中法融合、面向新工科建设的自动控制理论课程体系优化

段学超 崔传贞 千博 过润秋 张杰

摘 要 适应培养具备创新意识的高层次工程技术人才新形势，融合法国工程师培养体系先进思想和方法，以工程应用为导向进行“自动控制理论”课程体系优化，加大工程案例分析比重，强化现代分析和设计工具的使用和训练，在运用知识的过程中深化学生对自动控制理论基本概念和基础理论的深入理解。

关键词 工程师教育 新工科 自动控制理论

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.06.048

Abstract To adapt to the new situation of cultivating high-level engineering and technical talents with innovative consciousness， to integrate the advanced ideas and methods of the French engineer training system， to optimize the "Automatic Control Theory" curriculum system based on engineering applications， increase the proportion of engineering case analysis， and strengthen modern analysis and the use and training of design tools deepens students' in-depth understanding of the basic concepts and basic theories of automatic control theory in the process of applying knowledge.

Keywords engineer education； new engineering； automatic control theory

0 引言

就世界范圍而言，拿破仑所创立的法国工程师教育体系，经过200多年的积累在全球已形成独树一帜的鲜明特点。其目的是克服传统大学毕业生理论脱离实践的弊端，培养既掌握尖端技术又精通管理的高素质人才。因此，新工科建设可以参考借鉴法国工程师教育体系，进行思想和教育方法的融合。

课程教学是传授知识的重要环节，在“新工科建设”为导向的人才培养背景下，每门课程均应该遵循该指导思想进行工程导向的课程体系优化与改革，以适应时代发展的人才需求。“自动控制理论”是控制科学与工程、机械工程等相关学科的基础理论课程，内容体系庞大、概念纷杂、数学推导丰富，学生普遍反映该课程难学，教师也感到该课程难教，授课效果差、缺乏成就感。造成这种局面的原因不乏教学思想、课程体系和教学形式的滞后。因此，迫切需要面向新工科建设需求、对当今课程现状做深刻剖析，有的放矢构建卓有成效的课程体系、教学内容和教学手段，通过创新建设多种教学资源，为学生提供工程导向型学习资料，才能满足新工科背景下自动化人才培养目标。

1 自动控制理论课程目前问题分析

1.1 缺乏生动的情景化课堂资源

随着新一代学生认知方式的变迁，他们对过度文字化、符号化的教学模式难以提起浓厚兴趣，导致了学生期望的上课模式与当今讲授模式之间的矛盾。自动控制理论课程知识容量太大，因此，受制作条件和时间限制，许多教师开发多媒体教学软件的能力不够，教学过程中缺乏与教材匹配的多媒体课件。教师教学还是采用传统的“粉笔+黑板”的教学手段，缺乏高质量多媒体教学资料，对抽象的内容以口头讲授为主，一方面是书写大量的公式、图表，效率不高，另一方面是学生难以接受抽象的内容，很多内容听不懂，课后又缺少课程学习辅导资料及有效的学习途径，久而久之就逐渐丧失了对该门课程的学习兴趣。

1.2 传统印刷版教材更新周期长，很难体现工程领域的新需求

尽管经典控制理论在当今的工业自动化领域占有主导地位，但基于自动控制技术的新产品、新概念、新知识源源不断涌现出来，而“自动控制理论”教材不能与时俱进，已然跟不上科技发展的步伐。如在控制系统的数学描述部分，讲简单的弹簧质量阻尼器机械系统、RLC电路网络，这固然让学生学会了建立控制系统数学模型的一般步骤，但是被控对象过于成熟，学生提不起兴致。若能结合如今盛行的赛格威两轮电动车、独轮电动车、四旋翼直升机等自动控制产品进行内容讲解，同样传授了建模的方法和技巧，但学生好奇心强、兴趣浓厚，授课效果将会大大改观。

1.3 单一教材，很难体现“以就业为导向、以服务为宗旨”的培养目标

知识经济时代，产业结构和生产技术都在发生迅速变化，工科教育必须对学生进行能适应社会快速变化的职业能力培养，以满足不同职业岗位的广泛要求。而“自动控制理论”教材在这方面存在许多不足，如只注重知识的灌输，而不注重控制工程师岗位职业能力的培养；只注重控制系统效果差现象的解决，却不引导学生分析该类现象产生的根源；只注重控制系统设计与校正的“规范”，却不考虑在实际应用中是否具备条件，能否行得通等。其结果往往是使学生学了一些“死”知识，在实际中很难用得上，遇到一些特殊情况不知如何处理，动手能力差，更谈不上适应控制工程师的岗位需求。

1.4 现代分析与设计工具在教学中渗透不够

数学软件MATLAB的发展为控制系统的分析和设计提供了很大的便利，使得控制工程师们不仅能够又快又准地进行控制系统的分析和综合，还能够腾出精力解决运算之外的重要问题。在大学课堂上不必强求学生对此类软件的掌握熟练程度，但至少要让他们了解软件的功能，具备利用软件的意识。例如线性定常系统分析工具LTIViewer能够综合时域、频域方法，方便得出系统的开闭环性能；PID控制器设计工具PIDTool能够快速高效对控制系统的PID参数进行调整，并给出闭环控制响应曲线。但是如今教学过程中很少专门给学生讲解这些软件的使用，以至于大部分学生毕业后到了工作岗位还没有意识到控制系统的分析和设计可以利用软件，因而造就了毕业生动手能力低的现状。

鉴于以上四个现存的显著问题，项目申请人结合赴法国尼斯综合理工接受实践教学培训和参与我校中法合作办学（电子信息工程）教学的经历和感悟， 融合法国电子信息专业工程师教育中自动控制理论的教学思想和方法，以工程导向为目标进行自动控制理论课程体现的优化调整。

2 课程体系优化设计

2.1 课程内容中大量补充现代工程案例分析与设计

对于系统建模部分，从单纯的结构图化简过渡到具体工程案例剖析，在建模过程中需要学生自己从基本的元素开始画出并化简结构图的案例。例如针对直流电机的建模过程，通过有效利用结构图，减少数学推导步骤提高建模效率。对于系统响应分析，改变纯粹的采用公式给出模型、跟踪典型函数的模式，融入雷达伺服跟踪、射电望远镜对星体的跟踪、气象测温装置等案例，分析控制系统的动态响应和静态误差。通过MATLAB软件中LTIViewer功能的使用，更好理解调整时间、上升时间和超调量的定义，掌握控制理论知识解决工程问题的流程。在控制系统的校正部分，对直流电机、球杆系统等典型工程案例进行超前校正、滞后校正、PID校正等内容的实践，让学生通过工程案例强化知识的掌握。

2.2 国家级规划教材《自动控制理论》（第3版）及配套《自动控制理论（第3版）学习指导及习题集》的编撰

在中法教育思想融合、工程导向课程优化的主线下，对《自动控制原理》（第3版）国家十二五规划教材内容进行更新、完善，根据学科、行业的发展继续修订完善，与时俱进，及时补充反映最新知识、技术和成果的内容，增补内容40余页，例题、作业题30余道，并修正了大部分公式、图表，争取在2018年上半年出版。此外，对配套教材的《自动控制理论（第3版）学习指导及习题集》进行编写，满足面向电子信息类、自动化类、电气类等专业使用，融合法国工程教育理念，面向工程需求进行习题编写，凸显工程实用性特色。并根据社会经济发展、学科专业建设和教育教学改革不断修订完善，锤炼精品。既体现学科行业新知识、新技术，反映人才培养模式和教学改革最新趋势，又要能够满足各类高等学校新时代新工科建设人才培养需求。

2.3 自动控制理论MOOC资源建设

MOOC（慕课）是高教领域正在大力推行的一种课程载体，笔者将对自动控制理论课程网站（http：//xt.xidian.edu.cn/G2S/site/auto.html）进行系统规划和逐步完善，公布课程大纲、授课日历，将电子课件、重点章节授课录像上传，更有丰富的作业习题、重点知识答疑互动、课程学习论坛。目前已上传了全部教学录像，学生可以将课堂上没有听明白，而课本上比较抽象难以理解的知识点，在课程网站上找到相应录像反复收看，以配合印刷版教材的使用。

2.4 基于移动互联网技术的自动控制理论学习平台

当今世界，智能手机和无线网络已经渗透到世界的每一个角落，自主移动学习作为传统学习方式的补充，正在日益受到人们的青睐。笔者以微信公众号为自主移动学习的载体，构建了融课后趣味引导、自主学习、思维发散、知识点扩展、能力提升训练以及学习支持服务为一体的情景化自动控制理论移动学习平台。需要对学习平台中参与者所做出的评价与建议尽快给予回复和思考，要及时对学习平台中有争议、不正确的内容做出更正，根据参与者所反馈的其他难点，进行相关知识点的编辑与推送讲授。

3授课效果預期及评价措施

经过课程优化及教学团队的精心准备，预期达到使学生基本概念清晰、基础理论扎实，具备初步的工程问题建模、分析与综合能力。从授课过程和课程成绩量化对比，预期课程参与度提高20%，平均成绩提高5～10分，不及格降低5%。授课效果的评价是一个包含多种因素的系统工程，笔者拟采用分析对比课程结业考试成绩和召开学生座谈会、匿名问卷调查相结合的方法进行授课效果的评估分析。剥离班风、学风差异对学生的影响，从课堂成绩、控制实验和工程运用等角度综合分析并评价课程体系优化效果。

4结论

以申请人的赴法课程实践教学培训、中法合作办学班授课经历为契机，借鉴法国卓越工程师培养体系的先进经验，继续发挥我国长期以来积累的重视数理推导的优势，融合中法教育理念，以工程应用为背景，进行自动控制理论课程体系优化探索。顺应互联网技术融入大学课堂的潮流，构建以微信公众号为辅助工具的课下教学，并根据所需，强调重点，提供情境真实、交互性强、兴趣浓厚的自动控制理论微课课程，实现自动控制理论的生动、互动、实践性教学。

参考文献

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