本科院校“自动控制原理”课程建设的研究与实践

程文雅，余梦璐，张 凡，郭洪佚

（西南交通大学 希望学院，四川 成都 610400）

1 课程的定位和特点

“自动控制原理”是所有本科院校自动化类专业的一门重要的专业基础课，也是考研初试重点考察的专业课科目之一。但是，建筑电气与智能化专业有着与其他自动化专业显著的特征，因此，“自动控制原理”也成为该专业的一门专业核心课程。针对专业自身的特点，重点结合建筑的应用背景，在智能建造的大环境下，使学生掌握基本的理论知识，并在各种工程实际中去体会控制的思想，通过改进优化控制的方案，使得建筑的环境更加智慧更加舒适。该课程是一门交叉的学科，涵盖的知识面广，内容错综复杂，基础概念多且抽象，研究内容宽泛，要求学生具备良好的数学基础，例如：高等数学、线性代数、复变函数、大学物理等知识。因此，学生最初接触该课程会觉得晦涩难懂，抽象复杂，教师教学难度较高。但是该课程在整个课程体系中有着承上启下的作用[1]，不仅为后续专业课程的学习奠定基础，而且对于培养学生的逻辑思维、提高分析问题和解决问题的能力有着深远的意义。此外，为适应新一轮科技革命，支撑科技创新，服务“中国制造2025”，2017 年教育部提出新工科建设方案，将具有较强工程实践能力，创新思维能力的应用型人才作为新时代高校工科学生人才培养的基本要求[2]。因此，该文积极探索教育教学的改革和创新，细化教学目标，改进教学方法，优化教学内容，丰富评价体系，力求做到在知识传授过程中即包含显性教育又包含隐性教育，将思政元素融入教学，真正实现润物细无声，引领学生的价值观，塑造学生品质，培养应用型人才。

2 教学方法的优化

针对本类院校学生的特点和课程本身公式比较多，推导过程复杂，概念抽象等特点，在课程建设的过程中，探索多种教学方法，优化教学过程。

2.1 理论讲解加例证

由于自动控制课程内容的概念多且抽象，在讲解理论知识的时候，借助网络视频和音频动画，使学生更加清晰直观的体会控制的实现过程。借助生活中的典型案例，引导学生思考，建立感性认识。进而从基本概念入手，通过讲解加例证的方法，逐步深入，在例证中剖析教学内容。各部分理论知识讲解完之后辅助以真实的应用案例来加强理解。例如在讲解开环控制的概念和功能后，列举全自动洗衣机的工作模式，帮助学生深刻的体会开环控制的优缺点。最后以任务的形式驱动学生自主学习，加以巩固。布置任务，让学生找寻课程内容相关的控制案例，分析其规律，以小组的形式在课堂上汇报分享。此过程不仅能加深学生对学科知识的理解，也进一步提高其查询资料和制作PPT的能力，促进小组成员之间的分工合作。该种方式能够提高学生的学习兴趣和课堂参与度。

2.2 渗透式

本课程的公式虽然多，但是有其自身的特点，公式本身都具有物理意义。所以在讲授课程的过程中，注重阐释其蕴含的物理意义。在备课之前，先将本节课用到的基础理论和基础公式总结出来，以储备知识的形式带领学生重新回顾学习，将公式的基本物理概念和原理渗透到教学过程中。进而本课程教学用到相应公式时，学生能够清晰理解公式推导之间的变换关系，以及相应的结论对应的物理意义。哪些参数决定系统的哪项性能，使得分析设计系统和改进系统性能时更加有的放矢。

2.3 以赛促学

教学过程设置情景，每个情景都是完整的工作过程，情景设计由简单到复杂，由单一到综合，逐层推进。学生通过学习不同的应用情境，不仅能加深对本课程理论知识的理解，而且还可以了解工程的一般设计思路和实现过程。借助四川省机器人大赛、全国大学生智能汽车竞赛、电子设计竞赛等相关的比赛，以赛促学的方式加强学生的实践锻炼，激发学生潜在的创造力，提升学生综合运用学科知识的能力。最终，使学生在比赛创设的复杂情境中解决实际问题。

2.4 虚拟实验和现实模拟相结合

将教学过程与MATLAB 仿真工具相结合，进行虚拟仿真实验教学。MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言，它的编程简单，易学易懂，也被称为草稿式的科学算法语言。内部包含丰富的函数库以及SIMULINK 工具箱[3]。通过该软件老师可以演示较复杂的控制系统，学生也可以课后独立操作，通过虚拟仿真实验，生动直观的观察系统的响应曲线，分析实验结果，验证控制规律。在课程建设过程中，注重实验室的建设，搭建现实的实验环境。借助自控实验箱，学生可以在现实的操作面板上实现典型环节的连接、温度闭环控制的实验、直流电机调速实验、PID 控制算法实验等。通过模拟仿真和现实实验相结合的方式，学生不仅能够在现实条件下实现经典的控制方案，也可以通过仿真验证复杂高阶系统的性能，进而更加系统全面的掌握学科内容。

3 教学内容的改进

“自动控制原理”是一门理论性、综合性、实践性强的课程。为了使课程更适合建筑电气专业的学生，我们秉承“够用”原则，确立了基础理论、系统建模、时域分析、频域分析的四个模块的体系。在教学改进上，突出控制理论的物理概念以及智能化的工程应用背景，淡化数学证明过程，注重实际应用，培养学生的创新精神。

3.1 注重工程应用背景

在教学内容上，选取控制对象的时候，偏重选择智慧建筑的物理量控制，更加凸显专业特色。例如进行系统分析时，主要围绕稳定性、快速性和准确性这三个指标。无论是时域分析还是频域分析核心的主题都是这三个指标的优劣。在教学中选取实际工程应用的控制参数，先带领学生分析工程原理，了解控制需求，建立模型，分析实现过程。例如恒温恒湿空调机的控制，分析其温度和湿度的控制原理，建立模型，在节能的需求下如何实现空气参数快速调节且准确的维持在设定值附近。又例如在电梯运行控制中，如何控制电动机的转速，保证电梯运行的平稳定和快速性等。在丰富的工程案例中，使学生带着问题学习，主动寻找解决方法，积极思索，激发学生的学习兴趣，提高工程实践能力，强化学以致用的思维。

3.2 挖掘教学素材

在专业知识的传授基础上，塑造学生的价值观。深度挖掘课程中的思政元素，践行立德树人的培养模式。将每个章节中专业知识与思政元素有机结合在一起，促进知识和价值的双重引领。

教学案例设计如下：

3.2.1 基础理论部分

该部分主要是讲解控制理论的发展以及基本的概念，自动控制是脱离了人工控制，自动实现某种规律运行的方式。在实现过程中有由简单到复杂，从最初的开环控制，到经典的反馈控制，以及复合控制的实现。在控制方式的改进中，体现出发展的观点，尤其是反馈控制，将输出的效应加入控制的调整中。这就指导我们用发展的眼光看待问题，不能固化思想，一成不变，刻舟求剑。在生活中无论做什么事情，要时刻关注结果的输出，如果效果不理想，及时调整方案。老师在教学过程中，要多关注学生的接受程度，及时调整授课方法和进度。对学生而言，引导学生用联系和发展的观点来规划自己的人生，遇到挫折不放弃，发现问题及时调整思路，改变策略。

3.2.2 系统建模

该部分的内容主要是通过分析控制对象的特征和原理，建立相应的数学模型。建模的目的就是剖开现象分析其中蕴含的原理，在分析不同对象的过程中，引导学生总结得出截然不同的系统最终建立起的模型却是相同的，通过分析模型中各个参数的影响，来指导不同的系统的设计。通过举例，验证不同的系统建立相同的模型，进而凸显马克思原理中善于抓住核心问题，分析主要矛盾，围绕事物的本质特征，分析一般规律。例如：弹簧控制系统和RLC 振荡电路，从表面看是两个完全不同的系统，但分析原理建立起的模型都是二阶控制系统。以实际案例来启发学生在生活中不要被林林总总的现象迷失双眼，善于剖开现象分析事物的本质，总结一般规律。在学习中要善于举一反三，对于核心知识点要掌握牢固。

3.2.3 时域分析

该部分的内容主要是在直观的时间域中，评估系统的各项性能指标。系统最首要的性能指标就是稳定性，在这个基础上，争取更快更准确。稳定性、快速性、准确性，这三个指标之间却相互制约相互矛盾。例如：如果过度追求响应速度，则准确性就无法保证。过度关注稳定性，系统的反应过程就会过长。通过二阶系统在阶跃信号作用下不同阻尼比的响应曲线，系统的综合性能最优的状态下，得出最佳阻尼比。这就启发我们在做事情的时候需要综合考虑影响因素，达到一个最优解的状态。对教师的启发，教学时适当增加作业的难度会激发学生的学习动力，但是如果难度过大，就会抑制学生的热情。对学生，引导学生把握“度”的概念，综合分析各种影响因素，不能过度追求单项指标，合理的安排自己的学习和娱乐，使自己的状态达到优化的状态。

3.2.4 频域分析

该部分的内容主要是在正弦信号作用下，分析频率范围从0-∞变化下系统的性能特征，该部分的图形和公式比较复杂。为了在有限的坐标段内，更多表达出曲线的特征，科学家伯德积极探索，对坐标轴进行变换，运用半对数坐标系。将线性坐标轴变换为以对数刻度的横坐标，实现了坐标轴10 倍频程的拓展，进而在有限的图幅上既能展现低频段、中频段的频率特征，也能呈现出高频段的特性。这部分的教学启发我们通往成功的路径不是唯一的，在做事情的时候要发散思维，发挥主观能动性，另辟蹊径。引导学生积极思索，激发创新创业的精神，树立民族自信心，树立“中国制造”向“中国创造”的飞跃的信念和决心。

4 教学评价

教学评价过程中，除了采用多元评价、过程性评价外，为了提高学生学习的积极性，加强课程的趣味性，增加了开放性的评价元素，以小论文[4]的形式呈现，主题不限，可以是自控领域杰出科学家的事迹、自控最新的技术发展、智能制造纪录片等，内容必须跟本课程相关，需体现自动控制的工程应用以及所蕴含的科学道理，或者是自身学习过程中的感悟。本课程最终的考核方式采用期末（占比50%）、平时成绩（占比30%，包括考勤，课堂表现，小组汇报，作业）、实验分析（占比15%）、思政元素（5%，小论文）、加分项目（0-10 分，学科竞赛的参与度和成果）。

5 结语

针对建筑电气与智能化专业的“自动控制原理”这门专业基础课程，教学过程秉承“够用”的原则，将经典的控制内容分为基础理论、系统建模、时域分析、频域分析四个模块。在授课过程中，重点突出专业特色，注重与工程应用背景相结合和工程应用案例的渗透，以建筑中的控制系统的典型案例来引入和阐述相关的控制概念和实现方法。深入挖掘教学素材和课程中的思政元素，注重学生知识和价值的双重培养。采用多种教学手段，使学生积极参与到教学中。改革考核方式，多元评价相结合，注重过程考核。