應(yīng)用型本科院?！白詣?dòng)控制理論”教改探索

鮑樂(lè)平

(太原工業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化系, 太原 030008)

“自動(dòng)控制理論”是機(jī)電控制類專業(yè)學(xué)生的一門重要的基礎(chǔ)課程。學(xué)好該課程對(duì)學(xué)生今后進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)和從事相關(guān)工作的研究都有著非常重要的意義。

根據(jù)社會(huì)對(duì)應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)要求和教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)的指導(dǎo)意見(jiàn)，我院自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，素質(zhì)、能力、知識(shí)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在控制理論、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化等領(lǐng)域具有寬廣理論基礎(chǔ)和相關(guān)專門知識(shí)，獲得自動(dòng)化工程師基本專業(yè)技能和工程實(shí)踐訓(xùn)練，具有較強(qiáng)解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的，具有創(chuàng)新和開(kāi)拓精神的高級(jí)工程技術(shù)應(yīng)用型人才。畢業(yè)生能在工業(yè)企業(yè)或科研院所等部門作為一線工程師從事有關(guān)過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)化儀表和設(shè)備、智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能建筑、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)等方面的工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)行管理與維護(hù)的工作?！?/p>

從上述我院自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)要求，可以看出該課程在整個(gè)自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)人才過(guò)程中所應(yīng)有的重要性，也就是說(shuō)應(yīng)用型本科院校“自動(dòng)控制理論”課程所應(yīng)達(dá)到的要求——掌握寬廣的理論基礎(chǔ)、獲得基本的專業(yè)技能和工程實(shí)踐訓(xùn)練、具有較強(qiáng)的解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

筆者認(rèn)為，自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)于應(yīng)用型本科院?！白詣?dòng)控制理論”的教學(xué)要求，不是在應(yīng)用的背景下降低了該課程的教學(xué)要求，而是在對(duì)于基本理論知識(shí)的教學(xué)要求不變的前提下，從應(yīng)用的層面來(lái)說(shuō)，提出了更高的要求。即除了要求學(xué)生掌握必備的基礎(chǔ)理論知識(shí)外，更重要的是要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)“自動(dòng)控制理論”獲得一定的專業(yè)技能和工程實(shí)踐訓(xùn)練，具備較強(qiáng)的工程實(shí)際問(wèn)題的解決能力。

如何適應(yīng)新形勢(shì)下社會(huì)對(duì)應(yīng)用型本科院校的新要求，如何適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)對(duì)應(yīng)用性人才的需求，這對(duì)于“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)改革提出了新的要求。

1 “自動(dòng)控制理論”教學(xué)存在的問(wèn)題

在教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)于“自動(dòng)控制理論”知識(shí)的理解和掌握有一定難度,是學(xué)生普遍認(rèn)為難學(xué)的課程?？偨Y(jié)原因如下：

“自動(dòng)控制理論”應(yīng)用背景廣泛、內(nèi)容多、學(xué)科的交叉性、理論性、綜合性都很強(qiáng)。涉及機(jī)械、電路等很多學(xué)科知識(shí)，還涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，比如 Laplace變換，Z變換等，要求學(xué)生具備較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。此外，當(dāng)前“自動(dòng)控制理論”課時(shí)減少，但原有的教學(xué)內(nèi)容并沒(méi)有刪減，導(dǎo)致教師對(duì)于教學(xué)內(nèi)容處理不好。除了上述原因，由于高校擴(kuò)招，導(dǎo)致我校這類二本學(xué)校生源質(zhì)量整體有所下降。學(xué)生的特點(diǎn)是基礎(chǔ)較薄弱，學(xué)習(xí)習(xí)慣不好，學(xué)習(xí)積極性、主觀能動(dòng)性不高。一些學(xué)生對(duì)于不懂的問(wèn)題，不會(huì)及時(shí)主動(dòng)去解決。這些都是導(dǎo)致該課程讓學(xué)生感到難學(xué)的原因。

2 “自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)改革

針對(duì)當(dāng)前國(guó)家對(duì)于應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)要求，結(jié)合我院學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中存在的問(wèn)題。我們?cè)谖諊?guó)內(nèi)外先進(jìn)教育理念及教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，積極探索適合應(yīng)用型本科院校特點(diǎn)的改革研究[1]。在本院自動(dòng)化專業(yè)進(jìn)行“自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)改革中，做了一些嘗試性和創(chuàng)造性的工作。遵循“應(yīng)用的理論、理論的應(yīng)用” 這一具有應(yīng)用型本科院校特色的教育理念，將其始終貫徹到課堂理論教學(xué)和延伸到課外實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)之中，在課外實(shí)踐教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法。

2.1 針對(duì)“應(yīng)用的理論”教學(xué)內(nèi)容改革

結(jié)合本課程理論性強(qiáng)，工程應(yīng)用背景廣泛，涉及知識(shí)面寬，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差等特點(diǎn)，充分考慮到應(yīng)用型本科院校對(duì)人才培養(yǎng)的要求。我們?cè)谥v授本課程內(nèi)容時(shí)，力求內(nèi)容通俗易懂，簡(jiǎn)單精煉，又不失嚴(yán)謹(jǐn)性。

對(duì)于“自動(dòng)控制理論”課程，不僅僅簡(jiǎn)單傳授其理論知識(shí)，而是注重教材內(nèi)容的思想、研究方法的表達(dá)及應(yīng)用背景介紹。針對(duì)“自動(dòng)控制理論”這門來(lái)源于實(shí)踐應(yīng)用的理論，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用例子來(lái)講解知識(shí)。例如，通過(guò)液位控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等具體自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析，通過(guò)總結(jié)歸納其共同特點(diǎn)，從系統(tǒng)學(xué)的角度引入自動(dòng)控制系統(tǒng)概念。在舉例子時(shí)，不是片面地為了讓學(xué)生理解某個(gè)知識(shí)點(diǎn)來(lái)講解例題，而是將自動(dòng)控制的概念原理方法貫穿到例子中，通過(guò)例子的講解讓學(xué)生深刻理會(huì)所學(xué)知識(shí)，明白自動(dòng)控制理論的基本道理。使學(xué)生明白本課程為什么會(huì)去研究自動(dòng)控制系統(tǒng)一般理論這樣的問(wèn)題(why)；研究自動(dòng)控制理論的什么問(wèn)題(what)；用什么樣的方法進(jìn)行研究(how)。以利于學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論知識(shí)的理解和掌握。

在對(duì)國(guó)內(nèi)外“自動(dòng)控制理論”[1-6]課程相關(guān)教材進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)中存在的一些問(wèn)題以及本課程教學(xué)學(xué)時(shí)減少的狀況，對(duì)本課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)取舍、更新和補(bǔ)充，適當(dāng)更新和充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，在第二章時(shí)域分析部分介紹典型的測(cè)試信號(hào)時(shí)，不同于文獻(xiàn)[4]的處理，而是利用信號(hào)的傅里葉展開(kāi)從研究的角度解釋了為什么首先研究典型信號(hào)及其時(shí)域分析；在二階及高階系統(tǒng)時(shí)域分析部分，增加了介紹Laplace變換在時(shí)域分析運(yùn)算時(shí)的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)第五章頻域分析Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的證明，進(jìn)行了簡(jiǎn)化，先講解數(shù)學(xué)幅角原理的證明，類比于幅角原理，再講解Nyquist穩(wěn)定判據(jù)判據(jù)的證明，學(xué)生對(duì)此就較易消化。此外，根據(jù)“自動(dòng)控制理論”教學(xué)學(xué)時(shí)減少的現(xiàn)狀，我們對(duì)于離散控制系統(tǒng)的分析章節(jié)教學(xué)學(xué)時(shí)進(jìn)行了壓縮。在離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)教學(xué)上，簡(jiǎn)化具體數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)其思想性方法性。類比前面連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，從研究方法入手，向?qū)W生介紹離散控制系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。具體的推導(dǎo)過(guò)程則由學(xué)生課后自學(xué)完成。事實(shí)證明，這樣的做法是行之有效的，較好地完成了教學(xué)任務(wù)。

2.2 針對(duì)“理論的應(yīng)用”，實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法

本校自動(dòng)化系非常重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建設(shè)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，有關(guān)“自動(dòng)控制理論”課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便有：系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)室、GE智能平臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)集成實(shí)訓(xùn)室、GE智能平臺(tái)自動(dòng)化基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室、自動(dòng)化系統(tǒng)創(chuàng)新工作室和機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已有的設(shè)備運(yùn)行情況良好，可以滿足本課程實(shí)驗(yàn)要求。在完成教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的前提下，還實(shí)施了項(xiàng)目教學(xué)法。

項(xiàng)目教學(xué)法是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，圍繞著具有實(shí)用意義的項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的方法。項(xiàng)目教學(xué)采用理論與實(shí)踐緊密相結(jié)合的方法，不僅能提高學(xué)習(xí)效果，保證教學(xué)質(zhì)量，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，是一種行之有效的人才培養(yǎng)方法[7]。

“自動(dòng)控制理論”課程實(shí)踐教學(xué)的具體做法是：在大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和機(jī)器人比賽項(xiàng)目中加強(qiáng)有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)的項(xiàng)目課題。在本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)方面，也特意讓學(xué)生選一些涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)物制作的項(xiàng)目。比如，近3年來(lái)，自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參與省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目：《智能番茄采摘機(jī)器人》、《基于超聲波的語(yǔ)音導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究》；畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：《家用無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》，《基于西門子PLC的工業(yè)幾下手運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》；參與機(jī)器人比賽項(xiàng)目：《智能快遞分類機(jī)器人》等都是和自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的項(xiàng)目。以《智能番茄采摘機(jī)器人》項(xiàng)目為例(見(jiàn)圖1)，對(duì)該項(xiàng)目，不僅僅要求學(xué)生制作出實(shí)物，還要求他們利用自動(dòng)控制原理繪制該系統(tǒng)的框圖，分析系統(tǒng)的工作原理。通過(guò)分析，同學(xué)們加深了自動(dòng)控制反饋系統(tǒng)原理及PID控制調(diào)節(jié)參數(shù)原理的認(rèn)識(shí)。

圖1 學(xué)生制作的智能番茄采摘機(jī)器人在模擬番茄采摘場(chǎng)景

通過(guò)參與這些課外實(shí)踐項(xiàng)目，把“自動(dòng)控制理論”課程“理論的應(yīng)用”延伸到課外實(shí)踐活動(dòng)之中。鞏固了學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)看待問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生動(dòng)手能力。

3 教學(xué)改革效果

(1)針對(duì)“應(yīng)用的理論”教學(xué)改革，使得“自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)效果有了明顯的改善。通過(guò)學(xué)生反饋，基本掌握了課程教學(xué)大綱要求掌握的基本理論，對(duì)本課程研究?jī)?nèi)容、研究方法有較清晰的認(rèn)識(shí)。大部分同學(xué)認(rèn)為本課程學(xué)習(xí)效果改變了過(guò)去認(rèn)為本課程是自動(dòng)化系乃至全院最難學(xué)習(xí)最難通過(guò)考試的一門課程的偏見(jiàn)。在近幾年考研中，作為自動(dòng)化專業(yè)考研課程的“自動(dòng)控制理論”，我系學(xué)生在該課程每年考取140分以上的大有人在。本院自動(dòng)化專業(yè)考研成功率由2015年、2016年、2017年的4.84%、10%、8.87%上升到2018年、2019年、2020年的12.62%、 18.18%、26%。從數(shù)據(jù)中可以看到考研成功率逐年有大幅提高。這與“自動(dòng)控制理論”成績(jī)的提高是密不可分的。還有一些學(xué)生考入了985和雙一流院校深造。雖然說(shuō)同其他院校相同專業(yè)比較，還有較大差距。但是，在我們這類沒(méi)有保研資格且自身沒(méi)有研究生招生的應(yīng)用型二類本科院校來(lái)說(shuō)，考研成績(jī)是令人滿意的。

(2)針對(duì)“理論的應(yīng)用”進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，在課外實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生通過(guò)大創(chuàng)和機(jī)器人比賽或者畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，都取得了較好的成績(jī)。近年來(lái)，本院自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽有多人多次獲獎(jiǎng)。在近3年的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中，獲國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目2項(xiàng)，省級(jí)大學(xué)生生創(chuàng)新項(xiàng)目7項(xiàng)，院級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目多項(xiàng)。一些學(xué)生在教師的指導(dǎo)下發(fā)表了有關(guān)項(xiàng)目的論文或?qū)＠Ｓ葹橥怀龅氖?，近年?lái)本專業(yè)學(xué)生參與到太原工業(yè)學(xué)院機(jī)器人隊(duì)，在全國(guó)或者區(qū)域性機(jī)器人大賽中嶄露頭角，多次取得驕人的成績(jī)。本專業(yè)畢業(yè)生中有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)動(dòng)手能力強(qiáng)的畢業(yè)生普遍受到用人單位的歡迎。在當(dāng)今大學(xué)生就業(yè)難的狀況下，這部分有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)動(dòng)手能力強(qiáng)的畢業(yè)生都能找到較為理想的工作順利就業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于“理論的應(yīng)用、應(yīng)用的理論”教育理念的“自動(dòng)控制理論”教改，一方面為本課程教學(xué)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，另一方面也為應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)提供了一些寶貴的辦學(xué)思路。應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)的目的在于向社會(huì)輸送合格的工程領(lǐng)域技術(shù)人才?；诒菊n程在理論教學(xué)和課后實(shí)踐教學(xué)教改取得的一些成效的思考，筆者認(rèn)為應(yīng)用型本科院校對(duì)于人才的培養(yǎng)，應(yīng)該堅(jiān)持二個(gè)方向辦學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生。一個(gè)方向是注重理論知識(shí)教學(xué)，讓學(xué)生在本科階段學(xué)習(xí)過(guò)程中具備扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)知識(shí)。積極鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生考研，向高一級(jí)院校輸送合格的研究生生源。從本院2019年和2020年自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生考研率的大幅提高以及考入985和雙一流院校學(xué)生人數(shù)的增加，說(shuō)明我們?cè)诶碚撜n程教學(xué)尤其是考研核心課程教學(xué)中，讓學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)，扎實(shí)學(xué)習(xí)。我們應(yīng)用型本科院校完全有能力向高一級(jí)院校輸入優(yōu)質(zhì)的研究生生源，為社會(huì)培養(yǎng)更優(yōu)秀的工程技術(shù)應(yīng)用型人才貢獻(xiàn)我們的力量。另一個(gè)方向是，直接向社會(huì)輸送技術(shù)人才。在教學(xué)過(guò)程中注重理論和實(shí)踐相結(jié)合的教育。讓學(xué)生參與到理論課堂教學(xué)以外的第二課堂項(xiàng)目教學(xué)中，積極參與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、各類大學(xué)生項(xiàng)目競(jìng)賽等，直接參與實(shí)際問(wèn)題項(xiàng)目課題研究，理論緊密聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高動(dòng)手能力。通過(guò)這樣的途徑，獲得一定的專業(yè)技能和工程實(shí)踐訓(xùn)練，有效提高學(xué)生就業(yè)率。

實(shí)踐證明，基于“理論的應(yīng)用、應(yīng)用的理論”教改，在自動(dòng)化專業(yè)“自動(dòng)控制理論”課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革，教學(xué)方法改革，把理論課程延伸到課外教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，理論和實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，效果較好。在教學(xué)過(guò)程中，只有不斷探索不斷創(chuàng)新，才能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展對(duì)應(yīng)用型人才的需求，培養(yǎng)出國(guó)家所需要的優(yōu)秀人才。