应用型本科院校“自动控制原理”课程教学改革探讨

鞠亚美，孙 颖

（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海理工大学管理学院，上海 200093）

随着工业4.0时代的到来，实现传统工业的智能化转变是中国“中国制造2025”国家发展战略的重要内容。而新一代信息技术与制造业深度融合所形成的新兴业态与应用模式，作为智能制造的基础平台，将在整个制造业发展过程中起到越来越关键的作用，因此，社会对复合型、创新型、应用型人才的需求更加迫切。另一方面，在新工科建设的大环境下，应用型本科高校正努力培养同时具有社会生产所需的基本理论知识和技能以及符合国家发展需求的优秀人才，为实现中国梦提供了强有力的人才保障和技术支撑。

“自动控制原理”是自动化专业必修的专业课之一，在自动化专业本科生教育培养中具有十分重要的位置。其内容主要包括自动控制的一般概念、控制系统的数学模型、线性控制系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法等方面[1]。根据课程的教学目标，不仅要求学生能够熟练掌握“自动控制原理”的基本理论知识，还需要能够将所学的理论应用到实际工程中并具备一定分析问题及解决问题的能力。

到目前为止，自动控制技术在众多领域已经起着越来越重要的作用。例如，人造卫星准确进入预定轨道运行并回收，数控机床按照预定的程序自动地制造工件等[2]。因此，“自动控制原理”课程是应用高水平自动控制技术的理论前提，对学生的职业发展起着至关重要的作用。

该课程具有数学内容繁多、概念抽象、计算复杂等特点。在建模、分析、设计过程中对学生的基础知识（如“大学物理”“数学分析”“电路原理”等）、发散思维和空间想象力具有很高的要求[3]。由于知识点抽象难理解，学生在学习过程中容易碰到困难，导致学生学习的积极性不强。本文针对“自动控制原理”课程在当前教学方法中存在的问题与不足，进行教学改革研究，并提高教学效果与质量。

1 教学中存在的问题

1.1 教学方法单一

传统的教学模式主要是以教师授课为主，教师支配教学资源、模式和流程，学生根据教师的思路进行学习，导致学生自主学习思考的能力较差，同时教师对学生的学习过程、学习状态也难以准确把握，因此整体教学成果较差。

此外，由于客观条件的限制，传统的实验教学内容的结构比较单一，实验的内容大都依据课本设计，缺少综合性强、设计性高的实验，因此实验教学的效果也很差。

1.2 缺乏工程实践

实验课程的教学对提高学生分析问题和解决问题的能力具有重要作用，仅仅靠章节练习题是远远不够的。此外，设计性的实践教学大多停留在书本上，与当地企业深度结合的工程实践的内容较少，充其量只是完成了知识点上的验证，学生的实际动手能力和创造能力没有得到培养，无法清楚了解专业标准与职业要求的真正内涵；此外，传统的教学方式中没有足够重视仿真软件的教学与应用，使得学生的编程能力没有得到系统的训练。

1.3 评价体系单一

传统的评价标准过于单一化，过分注重学生考核的形式与考核任务的完成，没有注重培养学生的创造力，需要对学生实践能力的差异性进行考核，进而做到因材施教。

2 改进教学的方法

2.1 采用在线翻转课堂教学模式

随着互联网技术的飞速发展与广泛应用，为“自动控制原理”创建了新的教学平台，如翻转课堂、微课、远程教学等[4]。翻转课堂是目前十分流行的创新教学模式，其主要的教学过程为学生先在网络上学习基础知识，再由任课教师进行知识点讲解。与传统教学相比，主要区别在于学生学习的顺序发生改变[5]。

在传统教学过程中，学生先预习，然后再由教师讲解。教师教学过程中的主要精力集中在知识点的讲解，学生的主要精力集中在知识点的理解与记忆。由于课程时间紧凑，导致师生之间缺乏交流与沟通，学生对知识点的理解与实际应用并不深刻。然而，在翻转课堂教学过程中，学生先观看教师提供的在线教学视频进行学习，然后教师针对学生的问题，与学生进行探讨并进行解答，最后分小组解决具体实际问题。这种教学模式可做到即时学、按需学和重复学，满足学生的个体差异性，充分发挥学生学习的主动性与积极性，进一步促使并提高学生自主学习、自行思考的能力及自行解决问题的能力。因此，采用该模式的教学方式，可以真正解决学生的共性和个性问题。从而有效避免了部分学生因基础差导致上课听不懂、抄作业、旷课等问题的出现。

由以上分析可以看出，随着“互联网+”时代新技术的蓬勃发展，翻转课堂将传统教学方式进行了优化整合[6]。具体而言，学生课前将自主完成课程基础知识的初步学习，节约了大量教学时间，师生双方有更多的互动交流。因此，教师不但能有更多的时间与学生探讨问题，而且还能及时发现学生对知识点理解过程中存在的问题，找出学生存在的共性问题，并对知识点进行重点强调与讲解，方便及时采取一定措施来弥补上一阶段教学中存在的不足。学生则拥有更多的时间来消化知识的难点和重点，同时将所学的理论知识与工程实践相结合，从而提高学生的独立解决问题和思考问题的能力。

2.2 不同教学方式的结合

众所周知，“自动控制原理”这门课程具有理论性强、图形分析法多等特点，同时各种分析方法之间存在着一定的内在联系，从不同的角度解决控制系统的性能。学生在学习的过程中，经常把类似的知识点混淆，导致教学效果变差，无法灵活运用知识点来解决实际问题[7]。为了解决此类问题，教师在教学过程中，应采用比较式教学方法，将控制系统的性能分析方法进行分类、比较与总结，进而建立起各种分析方法之间的必然联系，使学生深刻理解并掌握“自动控制原理”的基本知识。例如，控制系统的分析方法主要包括时域分析法，频域分析法，跟轨迹分析法[6]。时域分析方法是利用闭环传递函数的特征方程式来进行分析，频域分析法是借助开环传递函数画奈式图来进行分析，根轨迹分析法是利用开环传递函数画根轨迹图来进行分析。

另外，在课堂上也可以采用启发式教学方法。比如，在课堂教学的过程中不断提出问题，让学生进行思考与讨论，找到解决问题的思路与方法。换言之，在学习理论知识的过程中让学生积极参与进来，这样不仅能锻炼学生独立思考问题的能力，还能提高学生学习的积极性。

2.3 优化实验教学方法与内容

针对实验教学环节中教学方案中的不足之处，进行实验内容的优化，增强学生的实际动手操作以及相关软件的学习应用能力，真正意义上做到理论与实际的结合，形成具有多层次、多元化的教学体系[8]。

应用型本科“自动控制原理”实验课程的教学模式应发生改变，应该把多媒体技术或者一些新的技术应用到实验课程的教学过程中[9-10]。具体制作图文并茂的实验教学课件来演示实验的整体操作流程以及实际工况下的工作原理，这样不仅便于学生理解整个实验流程，同时还能激发学生的学习兴趣。此外，将实验室具体安排信息发布到学校的网络数据平台上，有助于学生查询实验信息，提高整个实验操作过程的效率。并且，还可以从实验教学大纲入手，在原来实验教学内容的基础上，不断优化、完善实验教学内容，增加综合性、设计性实验等教学内容。与此同时，让学生参与到整个实验的设计过程中，并根据教师提供的实验目标，得到相应的实验结果。为了提升学生的发展空间，教师可以为学生设计专门的MATLAB计算机虚拟实验室，并让学生在虚拟实验室进行上机操作，使其更加深入理解“自动控制原理”的理论知识，更深层次培养学生的设计能力和综合应用能力，同时提高学生自主学习和解决实际问题的能力及创新意识。

3 创造工程实践环境

3.1 校企共建工程实践教学中心

“自动控制原理”中关于实验课程的教学对提高学生分析问题和解决问题的能力具有重要作用。良好的实验室环境与氛围是培养学生实践能力和独立动手能力的重要基地[7]。学校和知名企业在共同发展与进步的基础上，融合企业的有力资源与优势，引进最先进的自动化设备与技术，共同建立实践创新基地。依托该平台，以产学研的形式增加工程实训，自动化专业学生可以到一些企业参加实训，在实际生产过程中了解自动化相关问题的解决方式。这样不仅能帮助企业解决实际问题，也可以大大提高学生创造性完成设计综合性实验的能力。此外，学校与企业共同组织学生参加一些竞赛（例如“互联网+”、中国大学工程实践与创新能力大赛等），在竞赛中培养学生的创新意识与实践能力，增强学生的社会责任感与使命担当。同时，鼓励学生将新颖的想法转化成专利，将智能的算法进行成果转化，这样不仅大大激发了学生的创造性思维和学习兴趣，更收获了宝贵的知识、技能和经验。学校也可以不定期地邀请一些企业资深专家给学生做报告，更加专业地传授自动控制领域在实际中经常出现的问题及具体的解决办法，让学生了解更多的实际经验背景。

3.2 采用理论与实践为一体的教学模式

众所周知，应用型本科教学除了要掌握扎实的理论基础知识，也需要掌握实用的工程应用技术。因此，为了更好地将理论与实践相结合，在“自动控制原理”的教学过程中运用理论与实践为一体的教学模式。依托工程实践教学中心，将教学过程与实际生产过程进行对接，将理论应用到实际的生产过程中，将抽象知识变成具象知识，让学生在实际生产中充分感受到知识的应用性，实现了理论与实际一体化教学。具体来说，在本科教学的过程中，应采用“实例教学”。例如，在介绍关于“线性系统的校正方法”学习内容时，通过介绍“水箱液位控制系统”的工作原理，结合其工作时的动态控制过程，能够让学生清楚了解控制器参数的改变对控制系统性能的影响；为了让学生更好地理解微分方程的建立过程，把机械阻尼系统等实际案例贯穿于整个课程的教学过程中，进而培养学生的创造性思维。

另外“自动控制原理”的实验课程对学生编程能力的要求也很高，学生可将笔记本电脑带到工程实践教学中心，通过利用最新的仿真软件（如MATLAB、LABVIEW等）对一些控制理论算法进行仿真模拟学习，将仿真内容与“自动控制原理”结合起来。具体而言，在时域分析学习的过程中，学生可以借助MATLAB语言，直观地观察到系统的输入输出信号与时间变化的关系曲线，并通过调整参数来更好分析各种信号之间的变化过程。这样不仅能有效巩固课堂上的所学的基础知识，又学会了MATLAB语言的编程技巧；同时提高了学生的逻辑思维能力[10-11]，也培养了学生的独立思考能力和创新能力。

4 优化评价体系

在整个教学的过程中，教师扮演着控制者，学生扮演着被控对象，而“反馈信号”是评价体系[12]。教师应该根据学生的反馈信号（课堂上的表现情况及课后作业的完成情况），进行教学方法上的优化与改革，提高教学质量，达到教书育人的培养目标。一方面，在理论知识的学习过程中，教师可通过学生评价、督导查课、教师自我评价等方式，来发现教学中存在的问题并及时改进与总结，为之后的教学方法提供参考；在实践教学过程中，可根据实际的动手能力和创新能力来分组完成不同的项目，难度系数不同，最终的分值相同。另一方面，在期末考试的过程中，应将传统的考试方式（闭卷考试为主、平时考勤为辅）进行改革。从培养学生创新能力的角度出发，可以将考试模式转化为“笔试+实验+论文”的综合考核方式，将考试的重点变成考核学生的实际动手能力，让学生参与一些小课题，培养学生读文献、查资料、做调研、做实验等综合思维能力与实践动手能力，与培养应用型人才相呼应。值得注意的是，根据教学大纲、学生的完成度等情况可适当地调整考试模式各环节所占的比例。总而言之，通过教师与学生之间的沟通与交流，建立可执行的评价体系，为保证课程教学质量提供了强有力的监控机制。

5 结论

“自动控制原理”是自动化类等工科专业十分重要的专业课程之一，是其他相关专业课程的强有力支撑，为学生从事自动化生产与制造等相关行业提供了不可或缺的理论基础。因此，本文在应用型本科教学改革的背景下，对“自动控制原理”的教学方法、工程实践环境、评价体系3个方面的问题进行探讨与改进，并提出了一些切实可行的教学改革新思路。旨在培养学生理论联系实际的能力、自主创造能力和积极学习能力等，用所学的理论知识来解决复杂的工程问题，为综合型工程人才培养和工程科技创新提供有力的支持与保障。