新工科背景下“自动控制原理”实例教学方法探索

潘琪 冯宝 徐龙 李静 李欧迅

[摘 要] 新工科背景下传统工科课程的教学方法必须改进。“自动控制原理”是自动化专业的核心基础课，该课程理论性强，学习难度较大。介绍了以单摆模型为例讲解多个核心知识的实例教学过程，旨在阐述如何在教学设计过程中挑选优秀实例，将理论与实际应用紧密结合讲授。实例教学不仅能够让学生更好地掌握课程知识，还能提高学生利用理论知识解决实际问题的能力，激发学生对课程的兴趣，提高人才培养质量。

[关键词] 新工科;自动控制原理;实例教学;自动化;单摆

[基金项目] 2019年度廣西高等教育本科教学改革工程项目“新工科视域下地方院校自动化类专业工程创新人才培养模式研究与实践”（2019JGA337）;2019年度广西高等教育教学改革工程项目基金“‘新工科理念下工程管理本科专业创新人才OBE+CDIO培养模式的研究与实践”（2019JGA333）;2018年度桂林航天工业学院教育教学改革项目（2018JB02）

[作者简介] 潘 琪（1991—），男，湖北黄冈人，硕士，桂林航天工业学院电子信息与自动化学院专任教师，主要从事机器人运动规划方面的研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）25-0104-04   [收稿日期] 2020-10-30

一、引言

2017年，教育部高等教育司发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，希望各地高校开展新工科的研究和实践活动，从而深化工程教育改革，推进新工科的建设与发展。新工科建设对工程科技人才提出了更高要求，相比于传统的工科人才，新工科人才的定义为工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才[1]。为了更好地培养新工科应用型工程科技人才，不能完全沿用以前的工科教育模式，教学方法必须改进。

“自动控制原理”课程是自动化专业的核心基础课。自动控制技术在任何工程和科学领域都是必不可少的。在宇宙飞船、机器人系统、现代制造系统，以及包括温度、压力、湿度、流量在内的任何工业操作中，自动控制都是其重要的组成部分[2] （P1-2）。因此，“自动控制原理”也是测控、电气、机械、能源等工科专业的必修课程。该课程的特点是概念多、抽象，理论分析和数学计算比重大[3]，学习难度较大;所以，要特别注意教学方法的改进，否则会让学生认为是在学习一门数学课，无法从繁杂的推导中跳出，将理论与实践联系起来，丧失对课程的兴趣。因此，在授课过程中尤其要注意将理论与实际相结合，多结合生活生产中的实例讲解。同时要善于利用多媒体、仿真软件等工具，在课堂上将实例通过视频、动画、仿真的形式展现给学生。这样不仅能够让学生更好地掌握课程知识，还能提高学生利用理论知识解决实际问题的能力，激发学生对课程的兴趣。

二、课程的现状分析

我校自动化专业毕业生的就业区域主要分布在广西壮族自治区和珠三角地区，就业岗位相对集中在工业控制、装备与系统集成、电子信息等行业，这些行业需要的是能够把成熟的技术和理论应用到实际的生产、生活中的技术技能型人才。本课程是我校自动化相关专业最重要的专业基础课，在应用型人才培养中具有关键作用。

我专业依据应用型本科院校人才培养目标和学生的实际情况，多次研讨专业人才培养方案和教学计划，将自动控制原理的教学学时设置为80个学时;其中理论60学时，实验20学时，课时较多且实验课时所占比重大。选用的教材为程鹏主编，高等教育出版社出版的《自动控制原理》第二版。在授课内容上，主要讲述经典控制理论，阐述自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计、校正的基本方法，是进一步学习和掌握“现代控制理论”“计算机控制系统”“工业过程控制”等后续控制类课程的基础，在课程体系中占据核心地位。

“自动控制原理”课程内容中包含机械、电子、流体、热力等各类系统数学模型的推导，控制的本质是微分方程的求解和分析，使用的基本数学工具为拉普拉斯变换，所以涉及较多的高等数学、复变函数与积分变换、大学物理、电路分析等理论知识，理论推导繁杂，系统框图设计复杂。

“自动控制原理”教材中控制系统建模部分的内容非常重要，因为经典控制理论是基于模型的控制，必须先建立控制系统的数学模型，才能分析和控制系统。自动控制技术应用于各行各业，所以各类教材选取了来自不同领域的实际系统进行建模，例如RLC无源网络、m-K-f机械平移系统、他励直流电机等。这些实例大多比较陈旧，有的模型还比较复杂，学生掌握起来较为困难。经典控制理论研究的是传递函数模型，传统的理论教学及实验教学通常用传递函数来表示某个系统，基于传递函数表达式去设计、分析和校正系统，很少从某个实际系统出发去设计控制器、校正器，观察在实际系统上的控制效果，严重脱离工程实践。学生经常陷入复杂的理论推导中，兴致不高，难以体会到理论知识在实际中的应用，甚至认为这门课没有用处，课堂教学气氛不够活跃，难以保证授课质量。因此，结合优秀的实例讲授课程对提高上课质量非常重要。

三、“自动控制原理”实例教学实践

实例教学是以应用案例为教学素材，通过典型实例的讲解，使理论具体化，同时引导学生利用所学理论解析案例，使理论和实践有机结合，能快速提升学生解决实际问题能力的方法[4]。实例教学的重点是挑选优秀的实例。笔者认为，优秀的实例应该具备如下几个特征：（1）能充分说明知识点，这是使用实例教学法的目的，也是最基本要求;（2）难度不大，学生容易掌握，不会产生畏惧心理，愿意听，能听懂;（3）学生很感兴趣;（4）一个实例可用于多个知识点的讲解。

笔者在“控制系统的数学模型”一章的第一次课中结合单摆系统模型讲授了如下内容。

（一）控制系统微分方程的建立