摘 要： 自動(dòng)控制原理課程是山西農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)的必修課，為后續(xù)專業(yè)課奠定控制理論基本知識(shí)。以新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的交叉型、創(chuàng)新型和實(shí)踐型要求為導(dǎo)向，針對(duì)農(nóng)業(yè)院校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中存在的不足，重新修訂教學(xué)大綱，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了一系列教學(xué)改革，取得了一些效果，為新工科背景下兄弟院校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科；農(nóng)業(yè)院校；自動(dòng)控制原理；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：S24;G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）08-0138-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.023

0 引言

自動(dòng)控制原理課程是山西農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)的必修課，在培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)能力方面占有重要地位，本課程是銜接電氣工程及其自動(dòng)化方向的基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的紐帶。通過(guò)課程講授，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制理論的基本原理和應(yīng)用、控制系統(tǒng)建模方法和分析方法，并初步具備綜合設(shè)計(jì)與校正簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的能力，為后續(xù)進(jìn)行控制理論類課程學(xué)習(xí)奠定必要的基礎(chǔ)。

2017 年，教育部啟動(dòng)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，開拓了工程教育改革新路徑[1-3]。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)作為全國(guó)首批深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校，積極推進(jìn)新工科建設(shè)。2019 年10 月，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)和山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院合署改革，成立新的山西農(nóng)業(yè)大學(xué)。合署改革以來(lái)，學(xué)校在專業(yè)設(shè)置、人才培養(yǎng)模式等方面做出重要改革，切實(shí)推動(dòng)了新工科建設(shè)的步伐[3-5]。新工科具有引領(lǐng)性、交融性、創(chuàng)新性、跨界性和發(fā)展性等特征，對(duì)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等都提出了新要求，為農(nóng)業(yè)院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)的課程教學(xué)改革指明了方向[6]。

雖然自動(dòng)控制原理課程已經(jīng)調(diào)整了部分課程內(nèi)容和教學(xué)方式，但仍存在許多不足。本研究從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)模式等方面進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革，使自動(dòng)控制原理課程符合新工科提出的創(chuàng)新型、多學(xué)科交叉型、實(shí)踐型培養(yǎng)要求，使學(xué)生掌握新工科領(lǐng)域前沿知識(shí)、多學(xué)科交叉復(fù)合知識(shí)，具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，為新工科背景下兄弟院校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革提供參考。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 教學(xué)內(nèi)容偏理論，學(xué)科交叉較少

自動(dòng)控制原理課程具有理論性強(qiáng)、抽象概念及分析方法多等特點(diǎn)。經(jīng)典控制理論部分主要講自動(dòng)控制一般概念、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)時(shí)域分析法、線性系統(tǒng)根軌跡法、線性系統(tǒng)頻域分析法及自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正，課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，理論推導(dǎo)偏多。自動(dòng)控制原理課程涉及高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路、模擬電子技術(shù)及Matlab 程序設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)，受到傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和壓縮課時(shí)的限制，對(duì)于控制理論和電氣工程、農(nóng)業(yè)工程相關(guān)學(xué)科的結(jié)合較少，學(xué)科交叉融合未能得到充分體現(xiàn)[7-8]。教學(xué)內(nèi)容缺乏新意，對(duì)于自動(dòng)控制理論在我國(guó)國(guó)防、現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航天等領(lǐng)域的研究進(jìn)展講解較少，沒(méi)有將控制工程前沿領(lǐng)域知識(shí)引入課堂。

1.2 教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理課程主要以教師課堂講授為主，通過(guò)課堂提問(wèn)和課后答疑進(jìn)行互動(dòng)。盡管近年來(lái)通過(guò)共享優(yōu)質(zhì)在線教育資源，引入了線上線下混合式教學(xué)模式，但由于本課程對(duì)于學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)和自然科學(xué)知識(shí)等預(yù)備知識(shí)要求較高，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)主動(dòng)性欠缺，課堂參與度不高，缺乏廣泛地互動(dòng)研討，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有待提高。

1.3 實(shí)踐教學(xué)模式固化

在各高校普遍壓縮課程學(xué)時(shí)的背景下，自動(dòng)控制原理課程采用理論教學(xué)（38 學(xué)時(shí)）+實(shí)驗(yàn)教學(xué)（10 學(xué)時(shí)）的培養(yǎng)模式，在培養(yǎng)模式中，重理論、輕實(shí)踐的現(xiàn)象依然存在。在教學(xué)過(guò)程中缺少理論與工程背景相結(jié)合，從而導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)工程問(wèn)題的深入認(rèn)知。新的教學(xué)大綱調(diào)整后，盡管每一章后面增設(shè)了Matlab/Simulink 仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)可以有效地幫助學(xué)生對(duì)控制理論相關(guān)知識(shí)有更深入的認(rèn)識(shí)，但僅停留在仿真層面，沒(méi)有將工程實(shí)踐與控制理論結(jié)合起來(lái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)偏少。這種傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式，不利于學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的理解，也不符合新工科對(duì)創(chuàng)新型、實(shí)踐型人才的培養(yǎng)要求。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握自動(dòng)控制基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)技能、具備設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力是本課程的核心教學(xué)任務(wù)，是教學(xué)改革的主要目標(biāo)。

2 教學(xué)改革措施

2.1 修訂教學(xué)大綱

以新工科為背景，以培養(yǎng)交叉型、創(chuàng)新型和實(shí)踐型人才為目標(biāo)，將課程思政融入教學(xué)中，從山西農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)最新人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求出發(fā)，結(jié)合課程專業(yè)特點(diǎn)綜合考慮，明確本課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，據(jù)此確定本課程的4 個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)[9]。課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐矩陣如表1 所示。在此基礎(chǔ)上，確定課堂教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)策略及課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成考核評(píng)價(jià)方式，從而完成教學(xué)大綱的修訂。

2.2 教學(xué)內(nèi)容改革

以新工科為契機(jī)，根據(jù)新的教學(xué)大綱，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合、梳理、更新。對(duì)原教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用為主線，將經(jīng)典控制理論部分整合為自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)時(shí)域分析法、線性系統(tǒng)根軌跡法、線性系統(tǒng)頻域分析方法和線性系統(tǒng)校正方法6 大塊內(nèi)容。深入挖掘思政元素，將思政教育貫穿全程。通過(guò)不同時(shí)期我國(guó)自動(dòng)控制理論發(fā)展的典型人物和案例，引導(dǎo)學(xué)生思考、體會(huì)我國(guó)在自動(dòng)控制領(lǐng)域取得的成就，深刻體會(huì)到專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用與專業(yè)發(fā)展前景，樹立努力學(xué)習(xí)、科技報(bào)國(guó)的理想。通過(guò)“穩(wěn)定性”的概念，引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到現(xiàn)在的幸福生活得益于社會(huì)穩(wěn)定，從而啟發(fā)學(xué)生身體力行，從我做起，為班級(jí)、社會(huì)穩(wěn)定做出自己的貢獻(xiàn)[10]。

針對(duì)各個(gè)章節(jié)內(nèi)容，增加該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，將專業(yè)領(lǐng)域前沿知識(shí)帶進(jìn)課堂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在反饋控制部分，添加神州十六號(hào)載人飛船與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道與空間站組合體對(duì)接；無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行；人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收；現(xiàn)代化生產(chǎn)流水線上的裝配機(jī)器人將零件精確安裝等[11]。在控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型部分，添加智能電網(wǎng)控制系統(tǒng)，將電路、復(fù)變函數(shù)、數(shù)學(xué)和物理知識(shí)綜合起來(lái)，體現(xiàn)多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)。在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)校正部分，添加溫室小氣候監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，如圖1 所示，將農(nóng)業(yè)工程與電氣工程交叉融合，科研融入教學(xué)。

2.3 教學(xué)方式改革

新工科專業(yè)要求注重提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、參與度、學(xué)習(xí)效果和能力的培養(yǎng)，在原有的教師課堂板書講授的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代化智慧教室的優(yōu)勢(shì)，開展多樣化的教學(xué)方式改革[6]。

（1）開展案例式教學(xué)。自動(dòng)控制原理課程具有較強(qiáng)的抽象性和理論性，為了幫助學(xué)生更好地掌握自動(dòng)控制的基本理論和分析設(shè)計(jì)方法，為今后從事自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，針對(duì)學(xué)生考研和就業(yè)的不同需求，將團(tuán)隊(duì)教師的科研項(xiàng)目融入教學(xué)案例設(shè)計(jì)，典型案例教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

（2）小組合作學(xué)習(xí)。將學(xué)生分為若干小組，每組布置一道包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合性題目，學(xué)生課下通過(guò)查閱文獻(xiàn)、軟件建模完成，課堂選派一名代表上臺(tái)展示，據(jù)此打分作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的一部分。如給出一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)，要求設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)滿足一定的性能指標(biāo)（相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、截止頻率等）。學(xué)生需要查閱資料對(duì)控制系統(tǒng)建模，選擇校正裝置，計(jì)算性能指標(biāo)等，還要使用Matlab/Simulink 軟件對(duì)校正前后進(jìn)行仿真對(duì)比。這個(gè)過(guò)程將復(fù)雜工程問(wèn)題逐層分解，運(yùn)用不同的學(xué)科知識(shí)來(lái)解決，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，又體現(xiàn)了新工科多學(xué)科交叉融合的特征，提升了學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

（3）混合式教學(xué)。新工科人才培養(yǎng)面臨嚴(yán)重的自動(dòng)控制原理等專業(yè)課程課時(shí)不足問(wèn)題，通過(guò)在學(xué)習(xí)通平臺(tái)建課，由團(tuán)隊(duì)教師主講，建立精品課程資源，將線上教學(xué)和線下教學(xué)作為互相補(bǔ)充的兩個(gè)部分，形成課前預(yù)習(xí)、課中認(rèn)真聽課、課后復(fù)習(xí)的培養(yǎng)模式。一方面通過(guò)線上學(xué)習(xí)提高課堂教學(xué)的效率，將經(jīng)典控制理論的25 個(gè)知識(shí)點(diǎn)通過(guò)課程團(tuán)隊(duì)教師研討在學(xué)習(xí)通平臺(tái)建課，提前發(fā)布教學(xué)資源，以此作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)課后復(fù)習(xí)的參考。另一方面，線下課堂集中講授，更加形象直觀地突出強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和難點(diǎn)，能進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，有助于培養(yǎng)學(xué)生用自動(dòng)控制知識(shí)解決工程復(fù)雜問(wèn)題能力。

2.4 實(shí)踐教學(xué)模式改革

為了適應(yīng)新工科背景下人才培養(yǎng)實(shí)踐性的要求，有效培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，對(duì)原有的自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了創(chuàng)新。①打破原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在完成原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)。在人才培養(yǎng)方案的修訂中，增設(shè)自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。②鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，如數(shù)學(xué)建模大賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽。理論聯(lián)系實(shí)際，以賽促學(xué)，開展實(shí)踐能力、應(yīng)用能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。③通過(guò)與國(guó)網(wǎng)山西電力太谷分公司、平遙減速器廠、中國(guó)一拖集團(tuán)合作，建立了產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐平臺(tái)，為新工科人才培養(yǎng)提供了有利條件。帶領(lǐng)學(xué)生參觀企業(yè)實(shí)驗(yàn)室，邀請(qǐng)企業(yè)一線工程師講解，并鼓勵(lì)學(xué)生參與解決企業(yè)實(shí)際工程問(wèn)題。

3 實(shí)踐效果

新工科背景下，對(duì)自動(dòng)控制原理課程進(jìn)行教學(xué)改革以來(lái)，取得了一系列教學(xué)成果。近3 年來(lái)，農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)獲批山西省高校一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，自動(dòng)控制原理課程獲批校級(jí)一流本科課程，擬申報(bào)省級(jí)一流精品課程。團(tuán)隊(duì)教師獲批省級(jí)教改項(xiàng)目3 項(xiàng)，校級(jí)教改項(xiàng)目1 項(xiàng)。學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性都有了較大提升，課堂參與度高，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握牢固，考試不及格率低，能靈活地運(yùn)用自動(dòng)控制理論的知識(shí)解決電氣工程、農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題。近3 年的教學(xué)成果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)無(wú)人機(jī)與機(jī)器人應(yīng)用大賽及中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽等多項(xiàng)競(jìng)賽活動(dòng)并獲得優(yōu)異成績(jī)。2021 屆學(xué)生考研升學(xué)率34.00%；2022 屆學(xué)生考研升學(xué)率27.59%，就業(yè)率近90%；2023 屆學(xué)生考研升學(xué)率21%，就業(yè)率79%。學(xué)生畢業(yè)大多赴國(guó)家電網(wǎng)或電力工程相關(guān)企業(yè)工作，成為電力行業(yè)的技術(shù)骨干。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究以新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的需求為導(dǎo)向，針對(duì)農(nóng)業(yè)院校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中存在的不足，重新修訂教學(xué)大綱，對(duì)本課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了教學(xué)改革探究。構(gòu)建了具有前沿性、多學(xué)科交叉融合的教學(xué)內(nèi)容，開展了多樣化教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。構(gòu)建了新的實(shí)踐教學(xué)模式，提高了學(xué)生分析與解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，增加了實(shí)踐育人水平，為新工科背景下兄弟院校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革提供參考。

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