面向新工科的控制理论课程群建设与教学改革

赵 磊，郭一军，胡娟 

（黄山学院，机电工程学院，安徽 黄山 245041）

[摘  要]控制理论作为自动化技术和控制工程的理论基础，学生对其掌握的如何直接影响着后续课程的学习。针对控制理论课程在教学中存在的问题，依托课程群建设思路，通过优化课程内容，重构实验项目，深化教学改革等渠道，提升工程创新能力培养在控制理论课程教学中的重要性，探索出控制理论课程教学的新模式。

[关键词]新工科；自动化专业；控制理论；创新能力

[基金项目] 2017年安徽省省级新工科研究与实践项目：面向新经济的酒店工程自动化特色方向人才培养模式的研究与实践(2017xgkxm45)；2016年校级教研项目：“卓越计划”背景下的控制理论模块工程创新能力培养实践(2016JXYJ24)；2018年安徽省省级教研项目：以应用型人才培养为目标的《单片机原理及应用》课程教学研究与实践(2018jyxm1247)。

[作者简介]赵  磊(1981-)，男(汉族)，山西长治人，讲师、工学硕士，研究方向：多智能体系统控制；郭一军(1977-)，男(汉族)，浙江金华人，副教授、工学博士，研究方向：机器人智能控制；胡  娟(1989-)，女(汉族)，安徽黄山人，助理实验师、工学硕士，研究方向：电气开关控制。

[中图分类号]G642.0    [文献标识码]A       [文章编号]JYJXLT-20-4-13-21-1-2-91    

1 背景

随着新一轮科技革命和产业变革加速推进，传统工程教育供给与产业发展需求脱节，产教融合不够深入，工程教育实践环节薄弱。为应对这一挑战，主动服务国家创新驱动发展、“中国制造2025”和“互联网+”等重大战略，加快工程教育供给侧改革，教育部经过一系列研讨^[1-3]，提出了“新工科”建设计划。其目的是将“新技术、新产业、新业态、新模式”为特征的新经济对专业人才的新要求引入人才培养，凝练专业人才培养方案，进一步推动课程内容的重组和优化，将行业的新动态，专业的新成果融入课程教学过程中。

自动化专业作为一门工程技术学科^[4]，旨在从技术与工程角度，将自动化科学技术的原理和方法转换为工程技术，培养具有扎实的控制理论与工程基础知识，具有较强社会责任感、创新创业精神和实践能力，能在运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表等领域现场从事产品的生产、营销、服务和应用设计或工程项目的施工、运行、维护和应用设计的工程师后备人才。控制理论作为自动化技术和控制工程的理论基础，在自动化专业人才培养过程中起着非常重要的作用^[5-6]。本文以黄山学院自动化专业为研究对象，以“新工科”为契机，针对控制理论课程群存在的问题，从课程群建设思路、课程内容优化和教学改革实践等方面进行阐述。

2 课程群存在的问题

控制理论课程群包含学科专业基础课和专业选修课，目前开设的该类课程包括：自动化学科概论、自动控制理论Ⅰ、自动控制理论Ⅱ、现代控制理论、自动控制系统仿真，基于网络的智能控制和先进控制理论等专业理论课和相关实验课。我校自动化专业定位为应用型工科专业，但在以往的控制理论课程教学过程中，往往忽视了控制理论源于工程技术又要用于工程实际中去的浓厚工程背景，偏离了课程要培养工程意识和工程能力的教学目标，现存在着一些问题：

（1）控制理论课程知识体系内容逻辑性和理论性都很强，对数学和物理等基础要求较高。同时，任课教师多数都是从学生直接转换成教师，没有实际工程背景，教师之间也缺少互相沟通交流，忽视课程之间的承接与联系，从而导致各课程内容重复交叉，教学内容体系较为陈旧，教学过程中工程应用实例结合较少，致使学生理解困难。

（2）在控制理论课程的教学中大多采用教师主导模式，以数学推导为主要手段，紧紧围绕教材进行讲授式教学。虽然利用现代多媒体辅助教学，但也只是PPT课件的播放。至于课堂笔记、课后答疑与作业均流于形式，难以实时有效提高学生自主学习的积极性。

（3）多数学生和部分教师未能把实验教学和课堂教学放到同等地位，对实验教学管理松懈，要求不高，创新实验能力培养不足。实验项目设计过于依赖以实验设备说明书，验证型实验过多，综合型、设计型实验缺乏。实验安排过于死板，不能为学生提供自主设计和独立思考的时间和空间。   

3 课程群建设思路与教学改革

3.1 课程群建设思路

根据新工科建设要求和自动化专业的培养目标，以资源整合、共享为原则，注重工程能力培养，控制与系统结合、专业与思政结合、教学与科研结合、理论与实践结合、课内与课外结合、工程素质与创新能力培养结合的指导思想。以新工科和省一流专业建设为推手，围绕培养目标，对原有课程体系进行优化与整合，改革教学方法与手段，构建创新实践平台，工程创新能力培养的建设思路，将人工智能、大数据、云计算、物联网、5G通信等新一代信息技术融入到控制理论课程教学中，充分体现面向工程、夯实基础、强化能力、提升创新的教育理念。以基于学习产出的教学模式为导向，把教师主导的“教什么”转变为学生主体的“学到了什么”，将课堂教学回归主体，形成一个闭环驱动的教学运行系统。

3.2 教学内容的整合优化

（1）根据课程群建设思路和理念，对原有的课程内容进行整合与优化，精简理论课程时数。7门理论课程中，将“自动化学科概况”课程由16课时减少为8课时，删除自动控制系统描述与模型构建部分，重点回答“什么是自动化？自动化能干什么？自动化专业要学什么？”，使学生了解自动化的作用、地位、应用领域及未来的职业方向，同时将国家近20年在现代化建设中所取得的辉煌成果，以案例的形式融合到教学中，发挥专业课程思政与思政课协同育人功能。将原“控制工程数学基础”课程中的复变函数、微分方程求解、傅里叶变换、拉普拉斯变换与“自动控制原理”课程中的自动化的基本原理、控制系统的数学模型进行调整优化，设置为“自动控制理论Ⅰ”，简化数学推导，把数学公式工程化，同时将钱学森先生事迹和《工程控制论》融入到教学中。将原“自动控制原理”课程中的时域分析法、根轨迹分析法、频率分析法、系统的校正方法、离散系统的分析与校正整合，设置为“自动控制理论Ⅱ”，简化繁琐的控制方案数学推导，从工程需要与控制系统设计与调试实践中会遇到的问题出发，讲解自动控制系统的设计、建模、构建、调试以及故障排除等方法。“现代控制理论”课程重点学习线性系统理论的基础内容，删除线性时变系统和非线性系统部分，简化定理证明。“基于网络的智能控制”和“先进控制理论”作为专业任选课，将科研融入到教学中，特别是新理论、新技术及学科前沿，来提高学生的专业视野和创新动能。

（2）试验教学作为当前工程教育创新能力培养的重要环节，实验项目的设计直接影响产出的效果。控制理论课程群中，我们独立开设了“自动控制原理试验”和“现代控制理论试验”课程。传统的自动控制原理试验项目多为验证型，学生依据实验指导书上的实验步骤，形成一种依赖式的操作陋习，对工程现象不分析、不思考。根据课程群建设思路和理念，减少验证型实验，增加了综合、设计实验项目。因此，我们删除典型环节时域响应、线性系统的根轨迹分析和线性系统的频率响应三个验证型实验项目，使其用MATLAB和LabVIEW软件在课堂教学中仿真验证。通过整合自动化专业实验设备，增加单容水箱的液位控制和倒立摆PID控制器的调试两个综合实验，培养学生对控制系统设计与调试的感性认知。现代控制理论实验项目中，删除传递函数阵与状态空间表达式的转换和直线一级倒立摆的建模两个验证内容，同时以项目的形式在课堂教学中探究，增加观测器的设计及调试实验。

3.3 教学方法和手段改革

（1） 针对“自动化学科概论”课程，一改过去围绕教材讲授的不足，改为“专题讲座+热点讨论+职业规划”多种方法和手段，实现教师与学生、学生与学生、学生与环境的互动，培养学生主动学习能力和团队精神。同时，利用现代多媒体技术和互联网资源，充分调动学生的积极性和专业兴趣，使学生对自动化专业的性质特点、发展方向、相关课程及未来职业定位有一个整体性的认识和了解。

（2）探索实施主动学习和综合学习的新型“教”“学”方法，积极探索项目驱动下的启发式、探究式、讨论式、参与式教学，构建以“能力培养”为关键，“项目驱动”为手段，“学生产出”为导向，做到有组织、有计划、有步骤稳步实施。改变以往先教学后实验的教学模式，采取先做实验，后学习相关理论课程的方法，即通过实验项目驱动理论课程的学习，捆绑式使得理论与实践结合更加紧密，大幅度增加学生自主学习时间，强化自主学习、分析问题与解决问题的能力。如，将一阶倒立摆控制系统以项目的形式融入到控制理论课程教学中，从系统建模、时域分析、频率分析、PID控制设计、状态反馈、观测器设计及先进控制算法设计等全过程，系统讲授自动控制系统的设计、建模、构建、调试以及故障排除等方法，培养学生解决复杂工程问题的能力，并将这种能力的培养分解到教学的各个环节。

（3）积极推行线上线下混合式的学习方式，强调网上学习的重要性，教会学生如何利用网络资源进行学习，把以教师主导，学生主体的翻转课堂教学理念和线上教学有机结合起来。组织教师制作各类声像教学资料，积极开发具有专业特色的CAI课件，充分利用学校网络平台加强网络教学资源建设，着力建设好一批体现时代发展特点、反映自动化专业特色、适合于培养学生专业能力的特色课程、示范性课程和精品课程。目前，依托黄山学院网络教学平台，该课程群已有5门课程建设网络资源，其中自动控制理论Ⅰ、自动控制理论Ⅱ、现代控制理论等课程可以实现线上答疑、线上网络作业，网上测验等方式，调动学生的积极性。

（4）建立系统化的实践教学体系，促进学生实践能力和创新精神培养，综合运用校内外资源，通过与德国西门子股份公司共建“先进自动化技术示范实训中心”、与北京泛华恒兴科技有限公司共建“柔性测控虚拟仿真实验室”的基础上，设计满足实践教学需要的综合实验实训项目。构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台。同时，积极引导学生参加各种大学生学科竞赛，参加或组建与控制有关的专业协会，多方位、多渠道夯实学生的控制理论基础知识，提高学生的动手和工程创新能力。

4 结语

    通过对控制理论课程群的建设与教学改革，根据课程群的建设思路，优化了控制理论课程内容，设置了综合型、设计型实验项目，深化教学改革，不但巩固了学生的控制理论专业基础，具备控制工程项目综合分析和设计自动控制系统的基本能力，还将工程创新能力培养的融入到教学中，提高了应用控制理论知识解决实际问题的能力，探索出了控制理论教学的新模式。

[参考文献]

[1] 教育部高教司.“新工科”建设复旦共识[J]．高等教育研究,2017(1):10-11．

[2] 教育部高教司.“新工科”建设行动路线(“天大行动”)[J]. 高等工程教育研究，2017(4):21-25.

[3] 教育部高教司. 新工科建设指南(“北京指南”)[J]. 高等工程教育研究，2017(6):20-21.

[4] 柴天佑.自动化科学与技术发展方向[J]. 自动化学报，2018,44(11):1923-1930.

[5] 刘小河,历虹等.控制理论系列课程建设的一体化改革与实践[J]. 中国电子教育，2018(4):32-38.

[6] 常俊林,张倩,雷萌.理论与实践相融合的控制基础课程群建设[J]. 教育教学论坛，2020(6):161-162.

The Curriculum  Group Construction and Teaching Reform of Control Theory for New Engineering Disciplines

Zhao Lei，Guo Yi-jun，Hu Juan

( College of mechanical and electrical engineering, Huangshan University, Huangshan 245041,China )

Abstract: As the theoretical basis of automation technology and control engineering,control theory directly influences the following courses. In view of the problems existing in the teaching of control theory courses, the importance of the cultivation of engineering innovation capability in the teaching of control theory courses is enhanced by optimizing the course content, reconstructing experimental projects, deepening the teaching reform based on the construction idea of course group, and a new model of control theory course teaching is explored.   

Key words:new engineering disciplines; automation; control theory; innovation capability.