面向新工科的自動控制原理課程“金課”建設與實踐

劉艷君，陶洪峰，劉成林，徐穎琴

(江南大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 無錫 214122)

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議等計劃的展開，教育部先后發(fā)布了“新工科”建設復旦共識和“新工科”天大行動計劃，要求各大高校深化工程教育改革，推進“新工科”的建設與發(fā)展，培養(yǎng)科學基礎雄厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的工程科技人才，服務于以新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)和新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展[1]。在新工科背景下，自動化專業(yè)作為老牌的信息科學相關工科專業(yè)，需要轉(zhuǎn)型和升級，如何改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式和改革課程的教學模式，提升工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，是目前亟需解決的問題[2-3]。

提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，首要任務是提高課程教學質(zhì)量。自首次提出“金課”的概念以來，建設“金課”已經(jīng)成為高校教育教學改革的重要主題[4]。2019 年10 月，教育部發(fā)布了《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》(教高〔2019〕8 號)，進一步推動了全國高?！敖鹫n”建設的探索與實踐。自動控制原理是自動化及其相關專業(yè)的專業(yè)基礎核心課程，在專業(yè)教學中占有重要地位。在過去的幾年中，江南大學自動控制原理課題組面向卓越課程計劃，進行了深入的教學改革和探究，實施了小班化教學、分組討論、翻轉(zhuǎn)課堂、課堂教學與課外仿真實訓相結(jié)合等教學策略，取得了較好的教學效果[5-7]。隨著工程教育認證的推廣，在新工科背景下，課題組在提高課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度方面做了許多工作。本文對照“新工科”人才培養(yǎng)需求、工程教育認證的要求，以及一流課程“兩性一度”的標準，對自動控制原理課程的教學內(nèi)容、教學模式和方法、考核方式和教學評價等進行改革優(yōu)化。

一、課程教學中需要改進的問題

對照“新工科”人才培養(yǎng)目標，以及“金課”建設“兩性一度”的標準，自動控制原理課程的教學有以下幾方面需要改進。

(一)課程內(nèi)容需要完善和提升

目前課程講授的控制系統(tǒng)受控對象大多是簡單的物理和化學過程，通過簡單的機理分析即可得到系統(tǒng)模型，系統(tǒng)的分析和綜合大都建立在抽象的數(shù)學模型之上，對工程背景的介紹不多，導致學生對工程問題缺乏基本的認知，解決復雜工程問題的能力不夠，且現(xiàn)有教學內(nèi)容對學科的前沿、行業(yè)的最新動態(tài)反映不夠，與當今智能時代的工程實際存在一定脫節(jié)。

(二)創(chuàng)新思維和能力訓練需要加強

自動控制原理不僅是專業(yè)核心課程，也是相關專業(yè)的考研專業(yè)科目。為滿足學生的學習需求，我們的教材除了課后習題外還有大量的例題精講，課題組授課時也會有例題精講，在歷年的期末考試命題中也會保證一定的難度。因此，大部分同學，尤其想考研的同學會陷入應試學習，把大量的時間放在作業(yè)和刷題上，偏向解題思路的歸納和強化記憶，一定程度導致知識面過窄，以及創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力訓練的缺乏。

(三)課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度需要提升

現(xiàn)有教學模式設置了討論環(huán)節(jié)和翻轉(zhuǎn)課堂模式，學生的積極性較高，但大部分的討論題通過理論分析和實驗分析都能得到準確的答案，為提升學生的創(chuàng)新思維，討論題的復雜性可以適當提高。另外目前課程的課內(nèi)實驗仍以驗證性實驗為主，設計型和綜合性實驗偏少，雖有Matlab 仿真實訓做為補充，但實訓課題的挑戰(zhàn)度仍需提升，給學生以創(chuàng)新發(fā)揮的空間。

(四)課程的考核方式有待完善

江南大學自動化專業(yè)在2017 年已通過工程教育專業(yè)認證，OBE 理念已被廣泛接受與實踐。課程的考核從原來的以期末考試成績?yōu)橹髦鸩睫D(zhuǎn)化成期末考核與平時多元化的過程性考核并重。但是從考核內(nèi)容和手段來看，仍側(cè)重于對系統(tǒng)性能分析能力的考核，對控制系統(tǒng)的綜合和設計方面的考核偏弱，對工程背景、其他學科知識的融合及創(chuàng)新能力等的考核少有涉及。

二、“金課”建設探索與實踐

針對物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和智能制造等新技術的高速發(fā)展，江南大學自動化專業(yè)新修訂了具有“新工科”特色的人才培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)具有知識融合、集成創(chuàng)新和國際視野的高素質(zhì)復合創(chuàng)新型新工科人才為目標，并從學生應擁有的道德價值觀、社會責任感、專業(yè)知識和技能、綜合素質(zhì)和職業(yè)發(fā)展能力出發(fā)，制定了詳細的畢業(yè)要求。課程教學是本科教育最重要的環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)的落腳點?；凇靶鹿た啤比瞬排囵B(yǎng)需求，針對目前課程教學中存在的問題，課題組以學生為中心，為了學生在獲取知識的同時能夠得到能力提升和素質(zhì)養(yǎng)成，進行了一系列探索實踐。

(一)設置科學、具體和可衡量的課程目標

課程目標是整個教學大綱的核心，是課程教學的產(chǎn)出，支撐著畢業(yè)要求的達成。所有的教學內(nèi)容、學習活動和考核方式都要圍繞課程目標進行設計。為了方便畢業(yè)要求達成度的計算，課程目標的設置要求科學、具體和可衡量?！翱茖W”是指課程目標要有一定的高階性，不僅要體現(xiàn)學生知識獲取的目標，還要體現(xiàn)能力提升和素質(zhì)培養(yǎng)的目標;“具體”是指課程目標要有相應的教學內(nèi)容和教學活動為支撐;“可衡量”是指要有具體的考核方式和評分標準。

圍繞課程目標，課題組將教學內(nèi)容進行梳理和延伸，制訂了7 個課程目標，每個課程目標均支撐相應的畢業(yè)要求。以課程目標1 為例，其具體描述為：能夠凝練工程案例中的控制問題，闡述控制系統(tǒng)工作原理、區(qū)分其控制方式和類型;能夠基于系統(tǒng)的機理，利用物理、化學、電路和梅森公式等自然科學和工程基礎知識建立系統(tǒng)的模型;明確機理建模的局限性，通過分析討論，獲悉工程實際中控制系統(tǒng)的數(shù)學模型形式。該課程目標對應的教學內(nèi)容為教材的第1 章、第2 章和實驗一，包含了控制系統(tǒng)的概念、分類、性能要求和控制系統(tǒng)建模等知識目標，通過圖書館數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)等多渠道達成信息綜合獲得有效結(jié)論的能力目標，以及拓寬知識面、培養(yǎng)工程觀念等素質(zhì)目標。圍繞該課程目標，設置的教學活動有課堂講解、MOOC 學習、課內(nèi)實驗、Matlab 仿真、專題討論和翻轉(zhuǎn)課堂等教學活動。

(二)整合面向新工科的課程教學內(nèi)容

按照工程認證“產(chǎn)出導向”的理念，教學內(nèi)容要面向“課程目標”這一產(chǎn)出設置?，F(xiàn)有的教材和課堂教學內(nèi)容側(cè)重于理論分析，通常是將工程問題抽象、簡化為數(shù)學問題，然后用數(shù)學的方法求解，弱化了工程實際中的控制應用問題。本課題組編寫的教材中，盡管納入了磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)、烘烤爐溫控制系統(tǒng)等工程案例，但對照新工科背景下新的課程目標，這些工程案例仍是落后的。學生也習慣了用學數(shù)學的方法去學習專業(yè)課程，熱衷于刷題、分析解題思路和方法、追求考高分，對于理論分析背后的工程背景并不關心，從而導致工程觀念薄弱，解決復雜工程問題的能力不足。

打造一門“金課”，在教學內(nèi)容上要做到擠“水”添“金”，提升課程內(nèi)容的高階性。本課程的擠“水”是指在課堂上去除一些與先修課程重復的內(nèi)容，弱化一些數(shù)學理論的推導。添“金”是指圍繞新的課程目標，在傳統(tǒng)的經(jīng)典教學內(nèi)容上巧妙地引入更高階的工程案例和學科前沿，以拓寬學生的知識面，激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維。仍以課程目標1 為例，課堂教學內(nèi)容中微分方程模型的建立和求解可以弱化，機理建模所需的牛頓定律、基爾霍夫定律和復阻抗等效電路等與先修課程重復的內(nèi)容，可以讓學生課前通過例題和習題的形式自行學習;在講授第1 章引論時，引入一些新的工程案例，如生物發(fā)酵過程控制和機器人控制等案例。通過凝練發(fā)酵過程中的控制問題，分析其控制方式，使學生增加對行業(yè)背景的了解;通過分析機器人的控制問題，了解學科的前沿及工業(yè)智能化的發(fā)展。在講授第2 章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型時，通過分析機理建模的局限性，增加大數(shù)據(jù)時代背景下的系統(tǒng)辨識建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和無模型控制等學科前沿，拓寬學生的知識面。

(三)采用靈活多樣的教學方法和教學手段

在“新工科”建設理念下，課程目標進行了升級，課程內(nèi)容作了新的整合。在有限的教學時間內(nèi)，必須要采用靈活多樣的教學方法和手段，才能保質(zhì)保量完成所有的教學內(nèi)容，使學生在夯實基礎知識的同時，了解行業(yè)動態(tài)、接觸學科前沿和訓練思維能力。

在教學模式上，我們開展了線上、線下混合式教學研究。在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下，教學資源豐富多樣，除了多媒體課件外，在中國大學MOOC、嗶哩嗶哩等網(wǎng)絡學習平臺上還有許多優(yōu)質(zhì)的教學資源，方便學生自主學習?；旌鲜浇虒W需要合理利用這些網(wǎng)絡資源，設計教學內(nèi)容和教學活動，確保教學質(zhì)量和教學進度。為了豐富課程的教學資源，課題組通過中國大學MOOC 平臺建設了自動控制原理在線課程。最近，我們對課程知識點的討論題、作業(yè)、測驗和課外導讀材料等進行了完善，提升了課程內(nèi)容的高階性。仍以課程目標1 為例說明教學設計，對應的教學內(nèi)容中與先修課程聯(lián)系較密，相對獨立、完整的知識點，如控制系統(tǒng)的微分方程模型的建立、結(jié)構(gòu)圖的繪制與等效變換、信號流圖與梅森公式等，要求學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成線上自學和在線習題。課堂上進行專題討論，歸納總結(jié)學習要點。授課教師通過MOOC 平臺習題解答情況，及時了解學情，并在課堂上進行補救教學和重難點的講解。另外，還可推送嗶哩嗶哩、抖音等平臺上一些優(yōu)秀的視頻，如美國波士頓動力的機器人等作為專題討論素材。通過分析、凝練機器人控制中的控制問題，使學生了解機器人控制中的動力學建模、控制原理、數(shù)據(jù)融合算法和導航避障等控制領域?qū)I(yè)知識，以及圖像識別、電池技術和機械設計等跨專業(yè)知識，同時通過網(wǎng)絡、圖書館數(shù)據(jù)庫等多個渠道了解機器人技術和產(chǎn)品的國內(nèi)外差距，激發(fā)學生的學習興趣和社會責任感。

在教學方法上，借助于“雨課堂”等智慧教學手段，開展專題討論、頭腦風暴和翻轉(zhuǎn)課堂等教學活動，充分調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)學生的學習興趣。“雨課堂”可以有效組織課前、課堂和課后多個環(huán)節(jié)的學習活動。針對課程目標1 的教學，前面提到的微分方程模型的建立、結(jié)構(gòu)圖的繪制與等效變換等需要自主學習和預習的內(nèi)容及學習要求在課前以PPT 的形式通過“雨課堂”推送給班級，并在課堂上設置測試題實時檢測學習效果，也可以開啟彈幕功能，和學生無障礙溝通互動。關于前面提及的兩個工程案例，生物發(fā)酵過程案例可在課堂上發(fā)起討論，首先由授課教師在課堂上講述具體的生物發(fā)酵過程，然后學生以小組討論和頭腦風暴的形式分析、歸納發(fā)酵過程中的控制問題和控制方式，最后各個小組一起展示討論結(jié)果，看哪個小組的總結(jié)最全面、最到位;機器人控制案例的分析通過課后專題討論和翻轉(zhuǎn)課堂的形式進行，授課教師利用“雨課堂”將視頻資源推送給班級，列出討論綱要，課后學生進行分組討論、小組協(xié)作制作課件，在課堂上展示結(jié)果，學生之間互相討論和點評，最后由教師進行總結(jié)點評。教師在點評過程中，可在解析學習重點和學科前沿的同時，結(jié)合學科的發(fā)展歷程和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，加入課程思政元素，增加學生的學習動力，鼓勵學生參與創(chuàng)新項目訓練。

(四)構(gòu)建虛實互補、多層次的實驗環(huán)境

新工科人才的培養(yǎng)重點是提升學生的創(chuàng)新能力，大力培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新人才和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才。落實到自動控制原理課程上，在厚基礎的同時，需要通過實踐教學強化工程能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新思維的提升和綜合素質(zhì)的提高。原有的實驗教學以實驗箱模擬的驗證型實驗為主，Matlab 仿真實訓為輔，內(nèi)容較單一，無法滿足新工科人才培養(yǎng)的要求。為此，我們對實驗教學進行了改革，構(gòu)建了一個虛實互補、多層次的實驗環(huán)境。首先，合并了原有驗證性的實驗和仿真實驗。其次，加入了綜合性和創(chuàng)新性實驗，提升了實驗課題的挑戰(zhàn)度，且實驗課時由原來的8 學時增加到12 學時。綜合性實驗要求有工程背景，如直流電機的轉(zhuǎn)速控制、雙容水箱的液位控制和倒立擺的平衡控制等，要求學生通過小組討論，完成系統(tǒng)的建模和性能分析，并根據(jù)工程需求，基于Simulink 分析和設計控制方案，驗證控制效果，并以報告的形式提交。創(chuàng)新性實驗在課后分組進行，要求學生通過小組協(xié)作的形式，借助單片機技術，以實物形式搭建一個單閉環(huán)的PID 控制系統(tǒng)，如熱電偶的溫度控制。在改進的實驗環(huán)境下，學生通過多層次的實踐訓練，工程實踐能力和創(chuàng)新思維能力得到了提升。

(五)完善多元化、全方位的課程評價

“以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，持續(xù)改進”是工程教育認證的核心理念。為了檢驗課程教學目標是否達成和衡量學生的學習成果，課題組基于OBE 理念，制定一套完善的考核和教學評價方法。本課程的考核評價分為課程的總體評價和課程目標的評價，課程的總體評價用于評定學生的總體學習成績，課程目標的評價從學生的學習成果分析每個課程目標的達成情況，用于課程的持續(xù)改進。

根據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求，課程總體評價應從知識、能力和素質(zhì)全方位評價。自動控制原理的總評成績共有五部分組成，其中期末測試成績占55%，實驗成績占10%，平時成績占10%，MOOC 平臺測驗成績占15%，專題討論成績占10%。課程的考核注重學習過程，各種過程性評價占比達44%，平時成績包括平時作業(yè)成績和隨堂習題成績，用于鞏固所學知識點，及時評價階段性的學習效果，MOOC 平臺測驗成績考查學生的自主學習能力，保障線上學習效果，實驗成績考查控制系統(tǒng)的綜合和設計能力及工程實踐能力，專題討論考查知識融合創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作、成果展示及交流溝通的能力。

根據(jù)中國工程教育認證的標準與要求，課程目標的評價由課程目標的達成度來衡量。課程目標的達成度評價以教學大綱為依據(jù)，授課教師根據(jù)每個課程目標對應的教學內(nèi)容和教學活動確定評價依據(jù)，并確定每個評價依據(jù)的權重，各項評價依據(jù)權重和為1。評價依據(jù)是指能夠考核該課程目標的期末試卷題、作業(yè)、實驗、MOOC 測試題和專題討論等。評價依據(jù)的選擇和權重的設置由課題組負責人或?qū)I(yè)負責人進行審核。課程目標的達成度為所有學生各評價依據(jù)的平均分與該評價依據(jù)總分比值的加權和。完成課程目標達成度計算后，授課教師對課程目標的達成情況進行分析，對教學內(nèi)容、教學方式、教學手段和考核形式等進行反思，提出持續(xù)改進措施。

三、結(jié)束語

江南大學自動控制原理課題組多年來一直堅持教育教學改革研究，該課程被評為學校首批卓越課程、至善課程，首批江蘇省一流課程。在新工科工程教育背景下，課題組努力推行“金課”建設，堅持以學生為中心、以產(chǎn)出為導向，重新凝練了課程目標、編寫教學大綱、優(yōu)化提升教學內(nèi)容、改革教學模式和教學方法及完善課程評價，將課程打造成一門融知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)為一體的“金課”。