自動化專業(yè)《自動控制原理》課程教學(xué)改革研究

劉志超

（無錫太湖學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫 214064）

為推動新時(shí)代中國特色社會主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)，推進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，政府相繼實(shí)施了“一帶一路”“中國制造2025”等重大強(qiáng)國戰(zhàn)略，這對工程領(lǐng)域技術(shù)人員的素質(zhì)以及能力提出了更高的要求，對工科高校人才培養(yǎng)、 對工程教育的改革和發(fā)展提出了更高的期望。自動控制技術(shù)作為20 世紀(jì)發(fā)展最快、21 世紀(jì)最重要的高新技術(shù)之一，在工業(yè)機(jī)器人、軍事、航天航空等領(lǐng)域起著關(guān)鍵性的作用，也是智能制造領(lǐng)域的核心技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的自動化專業(yè)人才相比，新工科人才是有必要具備更強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、 更出色的創(chuàng)新能力、更突出的國際競爭力的復(fù)合型人才。為適應(yīng)復(fù)合型人才的培養(yǎng)以及現(xiàn)代化教學(xué)的需求，我國高校先后提出了OBE 教學(xué)理念。OBE 理念是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念，即產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Output Based Education，OBE）[2]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景及OBE 教育理念指導(dǎo)下，《自動控制原理》課程及其課程體系迫切需要總結(jié)多年來的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)和成果，在結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)手段等方面應(yīng)有所調(diào)整，逐步創(chuàng)立新的教學(xué)體系，使其更加突出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生具有更好的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析能力、工程應(yīng)用能力和獨(dú)立科研攻關(guān)能力。

1 自動控制原理課程發(fā)展現(xiàn)狀

《自動控制原理》 課程是自動化專業(yè)的核心課、必修課，也是控制類專業(yè)研究生入學(xué)考試的必考課，在自動化專業(yè)本科生教育中占有非常重要的地位。課程內(nèi)容主要涵蓋: 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、 線性系統(tǒng)時(shí)域分析、 線性系統(tǒng)根軌跡分析、 線性系統(tǒng)頻域分析、系統(tǒng)校正、線性離散系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析七大部分。課程主要內(nèi)容可歸結(jié)為控制系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計(jì)三大部分課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算量大的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)該門課程，要求學(xué)生不僅有很好的建模能力，還要掌握電力、物理、數(shù)學(xué)知識，對學(xué)生要求很高。目前，自動控制原理課程教學(xué)存在的問題有以下幾方面。

（1）現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容主要依賴于教材，且教材選擇比較單一，任課教師會指定一本教材作為課堂教學(xué)依據(jù)。雖然《自動控制原理》課程教材的出版物較多，但教材內(nèi)容基本相似，同質(zhì)化嚴(yán)重。教師不要求，學(xué)生也很少會主動去學(xué)習(xí)參考其他相關(guān)教材，因而知識面得不到擴(kuò)展，相關(guān)知識點(diǎn)得不到冠聯(lián)。從教材內(nèi)容的安排來看，章節(jié)之間的安排比較重視理論部分的邏輯連貫性和知識深度，一旦學(xué)生前期基礎(chǔ)沒有打好，學(xué)習(xí)該門課程時(shí)會感覺非常困難。而學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，理解能力，動手能力，對課程投入的學(xué)習(xí)時(shí)間、精力存在很大差異，使得教學(xué)內(nèi)容不能被很好地消化吸收。

（2）自動控制原理這門課程理論與實(shí)踐研究聯(lián)系緊密，現(xiàn)有的教學(xué)模式多數(shù)是以課堂教授理論為主，再輔以課后實(shí)驗(yàn)。這使得理論與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)。且傳統(tǒng)的理論課程教學(xué)多基于多媒體，授課方式極為枯燥，多數(shù)情況都是教師一直在進(jìn)行理論推導(dǎo)及概念梳理的單方面輸出，學(xué)生被動接受，很少去思考，這種填鴨式的教學(xué)方式使得教師和學(xué)生之間難以有深層次的互動交流，無法充分吸引學(xué)生的注意力并調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[3]。此外，學(xué)生基于畏懼或者不喜歡等原因不愿向教師請教問題，即使有不懂的地方也不積極主動請教，這就導(dǎo)致了很多學(xué)生存在知識盲點(diǎn)，無法將知識完全消化吸收[4]。

（3）教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足，實(shí)驗(yàn)室開放力度不夠，造成學(xué)生綜合分析能力、 工程實(shí)踐能力都沒有得到鍛煉與提高。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中沒有重視Matlab 等系統(tǒng)仿真軟件的教學(xué)與應(yīng)用，使得學(xué)生對仿真軟件存在畏難情緒，進(jìn)而影響其解決實(shí)際問題能力。此外，學(xué)生實(shí)踐機(jī)會太少，無法將理論與現(xiàn)實(shí)聯(lián)系起來。

綜上所述，現(xiàn)有《自動控制原理》課程的教學(xué)內(nèi)容和方法不能很好地引導(dǎo)學(xué)生探究該門課程在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的興趣，難以達(dá)到人才培養(yǎng)的預(yù)期目標(biāo)，因此有必要對課程的教育實(shí)踐進(jìn)行教學(xué)改革。該文將從教學(xué)內(nèi)容、 課程實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)平臺3 個(gè)方面進(jìn)行改革措施分析闡述。

2 教學(xué)內(nèi)容、方式改革

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，必須拋開之前教學(xué)內(nèi)容一把抓的教學(xué)模式，采用選擇性教學(xué)，建立一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的課程體系。在具體的教學(xué)內(nèi)容中不能出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，需要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)合理安排課程內(nèi)容，有側(cè)重地將比較核心的課程內(nèi)容進(jìn)行安排。在具體教學(xué)方法中要避免重復(fù)講解，節(jié)省學(xué)時(shí)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)質(zhì)量。教師可以借鑒西方高校的教學(xué)模式，以自己講義為主要教材，然后推薦指定一些相關(guān)書籍、課程為輔導(dǎo)，讓學(xué)生自主去學(xué)習(xí)，并鼓勵(lì)學(xué)生自主思考問題，提出問題，鼓勵(lì)學(xué)生互相討論學(xué)習(xí)。此外，為了解決學(xué)生不愿向教師請教問題，教師可以選擇本專業(yè)優(yōu)秀研究生為助教，研究生與本科生同為在校學(xué)生，且年齡相仿，因而更容易交流溝通，學(xué)生也更愿意去請教問題。大部分學(xué)生認(rèn)為教師也要根據(jù)學(xué)生對課程的理解，建立不同的授課目標(biāo)，從不同的側(cè)重點(diǎn)和不同的角度出發(fā)，有選擇地安排教學(xué)內(nèi)容，對于不同課程間存在知識重疊的部分進(jìn)行優(yōu)化，讓學(xué)生有更多的學(xué)時(shí)用于對所學(xué)知識的吸收消化。此外，教學(xué)應(yīng)該專業(yè)特色化，根據(jù)自動控制原理專業(yè)特色開展針對性的，有專業(yè)特色的教學(xué)。以往的教學(xué)模式都是教授一門課程僅僅只對該門課程進(jìn)行講解，不強(qiáng)調(diào)專業(yè)背景，這就導(dǎo)致課程之間、相關(guān)知識點(diǎn)之間脫節(jié)，學(xué)生無法形成系統(tǒng)的知識體系。自動控制原理課程是電氣工程以及自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課，其理論知識貫穿于兩個(gè)專業(yè)之間，包含的如電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、 電力系統(tǒng)暫態(tài)分析等所涉及的電力系統(tǒng)頻率控制等相關(guān)方面的知識都很重要[5]。因此自動控制原理課程教學(xué)時(shí)，需要根據(jù)該課程特色，以專業(yè)為導(dǎo)向，建立以自動控制原理課程為主導(dǎo)，同時(shí)穿插其他課程相關(guān)知識點(diǎn)的有特色的教學(xué)方法。這樣不僅能幫助學(xué)生鞏固其他課程知識點(diǎn)，加深理解運(yùn)用，而且有助于學(xué)生學(xué)好自動控制原理課程，有助于學(xué)生形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決專業(yè)問題的技能[6]。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式即使引入多媒體，也只是將課程知識點(diǎn)以PPT 形式展現(xiàn)給學(xué)生，無法生動形象地展示模型或者演示建模、計(jì)算等過程[7]。為了讓學(xué)生更好地理解抽象的課程內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)積極性，可以將新媒體如Flash 等引入課堂，將各種控制系統(tǒng)以動畫的形式清晰地展示給學(xué)生。此外，還可以引入Matlab 軟件，在講授時(shí)域響應(yīng)、根軌跡法和頻率域方法等抽象概念時(shí)，就可以通過仿真響應(yīng)的動態(tài)變化情況，在課堂上實(shí)時(shí)地分析系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)直觀性，有效加深學(xué)生對知識的理解[8]。還可以在教學(xué)過程中引入典型工程應(yīng)用案例，幫助學(xué)生加深理論知識與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系。

3 課程實(shí)驗(yàn)改革

長期以來，“自動控制原理” 課程都是在一些理論的研究方面比較側(cè)重，雖然也安排了一些實(shí)驗(yàn)課，但是多數(shù)的學(xué)校都是以理論課研究為主。整個(gè)自動控制系統(tǒng)特別復(fù)雜，并且受辦學(xué)條件限制，大部分學(xué)校的自動控制設(shè)備都存在著或多或少不完善性的地方。大部分需要由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的課程，都是以簡單的形式來實(shí)現(xiàn)，真正留給學(xué)生操作的時(shí)間并不多。教師的每一堂課的側(cè)重點(diǎn)都是基礎(chǔ)理論，而學(xué)生更感興趣的則是實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，造成了學(xué)生對于自動控制理論的實(shí)踐環(huán)節(jié)認(rèn)識不足，動手能力不夠強(qiáng)，缺乏基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰椭R。因此課程實(shí)驗(yàn)的改革對于自動控制原理課程改革成效起著至關(guān)重要的作用。

3.1 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)大多是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)施有限。為了增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和課程理解能力，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)以及研究型實(shí)驗(yàn)。目的是驗(yàn)證和鞏固學(xué)生所學(xué)習(xí)到的知識，提高學(xué)生的基本能力。在綜合性實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將龐大的系統(tǒng)分解為很多個(gè)小的分支分別研究，有助于培養(yǎng)學(xué)生處理工程問題的能力。研究性實(shí)驗(yàn)較基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)可以具有更高的難度，增加一些具有創(chuàng)新性的環(huán)節(jié)，帶動學(xué)生完成一些涉及自動控制具體內(nèi)容的科研項(xiàng)目，目的是培養(yǎng)學(xué)生處理工程問題時(shí)的應(yīng)變能力和創(chuàng)新意識，使學(xué)生不拘泥于書本中的方法。每種實(shí)驗(yàn)都需要富有針對性，根據(jù)不同層次學(xué)生的需求和具體情況設(shè)計(jì)可以更好地提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)活動。

3.2 課程實(shí)驗(yàn)方式改革

一般來說，每所學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)施是有限的，很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)施都很陳舊，甚至不能使用，實(shí)驗(yàn)室的開放力度也不夠[7]，而且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施對于一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)也有很大的局限性。因此，各大高校加大實(shí)驗(yàn)室開放力度，增大科研設(shè)施投入，引進(jìn)一些新型的、先進(jìn)的自動化實(shí)驗(yàn)設(shè)施很有必要。如果學(xué)校自身實(shí)際情況不允許，高校之間可以資源共享。高校之間共享實(shí)驗(yàn)資源，不僅能讓更多的學(xué)生有機(jī)會接觸到先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，而且能促進(jìn)高校學(xué)生之間互相學(xué)習(xí)交流，提高學(xué)習(xí)科研效率[9]。此外，各大高校可以引進(jìn)多媒體模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓計(jì)算機(jī)軟件代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)施，大大降低了成本。

3.3 課程實(shí)驗(yàn)考核方式改革

傳統(tǒng)的教學(xué)中學(xué)生課程成績理論知識占比很大，課程實(shí)驗(yàn)成績占比很小，這就導(dǎo)致很多學(xué)生為了成績而學(xué)習(xí)，而只注重理論知識學(xué)習(xí)，這就使得越來越多的高校畢業(yè)生缺乏實(shí)際動手能力。高校學(xué)習(xí)是為了為社會培養(yǎng)人才，培養(yǎng)能運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的人才，而不是一些只會紙上談兵的人，因此學(xué)生時(shí)代就該培養(yǎng)好實(shí)際動手能力。因此，自動控制原理課程應(yīng)增加課程實(shí)驗(yàn)、 課程實(shí)踐所占成績的比重；可以讓學(xué)生通過查閱資料，做調(diào)研、做實(shí)驗(yàn)，自己完成一些小課題、小論文，不僅能鍛煉學(xué)生的思維能力，還增強(qiáng)了實(shí)踐能力。一門課程的成績由理論考試成績+實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐成績+課堂作業(yè)成績+課題、論文成績組成，讓學(xué)生不再只埋頭于課本，而將一部分精力投入到課程實(shí)驗(yàn)、社會實(shí)踐中去。

4 實(shí)訓(xùn)平臺的改革

傳統(tǒng)的自動控制原理課程教學(xué)一般缺乏實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可能只有到做畢業(yè)設(shè)計(jì)、 畢業(yè)前實(shí)習(xí)的時(shí)候才能真正進(jìn)入到工廠車間，而這樣的實(shí)習(xí)往往是以參觀為主，根本沒有機(jī)會碰到實(shí)際問題、 解決實(shí)際問題。這樣的教學(xué)模式就導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際工作中遇到問題時(shí)不知該如何運(yùn)用知識解決，甚至感覺無從下手。新型的自動控制原理課程教學(xué)模式可以增加課程實(shí)訓(xùn)，可以以校企學(xué)研合作的形式進(jìn)行。高?？梢愿?dāng)?shù)匾恍┢髽I(yè)進(jìn)行合作，企業(yè)允許自動化專業(yè)學(xué)生到企業(yè)實(shí)訓(xùn)，參與企業(yè)解決實(shí)際自動化相關(guān)問題。校企雙方可以成立相關(guān)課題研究小組，在幫助企業(yè)解決實(shí)際問題的同時(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，創(chuàng)新能力。此外，也為學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)提供了平臺。

除此之外，高?？梢远〞r(shí)聘請企業(yè)資深的專家給學(xué)生做講座，講授自動控制實(shí)際中經(jīng)常遇到的問題及解決辦法，讓學(xué)生學(xué)到更多的解決問題的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語

教學(xué)改革是教學(xué)工作永恒的主題，教學(xué)方式?jīng)]有好壞之分，只有適合與否之別。教育工作者只有順應(yīng)時(shí)代潮流，緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，在教學(xué)過程中因地制宜，不斷調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，才能真正提高教學(xué)質(zhì)量。自動控制原理是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，為了促進(jìn)自動控制原理課程教學(xué)改革的進(jìn)展，必須從多個(gè)方面進(jìn)行分析，同時(shí)還要結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)靈活地改變教育方式，在實(shí)踐中不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高自動控制原理課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出更多高素質(zhì)人才。