高了教学质量，为培养新工科背景下的应用型人才提供了有力的保障。