程文雅，余夢璐，張 凡，郭洪佚

（西南交通大學 希望學院，四川 成都 610400）

1 課程的定位和特點

“自動控制原理”是所有本科院校自動化類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，也是考研初試重點考察的專業(yè)課科目之一。但是，建筑電氣與智能化專業(yè)有著與其他自動化專業(yè)顯著的特征，因此，“自動控制原理”也成為該專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。針對專業(yè)自身的特點，重點結(jié)合建筑的應用背景，在智能建造的大環(huán)境下，使學生掌握基本的理論知識，并在各種工程實際中去體會控制的思想，通過改進優(yōu)化控制的方案，使得建筑的環(huán)境更加智慧更加舒適。該課程是一門交叉的學科，涵蓋的知識面廣，內(nèi)容錯綜復雜，基礎概念多且抽象，研究內(nèi)容寬泛，要求學生具備良好的數(shù)學基礎，例如：高等數(shù)學、線性代數(shù)、復變函數(shù)、大學物理等知識。因此，學生最初接觸該課程會覺得晦澀難懂，抽象復雜，教師教學難度較高。但是該課程在整個課程體系中有著承上啟下的作用[1]，不僅為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定基礎，而且對于培養(yǎng)學生的邏輯思維、提高分析問題和解決問題的能力有著深遠的意義。此外，為適應新一輪科技革命，支撐科技創(chuàng)新，服務“中國制造2025”，2017 年教育部提出新工科建設方案，將具有較強工程實踐能力，創(chuàng)新思維能力的應用型人才作為新時代高校工科學生人才培養(yǎng)的基本要求[2]。因此，該文積極探索教育教學的改革和創(chuàng)新，細化教學目標，改進教學方法，優(yōu)化教學內(nèi)容，豐富評價體系，力求做到在知識傳授過程中即包含顯性教育又包含隱性教育，將思政元素融入教學，真正實現(xiàn)潤物細無聲，引領學生的價值觀，塑造學生品質(zhì)，培養(yǎng)應用型人才。

2 教學方法的優(yōu)化

針對本類院校學生的特點和課程本身公式比較多，推導過程復雜，概念抽象等特點，在課程建設的過程中，探索多種教學方法，優(yōu)化教學過程。

2.1 理論講解加例證

由于自動控制課程內(nèi)容的概念多且抽象，在講解理論知識的時候，借助網(wǎng)絡視頻和音頻動畫，使學生更加清晰直觀的體會控制的實現(xiàn)過程。借助生活中的典型案例，引導學生思考，建立感性認識。進而從基本概念入手，通過講解加例證的方法，逐步深入，在例證中剖析教學內(nèi)容。各部分理論知識講解完之后輔助以真實的應用案例來加強理解。例如在講解開環(huán)控制的概念和功能后，列舉全自動洗衣機的工作模式，幫助學生深刻的體會開環(huán)控制的優(yōu)缺點。最后以任務的形式驅(qū)動學生自主學習，加以鞏固。布置任務，讓學生找尋課程內(nèi)容相關的控制案例，分析其規(guī)律，以小組的形式在課堂上匯報分享。此過程不僅能加深學生對學科知識的理解，也進一步提高其查詢資料和制作PPT的能力，促進小組成員之間的分工合作。該種方式能夠提高學生的學習興趣和課堂參與度。

2.2 滲透式

本課程的公式雖然多，但是有其自身的特點，公式本身都具有物理意義。所以在講授課程的過程中，注重闡釋其蘊含的物理意義。在備課之前，先將本節(jié)課用到的基礎理論和基礎公式總結(jié)出來，以儲備知識的形式帶領學生重新回顧學習，將公式的基本物理概念和原理滲透到教學過程中。進而本課程教學用到相應公式時，學生能夠清晰理解公式推導之間的變換關系，以及相應的結(jié)論對應的物理意義。哪些參數(shù)決定系統(tǒng)的哪項性能，使得分析設計系統(tǒng)和改進系統(tǒng)性能時更加有的放矢。

2.3 以賽促學

教學過程設置情景，每個情景都是完整的工作過程，情景設計由簡單到復雜，由單一到綜合，逐層推進。學生通過學習不同的應用情境，不僅能加深對本課程理論知識的理解，而且還可以了解工程的一般設計思路和實現(xiàn)過程。借助四川省機器人大賽、全國大學生智能汽車競賽、電子設計競賽等相關的比賽，以賽促學的方式加強學生的實踐鍛煉，激發(fā)學生潛在的創(chuàng)造力，提升學生綜合運用學科知識的能力。最終，使學生在比賽創(chuàng)設的復雜情境中解決實際問題。

2.4 虛擬實驗和現(xiàn)實模擬相結(jié)合

將教學過程與MATLAB 仿真工具相結(jié)合，進行虛擬仿真實驗教學。MATLAB 是一種面向科學與工程計算的高級語言，它的編程簡單，易學易懂，也被稱為草稿式的科學算法語言。內(nèi)部包含豐富的函數(shù)庫以及SIMULINK 工具箱[3]。通過該軟件老師可以演示較復雜的控制系統(tǒng)，學生也可以課后獨立操作，通過虛擬仿真實驗，生動直觀的觀察系統(tǒng)的響應曲線，分析實驗結(jié)果，驗證控制規(guī)律。在課程建設過程中，注重實驗室的建設，搭建現(xiàn)實的實驗環(huán)境。借助自控實驗箱，學生可以在現(xiàn)實的操作面板上實現(xiàn)典型環(huán)節(jié)的連接、溫度閉環(huán)控制的實驗、直流電機調(diào)速實驗、PID 控制算法實驗等。通過模擬仿真和現(xiàn)實實驗相結(jié)合的方式，學生不僅能夠在現(xiàn)實條件下實現(xiàn)經(jīng)典的控制方案，也可以通過仿真驗證復雜高階系統(tǒng)的性能，進而更加系統(tǒng)全面的掌握學科內(nèi)容。

3 教學內(nèi)容的改進

“自動控制原理”是一門理論性、綜合性、實踐性強的課程。為了使課程更適合建筑電氣專業(yè)的學生，我們秉承“夠用”原則，確立了基礎理論、系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析的四個模塊的體系。在教學改進上，突出控制理論的物理概念以及智能化的工程應用背景，淡化數(shù)學證明過程，注重實際應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

3.1 注重工程應用背景

在教學內(nèi)容上，選取控制對象的時候，偏重選擇智慧建筑的物理量控制，更加凸顯專業(yè)特色。例如進行系統(tǒng)分析時，主要圍繞穩(wěn)定性、快速性和準確性這三個指標。無論是時域分析還是頻域分析核心的主題都是這三個指標的優(yōu)劣。在教學中選取實際工程應用的控制參數(shù)，先帶領學生分析工程原理，了解控制需求，建立模型，分析實現(xiàn)過程。例如恒溫恒濕空調(diào)機的控制，分析其溫度和濕度的控制原理，建立模型，在節(jié)能的需求下如何實現(xiàn)空氣參數(shù)快速調(diào)節(jié)且準確的維持在設定值附近。又例如在電梯運行控制中，如何控制電動機的轉(zhuǎn)速，保證電梯運行的平穩(wěn)定和快速性等。在豐富的工程案例中，使學生帶著問題學習，主動尋找解決方法，積極思索，激發(fā)學生的學習興趣，提高工程實踐能力，強化學以致用的思維。

3.2 挖掘教學素材

在專業(yè)知識的傳授基礎上，塑造學生的價值觀。深度挖掘課程中的思政元素，踐行立德樹人的培養(yǎng)模式。將每個章節(jié)中專業(yè)知識與思政元素有機結(jié)合在一起，促進知識和價值的雙重引領。

教學案例設計如下：

3.2.1 基礎理論部分

該部分主要是講解控制理論的發(fā)展以及基本的概念，自動控制是脫離了人工控制，自動實現(xiàn)某種規(guī)律運行的方式。在實現(xiàn)過程中有由簡單到復雜，從最初的開環(huán)控制，到經(jīng)典的反饋控制，以及復合控制的實現(xiàn)。在控制方式的改進中，體現(xiàn)出發(fā)展的觀點，尤其是反饋控制，將輸出的效應加入控制的調(diào)整中。這就指導我們用發(fā)展的眼光看待問題，不能固化思想，一成不變，刻舟求劍。在生活中無論做什么事情，要時刻關注結(jié)果的輸出，如果效果不理想，及時調(diào)整方案。老師在教學過程中，要多關注學生的接受程度，及時調(diào)整授課方法和進度。對學生而言，引導學生用聯(lián)系和發(fā)展的觀點來規(guī)劃自己的人生，遇到挫折不放棄，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整思路，改變策略。

3.2.2 系統(tǒng)建模

該部分的內(nèi)容主要是通過分析控制對象的特征和原理，建立相應的數(shù)學模型。建模的目的就是剖開現(xiàn)象分析其中蘊含的原理，在分析不同對象的過程中，引導學生總結(jié)得出截然不同的系統(tǒng)最終建立起的模型卻是相同的，通過分析模型中各個參數(shù)的影響，來指導不同的系統(tǒng)的設計。通過舉例，驗證不同的系統(tǒng)建立相同的模型，進而凸顯馬克思原理中善于抓住核心問題，分析主要矛盾，圍繞事物的本質(zhì)特征，分析一般規(guī)律。例如：彈簧控制系統(tǒng)和RLC 振蕩電路，從表面看是兩個完全不同的系統(tǒng)，但分析原理建立起的模型都是二階控制系統(tǒng)。以實際案例來啟發(fā)學生在生活中不要被林林總總的現(xiàn)象迷失雙眼，善于剖開現(xiàn)象分析事物的本質(zhì)，總結(jié)一般規(guī)律。在學習中要善于舉一反三，對于核心知識點要掌握牢固。

3.2.3 時域分析

該部分的內(nèi)容主要是在直觀的時間域中，評估系統(tǒng)的各項性能指標。系統(tǒng)最首要的性能指標就是穩(wěn)定性，在這個基礎上，爭取更快更準確。穩(wěn)定性、快速性、準確性，這三個指標之間卻相互制約相互矛盾。例如：如果過度追求響應速度，則準確性就無法保證。過度關注穩(wěn)定性，系統(tǒng)的反應過程就會過長。通過二階系統(tǒng)在階躍信號作用下不同阻尼比的響應曲線，系統(tǒng)的綜合性能最優(yōu)的狀態(tài)下，得出最佳阻尼比。這就啟發(fā)我們在做事情的時候需要綜合考慮影響因素，達到一個最優(yōu)解的狀態(tài)。對教師的啟發(fā)，教學時適當增加作業(yè)的難度會激發(fā)學生的學習動力，但是如果難度過大，就會抑制學生的熱情。對學生，引導學生把握“度”的概念，綜合分析各種影響因素，不能過度追求單項指標，合理的安排自己的學習和娛樂，使自己的狀態(tài)達到優(yōu)化的狀態(tài)。

3.2.4 頻域分析

該部分的內(nèi)容主要是在正弦信號作用下，分析頻率范圍從0-∞變化下系統(tǒng)的性能特征，該部分的圖形和公式比較復雜。為了在有限的坐標段內(nèi)，更多表達出曲線的特征，科學家伯德積極探索，對坐標軸進行變換，運用半對數(shù)坐標系。將線性坐標軸變換為以對數(shù)刻度的橫坐標，實現(xiàn)了坐標軸10 倍頻程的拓展，進而在有限的圖幅上既能展現(xiàn)低頻段、中頻段的頻率特征，也能呈現(xiàn)出高頻段的特性。這部分的教學啟發(fā)我們通往成功的路徑不是唯一的，在做事情的時候要發(fā)散思維，發(fā)揮主觀能動性，另辟蹊徑。引導學生積極思索，激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的精神，樹立民族自信心，樹立“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的飛躍的信念和決心。

4 教學評價

教學評價過程中，除了采用多元評價、過程性評價外，為了提高學生學習的積極性，加強課程的趣味性，增加了開放性的評價元素，以小論文[4]的形式呈現(xiàn)，主題不限，可以是自控領域杰出科學家的事跡、自控最新的技術發(fā)展、智能制造紀錄片等，內(nèi)容必須跟本課程相關，需體現(xiàn)自動控制的工程應用以及所蘊含的科學道理，或者是自身學習過程中的感悟。本課程最終的考核方式采用期末（占比50%）、平時成績（占比30%，包括考勤，課堂表現(xiàn)，小組匯報，作業(yè)）、實驗分析（占比15%）、思政元素（5%，小論文）、加分項目（0-10 分，學科競賽的參與度和成果）。

5 結(jié)語

針對建筑電氣與智能化專業(yè)的“自動控制原理”這門專業(yè)基礎課程，教學過程秉承“夠用”的原則，將經(jīng)典的控制內(nèi)容分為基礎理論、系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析四個模塊。在授課過程中，重點突出專業(yè)特色，注重與工程應用背景相結(jié)合和工程應用案例的滲透，以建筑中的控制系統(tǒng)的典型案例來引入和闡述相關的控制概念和實現(xiàn)方法。深入挖掘教學素材和課程中的思政元素，注重學生知識和價值的雙重培養(yǎng)。采用多種教學手段，使學生積極參與到教學中。改革考核方式，多元評價相結(jié)合，注重過程考核。