新工科背景下农业院校自动控制原理课程教学改革

摘 要： 自动控制原理课程是山西农业大学电气工程及其自动化、农业电气化专业的必修课，为后续专业课奠定控制理论基本知识。以新工科背景下对人才培养的交叉型、创新型和实践型要求为导向，针对农业院校自动控制原理课程教学中存在的不足，重新修订教学大纲，对该课程的教学内容、教学方式和实践教学模式进行了一系列教学改革，取得了一些效果，为新工科背景下兄弟院校自动控制原理课程教学改革提供参考。

关键词：新工科；农业院校；自动控制原理；教学改革

中图分类号：S24;G642 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）08-0138-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.023

0 引言

自动控制原理课程是山西农业大学电气工程及其自动化专业、农业电气化专业的必修课，在培养学生的理论知识能力方面占有重要地位，本课程是衔接电气工程及其自动化方向的基础课与专业课之间的纽带。通过课程讲授，使学生掌握自动控制理论的基本原理和应用、控制系统建模方法和分析方法，并初步具备综合设计与校正简单控制系统的能力，为后续进行控制理论类课程学习奠定必要的基础。

2017 年，教育部启动新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，开拓了工程教育改革新路径[1-3]。山西农业大学作为全国首批深化创新创业教育改革示范高校，积极推进新工科建设。2019 年10 月，山西农业大学和山西省农业科学院合署改革，成立新的山西农业大学。合署改革以来，学校在专业设置、人才培养模式等方面做出重要改革，切实推动了新工科建设的步伐[3-5]。新工科具有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性等特征，对课程体系、教学内容、教学方式等都提出了新要求，为农业院校电气工程及其自动化专业、农业电气化专业的课程教学改革指明了方向[6]。

虽然自动控制原理课程已经调整了部分课程内容和教学方式，但仍存在许多不足。本研究从教学内容、教学方式和实践教学模式等方面进行了相应的教学改革，使自动控制原理课程符合新工科提出的创新型、多学科交叉型、实践型培养要求，使学生掌握新工科领域前沿知识、多学科交叉复合知识，具备解决复杂工程问题能力和创新创业能力，为新工科背景下兄弟院校自动控制原理课程教学改革提供参考。

1 教学现状及存在问题

1.1 教学内容偏理论，学科交叉较少

自动控制原理课程具有理论性强、抽象概念及分析方法多等特点。经典控制理论部分主要讲自动控制一般概念、控制系统数学模型、线性系统时域分析法、线性系统根轨迹法、线性系统频域分析法及自动控制系统设计与校正，课程内容理论性较强，理论推导偏多。自动控制原理课程涉及高等数学、复变函数、电路、模拟电子技术及Matlab 程序设计等多学科知识，受到传统教学内容和压缩课时的限制，对于控制理论和电气工程、农业工程相关学科的结合较少，学科交叉融合未能得到充分体现[7-8]。教学内容缺乏新意，对于自动控制理论在我国国防、现代工业、农业和航天等领域的研究进展讲解较少，没有将控制工程前沿领域知识引入课堂。

1.2 教学方法单一

传统的自动控制原理课程主要以教师课堂讲授为主，通过课堂提问和课后答疑进行互动。尽管近年来通过共享优质在线教育资源，引入了线上线下混合式教学模式，但由于本课程对于学生的数学知识和自然科学知识等预备知识要求较高，学生容易产生畏难情绪，学习主动性欠缺，课堂参与度不高，缺乏广泛地互动研讨，学生学习积极性有待提高。

1.3 实践教学模式固化

在各高校普遍压缩课程学时的背景下，自动控制原理课程采用理论教学（38 学时）+实验教学（10 学时）的培养模式，在培养模式中，重理论、轻实践的现象依然存在。在教学过程中缺少理论与工程背景相结合，从而导致学生缺乏对工程问题的深入认知。新的教学大纲调整后，尽管每一章后面增设了Matlab/Simulink 仿真验证环节可以有效地帮助学生对控制理论相关知识有更深入的认识，但仅停留在仿真层面，没有将工程实践与控制理论结合起来。在实验教学中，以验证性实验居多，创新性实验偏少。这种传统的培养模式，不利于学生对复杂工程问题的理解，也不符合新工科对创新型、实践型人才的培养要求。如何在有限的学时内让学生掌握自动控制基础知识和相关技能、具备设计控制系统的能力是本课程的核心教学任务，是教学改革的主要目标。

2 教学改革措施

2.1 修订教学大纲

以新工科为背景，以培养交叉型、创新型和实践型人才为目标，将课程思政融入教学中，从山西农业大学电气工程及自动化专业最新人才培养目标和毕业要求出发，结合课程专业特点综合考虑，明确本课程所支撑的毕业要求指标点，据此确定本课程的4 个培养目标[9]。课程目标对毕业要求的支撑矩阵如表1 所示。在此基础上，确定课堂教学内容、实验内容、教学策略及课程教学目标达成考核评价方式，从而完成教学大纲的修订。

2.2 教学内容改革

以新工科为契机，根据新的教学大纲，对教学内容进行整合、梳理、更新。对原教学内容进行梳理，以系统建模、系统分析、系统设计和系统应用为主线，将经典控制理论部分整合为自动控制系统基本概念、控制系统数学模型、线性系统时域分析法、线性系统根轨迹法、线性系统频域分析方法和线性系统校正方法6 大块内容。深入挖掘思政元素，将思政教育贯穿全程。通过不同时期我国自动控制理论发展的典型人物和案例，引导学生思考、体会我国在自动控制领域取得的成就，深刻体会到专业知识的应用与专业发展前景，树立努力学习、科技报国的理想。通过“稳定性”的概念，引导学生意识到现在的幸福生活得益于社会稳定，从而启发学生身体力行，从我做起，为班级、社会稳定做出自己的贡献[10]。

针对各个章节内容，增加该领域的最新研究进展，将专业领域前沿知识带进课堂，激发学生的学习兴趣。在反馈控制部分，添加神州十六号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道与空间站组合体对接；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确进入预定轨道并回收；现代化生产流水线上的装配机器人将零件精确安装等[11]。在控制系统数学模型部分，添加智能电网控制系统，将电路、复变函数、数学和物理知识综合起来，体现多学科交叉融合的特点。在控制系统分析与设计校正部分，添加温室小气候监测与控制系统，如图1 所示，将农业工程与电气工程交叉融合，科研融入教学。

2.3 教学方式改革

新工科专业要求注重提高学生的学习兴趣、参与度、学习效果和能力的培养，在原有的教师课堂板书讲授的基础上，充分利用现代化智慧教室的优势，开展多样化的教学方式改革[6]。

（1）开展案例式教学。自动控制原理课程具有较强的抽象性和理论性，为了帮助学生更好地掌握自动控制的基本理论和分析设计方法，为今后从事自动化领域应用打下坚实的基础，针对学生考研和就业的不同需求，将团队教师的科研项目融入教学案例设计，典型案例教学设计如图2 所示。

（2）小组合作学习。将学生分为若干小组，每组布置一道包含多个知识点的综合性题目，学生课下通过查阅文献、软件建模完成，课堂选派一名代表上台展示，据此打分作为学生平时成绩的一部分。如给出一个实际控制系统，要求设计校正装置，使系统满足一定的性能指标（相角裕度、稳态误差、截止频率等）。学生需要查阅资料对控制系统建模，选择校正装置，计算性能指标等，还要使用Matlab/Simulink 软件对校正前后进行仿真对比。这个过程将复杂工程问题逐层分解，运用不同的学科知识来解决，既提高了学生的学习参与度，又体现了新工科多学科交叉融合的特征，提升了学生解决复杂问题的能力。

（3）混合式教学。新工科人才培养面临严重的自动控制原理等专业课程课时不足问题，通过在学习通平台建课，由团队教师主讲，建立精品课程资源，将线上教学和线下教学作为互相补充的两个部分，形成课前预习、课中认真听课、课后复习的培养模式。一方面通过线上学习提高课堂教学的效率，将经典控制理论的25 个知识点通过课程团队教师研讨在学习通平台建课，提前发布教学资源，以此作为学生课前预习课后复习的参考。另一方面，线下课堂集中讲授，更加形象直观地突出强调重点和难点，能进一步加深学生对自动控制原理基础知识的掌握，有助于培养学生用自动控制知识解决工程复杂问题能力。

2.4 实践教学模式改革

为了适应新工科背景下人才培养实践性的要求，有效培养学生解决复杂工程问题的能力，提高学生的创新创业能力，对原有的自动控制实践教学模式进行了创新。①打破原有实验教学模式，在完成原有验证性实验的基础上，增加设计性、创新性和综合性实验。在人才培养方案的修订中，增设自动控制原理课程设计环节。②鼓励学生参加学科竞赛，如数学建模大赛、全国大学生电子设计竞赛、大学生工程实践与创新能力大赛。理论联系实际，以赛促学，开展实践能力、应用能力和专业素养的培养[6]。③通过与国网山西电力太谷分公司、平遥减速器厂、中国一拖集团合作，建立了产学研实践平台，为新工科人才培养提供了有利条件。带领学生参观企业实验室，邀请企业一线工程师讲解，并鼓励学生参与解决企业实际工程问题。

3 实践效果

新工科背景下，对自动控制原理课程进行教学改革以来，取得了一系列教学成果。近3 年来，农业电气化专业获批山西省高校一流专业建设点，自动控制原理课程获批校级一流本科课程，拟申报省级一流精品课程。团队教师获批省级教改项目3 项，校级教改项目1 项。学生学习积极性和主动性都有了较大提升，课堂参与度高，对知识点的掌握牢固，考试不及格率低，能灵活地运用自动控制理论的知识解决电气工程、农业工程领域相关问题。近3 年的教学成果数据统计，学生参加“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生数学建模竞赛、全国大学生电子设计竞赛、中国无人机与机器人应用大赛及中国大学生工程实践与创新能力大赛等多项竞赛活动并获得优异成绩。2021 届学生考研升学率34.00%；2022 届学生考研升学率27.59%，就业率近90%；2023 届学生考研升学率21%，就业率79%。学生毕业大多赴国家电网或电力工程相关企业工作，成为电力行业的技术骨干。

4 结束语

本研究以新工科背景下对人才培养的需求为导向，针对农业院校自动控制原理课程教学中存在的不足，重新修订教学大纲，对本课程的教学内容、教学方式、实践教学模式进行了教学改革探究。构建了具有前沿性、多学科交叉融合的教学内容，开展了多样化教学方式，激发了学生学习兴趣，提高了学生学习积极性和主动性。构建了新的实践教学模式，提高了学生分析与解决复杂工程问题能力、实践能力和创新创业能力，增加了实践育人水平，为新工科背景下兄弟院校自动控制原理课程教学改革提供参考。

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