新能源专业的自动控制原理课程教学的改革探索

濮天梅，沈文忠，曹九发，朱卫军，付士凤

（扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

能源是人类生存的物质基础，目前，全球能源结构依旧是以煤炭、化石燃料为主，这些能源的使用易造成环境的污染以及全球气候变暖。习近平总书记在第75 届联合国大会上提出，中国将提高国家自主贡献度，采取有力的政策、措施，争取于2060 年前实现碳中和[1]。新能源科学与工程专业面向新能源产业，聚焦国家对生物质能、风能等新能源领域的发展需求，致力于培养具有坚实的理论基础和扎实的工程素质的、能从事新能源领域的科学研究、技术开发、开发制造、运行控制与管理等工作的专门人才[2]。扬州大学新能源科学与工程专业的学生主要侧重于学习风能的相关知识，包括风力机叶片设计、风电机组监控、风电场运维、风电机组设备以及电气设备等的基础理论，需掌握数学、自然科学、工程基础和新能源专业课程的基础知识。因此，该专业涉及学科主要包括动力工程及工程热物理、机械工程以及电气工程。

自动控制原理课程是扬州大学新能源科学与工程专业的专业核心课程。该课程的主要教学内容是利用数学、物理、电路等基础知识解决工程控制问题，实现工业生产的自动化控制、智能作业等任务。由于课程的理论性和专业性很强、概念繁多、内容抽象且枯燥，该课程的学习要求学生具有扎实的数理基础和较强的抽象思维，学习难度大。如何以“新工科”教育理念为指导，充分利用网络资源和信息技术，提高课堂教学的质量，培养工程实践应用人才[3]。

1 教学中的常见问题

目前，新能源专业自动控制原理教学中存在以下问题。

1.1 课堂教学以老师为中心，学生为被动接受方

教师讲授知识是传统的教学方式，此种教学模式下，学生被动接受教师的信息传输，无法调动学生的积极性和自主性，限制了学生主观能动性的发展。另外，在这种传统的授课方式下，教师容易忽略学生之间的个体差异和多样性，严重阻挠师生之间的有效沟通和互动。

1.2 课件针对性不足，概念抽象且枯燥

新能源作为扬州大学新近成立的专业，教师资源尚且不足，往届新能源专业学生的本课程均由电气专业的教师进行授课。一方面，授课教师对专业培养方案不够了解，导致对学生的知识储备有些许误解。另一方面，在教学和科研的双重压力下，教学课件往往采用早就存在的成品，内容较老，抽象的概念一般以文字描述，内容枯燥且晦涩。在以往的教学过程中，发现学生很难保持专注度，教师教学和学生学习难度均较大。

1.3 思想政治元素不足

新能源专业的《自动控制原理》教学大纲中设定的课程目标更多地注重理论和专业知识的传授，在育人方面关注不够，从而忽略了思想政治教育的重要性。学生在课程学习过程中也更注重学习专业知识，对于科学思维习惯和方式的培养、道德情操的熏陶以及精神层面的充实较少考虑。

1.4 理论与实践脱节

新能源专业需要培养具有实践工程应用能力的人才。在以往的教学过程中，大部分内容都是从复杂系统的抽象模型展开教学，涉及的电路及系统也均做了简化处理。学生缺少对实际复杂系统的感性认识，导致兴趣的丧失。

1.5 以考试为主的笔试考核方式

传统的笔试考核方式易引导学生成为注重理论而忽略实践的应试型人才[4]，显然这种单一的考核方式已经不再适用于新工科背景下对应用型工程技术人才的要求。

2 教学改革措施

常艳超等[5]提出，在新工科建设的背景下，自动控制原理课程的教学目标是通过理论基础知识的教学，培养学生对复杂系统的分析设计能力、工程实践能力以及创新能力。针对该目标以及新能源专业学生的培养特点，课程组从“课程思政”、教学方法、教学内容以及考核方法4 个方面对该课程进行了改革。

2.1 “课程思政”

我国正在从制造大国向制造强国转变，课程思想政治要素的添加可以使得学生增加民族自信和自豪感。在讲授专业基础知识的同时给同学介绍相关的知名人物，如中国科学院院士郭雷以及张钟俊，他们都在自动控制和系统工程领域做出了许多开创性的贡献。这可以为枯燥的专业知识讲授中添加乐趣，有助于培养学生对科学的兴趣以及爱国情怀。另外，通过在课程中挖掘丰富的思想政治教育素材，加深学生对中国特色社会主义道路的认同，坚定为富足、强大的社会主义国家做贡献。

2.2 教学方法

自动控制原理课程的专业性决定了其讲授的枯燥，常规的笔书结合PPT 的教学方式使得课堂氛围沉闷，无法激活学生学习的自主性。课程组在教授根轨迹分析、系统响应等内容时，充分发挥多媒体教学生动直观的优势，实时带着学生绘画响应曲线，带动学生思维，并添加与学生的互动，增加课堂的趣味性。例如，利用MATLAB 绘制各种曲线，并动态展示曲线生成过程，并直观展示参数变化带来的影响。已知系统的闭环传递函数如式（1）所示。

通过MATLAB 仿真，可以直观分析阻尼比ζ 对系统脉冲响应和阶跃响应的影响。计算系统脉冲响应和阶跃响应代码如图1 所示，通过impulse（）函数和step（）函数即能分析阻尼比ζ 对系统的脉冲响应和阶跃响应的影响。系统脉冲响应如图2 所示，系统阶跃响应如图3所示，可以很容易分析ζ 对系统性能的影响。随着ζ 的增大，该系统的单位脉冲响应和阶跃响应减小。

图1 计算系统脉冲响应和阶跃响应代码

图2 系统脉冲响应

图3 系统阶跃响应

MATLAB 是一种功能十分强大的软件。根轨迹方法是一种图解法，可以用于分析控制系统的性能指标。针对复杂的系统，人工绘制根轨迹将会变得十分复杂和困难，而MATLAB 绘制根轨迹十分方便。某负反馈控制系统的开环传递函数如式（2）所示。

绘制根轨迹代码如图4 所示，只需编写几行代码即可快速绘制出该系统的根轨迹，绘制出的系统根轨迹如图5 所示。

图4 绘制根轨迹代码

图5 系统的根轨迹

2.3 教学内容

自动控制原理课程的教学内容要突出新能源专业的鲜明的行业特色，按照行业就业市场需求的专业知识要求，结合专业方向，追踪风力发电技术中涉及的控制原理，坚持“基本理论适度、注重工程应用”[6]的基本原则，不断更新和与优化教学内容，将新能源专业的自动控制原理课程发展成一门适合本专业学生的优质课程。主要从以下方面着手：①结合风力发电的一线生产和科研工作，搜集教学素材，挖掘课程的相关案例，例如，风力机发电中的叶片变桨，就是一种自动控制，通常采用机械液压或者电动伺服的方式，控制风力机桨叶的旋转，改变气流对桨叶的攻角，从而控制风力机桨叶捕获的气动转矩和气动功率，风电机组变桨距系统如图6 所示，这就可以作为课程的教学素材。②可以将枯燥乏味的概念或者公式通过形象生动的比喻或者图像展示给学生，使得学生能够集中课堂注意力，更为扎实地掌握专业知识。③可以将理论与工程应用相结合，培养学生的工程意识，为其以后从事专业技术性工作奠定基础[7]。

图6 风电机组变桨距系统

2.4 考核方式

新能源专业的自控原理课程一直采用传统的单一期末考试考核方式。课程组改革了考核评价体系，降低了期末考试成绩在课程考核成绩中的比重，平时成绩的给定做到了“有理有据”[8]。实际上，扬州大学拥有自主创设的网络教学系统，这使得学生学习过程的考核相当便利。首先在网络系统上创建班级并导入所有学生信息；其次针对每章节的学习内容布置作业，包括习题和涉及工程的思考题；要求学生学习完每章节的内容后及时完成考核内容，这些都作为给定平时成绩的基础[9-10]。

3 结语

随着全球对可再生能源的需求剧增，各国对新能源的发展都给予了大力扶持，针对人才培养也制定了相应的支持政策。本文针对目前新能源专业的自动控制原理课程教学中存在的问题，从“课程思政”“教学方法”以及“考核方式”出发，进行了课程教学的一些改革，立足培养新工科建设背景下爱国爱党、心怀抱负的实践应用性的工程类人才。