李慶華，楊瑞田，王升旭

（無錫學(xué)院自動化學(xué)院 江蘇 無錫 214105）

為了適應(yīng)工程領(lǐng)域人才需求，提高工程教育的質(zhì)量和效益，與工程領(lǐng)域職業(yè)資格制度相銜接，促使我國工程教育人才培養(yǎng)國際化，我國在2005 年開始構(gòu)建工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，并逐步開展專業(yè)認(rèn)證工作。目前已有不少大學(xué)的工科專業(yè)陸續(xù)通過了專業(yè)認(rèn)證，很多應(yīng)用型高校也正在不斷嘗試教學(xué)改革，希望通過專業(yè)認(rèn)證工作，建立高效的工程教育人才培養(yǎng)體系，提高工程教育質(zhì)量，提高工程教育人才培養(yǎng)對地方與區(qū)域產(chǎn)業(yè)的適應(yīng)性，為高校所在地方和區(qū)域提供更多的高素質(zhì)工程技術(shù)應(yīng)用型人才。

在應(yīng)用型本科高校教學(xué)改革的探索過程中，課程改革無疑是最關(guān)鍵的也是最難的。本文將針對應(yīng)用型本科教學(xué)的特點和要求，以無錫學(xué)院（以下簡稱“我?！保┳詣踊瘜I(yè)開設(shè)的“自動控制原理”課程為例，從工程教育“以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進”的三大基本理念出發(fā)，在剖析傳統(tǒng)教學(xué)不足的基礎(chǔ)上，以提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)及提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、分析問題與解決問題的能力、解決復(fù)雜工程問題的意識與能力為導(dǎo)向，對自動控制原理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、實踐教學(xué)及考核方式等方面進行研究探討，為工程認(rèn)證背景下的應(yīng)用型本科課程教學(xué)改革提供參考。

1 自動控制原理課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

自動控制原理課程是自動化專業(yè)最重要的專業(yè)核心課程。通過自動控制原理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生既可以掌握自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論和基本方法，又能夠獲得設(shè)計、分析控制系統(tǒng)的基本技術(shù)和基本技能。該課程不僅是后續(xù)專業(yè)課程如計算機控制技術(shù)、過程控制系統(tǒng)、運動控制等控制類專業(yè)課程的理論及方法論基礎(chǔ)，而且關(guān)乎學(xué)生專業(yè)綜合技術(shù)知識的實踐融合效果，對于應(yīng)用型本科自動化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達成至關(guān)重要。該課程理論性強、抽象，需要學(xué)生有較好的高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換的基礎(chǔ)，不易理解，學(xué)習(xí)難度大。目前我校自動化專業(yè)自動控制原理課程的教學(xué)學(xué)時為56 學(xué)時，其中8 個學(xué)時為實驗學(xué)時，學(xué)時偏少。該課程的開展包含課堂理論講授環(huán)節(jié)及實驗箱模擬仿真驗證實踐環(huán)節(jié)。學(xué)生通過課堂聽課，課后完成習(xí)題，簡單地模擬仿真來掌握課程內(nèi)容。整個教學(xué)過程沒有體現(xiàn)“以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向”的工程教育理念，沒有有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進機制。課程的學(xué)習(xí)過程中學(xué)生沒有建立整體的系統(tǒng)概念，其解決復(fù)雜工程問題的意識與能力沒有得到啟發(fā)和培養(yǎng)，不能將所學(xué)對接到實際工程應(yīng)用中去，理論與實踐脫節(jié)比較嚴(yán)重。同時，應(yīng)用型本科學(xué)生中也普遍存在著自主學(xué)習(xí)動力不足，學(xué)習(xí)能力與自我管理能力參差不齊的狀況，這很大可能導(dǎo)致教與學(xué)兩難的局面，從而導(dǎo)致課程目標(biāo)難以實現(xiàn)，學(xué)生畢業(yè)能力要求無法達成。

因此，有效的實施自動控制原理教學(xué)改革并不斷持續(xù)改進、創(chuàng)新，以實現(xiàn)該課程在專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的作用，最終使學(xué)生達成工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)能力要求，不僅是當(dāng)前應(yīng)用型本科自動化專業(yè)教學(xué)面臨的重要任務(wù)，也是非常值得深入探討的課題。

2 教學(xué)改革探討

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)應(yīng)用型本科教學(xué)要求

自動控制原理課程理論性強、概念抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計算繁多，結(jié)合無錫學(xué)院應(yīng)用型本科自動化專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，該課程的教學(xué)則需要從應(yīng)用性出發(fā)，同時考慮系統(tǒng)性，使學(xué)生在系統(tǒng)思維的前提下，既能學(xué)習(xí)掌握課程理論內(nèi)容的精髓，又能從煩瑣的公式推導(dǎo)中解放出來，理論與實踐相結(jié)合，形成工程師思維。因此，非常需要教師梳理自動控制原理課程的內(nèi)容，選擇基本實用的內(nèi)容進行教學(xué)[1]。為使專業(yè)課程體系更趨合理，課程組考慮以“系統(tǒng)理念”為主線對課程進行整合，并確保與后續(xù)專業(yè)課程的銜接和知識點的完整性，增加、壓縮和取消相關(guān)課程內(nèi)容。

關(guān)于自動控制的一般概念，內(nèi)容重點介紹自動控制的概念、反饋控制原理、自動控制系統(tǒng)組成和要求。連續(xù)線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)的時域分析方法、頻域分析法三部分內(nèi)容為課程最主要的內(nèi)容[2]。數(shù)學(xué)模型部分重點講解時域模型的一般求解方法、復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)概念與求取、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的變換與通過信號流圖求取系統(tǒng)的傳遞數(shù)。時域分析法部分，在建立系統(tǒng)時間響應(yīng)性能指標(biāo)概念的基礎(chǔ)上，典型二階系統(tǒng)的分析是最重要的內(nèi)容，是教學(xué)的重點。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的代數(shù)判據(jù)部分重點是會用勞斯判據(jù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)誤差計算部分，要在理解控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差概念的基礎(chǔ)上會求解典型信號輸入下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。頻域分析法部分，頻率特性的概念理解是后續(xù)奈氏圖繪制的基礎(chǔ)，是重點講解內(nèi)容。典型環(huán)節(jié)的奈氏圖對系統(tǒng)奈氏圖的繪制幫助不大，此部分少講，典型環(huán)節(jié)的頻率特性對后續(xù)開展伯德圖繪制影響很大，需要多講。系統(tǒng)奈氏圖和伯德圖的繪制是重點講解內(nèi)容。奈氏判據(jù)是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的圖形判據(jù)，需要重點講解，但是從如何應(yīng)用奈氏判據(jù)的角度去剖析，而對于如何得出判據(jù)的理論推導(dǎo)部分則不需要過多講解。系統(tǒng)相對穩(wěn)定性概念的建立需要通過相角裕度、幅值裕度概念來獲得，因此，這部分概念也是學(xué)生需要掌握的內(nèi)容。對于線性系統(tǒng)根軌跡部分，在介紹根軌跡的概念基礎(chǔ)上重點講授常規(guī)根軌跡繪制方法，參變量根軌跡部分重點講解向常規(guī)根軌跡繪制方法的轉(zhuǎn)換過程。線性系統(tǒng)校正方法中，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，重點介紹基于伯德圖的串聯(lián)校正方法。

2.2 創(chuàng)建多維度的分層教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量

為貫徹工程教育“以學(xué)生為中心”的理念，在專業(yè)核心課中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的意識，同時，結(jié)合前述課程教學(xué)現(xiàn)狀，考慮應(yīng)用型本科高校學(xué)生學(xué)情特點，從時間、空間、教學(xué)手段等維度進行改革，創(chuàng)建多維度的分層教學(xué)模式。

從時間和空間維度增加課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)任務(wù)，并對預(yù)習(xí)任務(wù)進行難度分層；豐富課后作業(yè)形式，對于不同訴求的學(xué)生體現(xiàn)難度、廣度差異。課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，主要是在新課開始的前一周通過“超星學(xué)習(xí)通”平臺向?qū)W生推送下一次課自動控制系統(tǒng)所需數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的知識視頻、自控系統(tǒng)基本概念的講解視頻、示例講解視頻、系統(tǒng)綜合與設(shè)計的示例視頻等，并說明難度屬于基本內(nèi)容還是擴展內(nèi)容，學(xué)生可在課堂之外的時間根據(jù)興趣預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)后的題目。對于課后作業(yè)，可根據(jù)學(xué)生的情況分梯度進行布置，為體現(xiàn)難度和廣度分為必做部分和選做部分，必做部分是必須完成，選做部分自主完成。課后作業(yè)除了完成教材或講義要求的習(xí)題，增加綜合性的大作業(yè)。我校自動控制應(yīng)用技術(shù)實驗室現(xiàn)有“電機伺服控制系統(tǒng)”自控原理實驗臺20 套，數(shù)學(xué)模型和時域分析方法教學(xué)內(nèi)容完成后，可針對電機伺服實驗系統(tǒng)開展開環(huán)速度系統(tǒng)建模、速度控制和位置控制閉環(huán)系統(tǒng)時域特性研究綜合內(nèi)容；根軌跡法、頻域分析法和校正方法的教學(xué)內(nèi)容完成后，可開展控制系統(tǒng)校正設(shè)計的綜合內(nèi)容，要求學(xué)生以2―3 人團隊的形式開展綜合性作業(yè)，一個團隊提交一份大報告。

從教學(xué)手段維度兼顧傳統(tǒng)教學(xué)手段的優(yōu)點同時引入計算機仿真輔助教學(xué)。課堂教學(xué)中，對于理論性系統(tǒng)性較強的課程，為了加強學(xué)生對理論的理解，必要的粉筆板書還是很有效果的。然而，圖文并茂的PPT 課件也是很必要的。提前準(zhǔn)備好的課件可以減少不必要的書寫時間，同時對于一些實際的示例或理論的講解，圖形和必要的文字，或者動圖，既形象又準(zhǔn)確，使學(xué)生印象深刻。因此，傳統(tǒng)板書教學(xué)與現(xiàn)代的多媒體教學(xué)恰當(dāng)結(jié)合，更能有效提高課堂教學(xué)效果。根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容的不同，增加課堂討論和課堂小測驗。比如校正設(shè)計部分，可以開展關(guān)于使系統(tǒng)既能跟蹤輸入信號又能抑制噪聲擾動信號的多種校正方法的討論，增強學(xué)生們對已學(xué)內(nèi)容理解的同時提高學(xué)生對課堂學(xué)習(xí)的興趣。課堂小測驗的開展一方面可以及時檢驗學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的效果，同時也在沒有額外占用課堂時間的情況下進行了考勤，掌握了學(xué)生課堂出勤的情況。除此之外，在課堂教學(xué)中使用MATLAB/SIMULINK 仿真軟件，側(cè)重對模擬實驗不易實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容進行仿真演示，并布置一定的綜合性課后仿真作業(yè)，一方面提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其建模、仿真、編程能力；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力和自主學(xué)習(xí)能力。

在課堂之外，為滿足學(xué)生的差異化學(xué)習(xí)訴求，錄制易錯習(xí)題講解視頻，重點工程案例講解視頻、課程實驗講解視頻等短視頻，通過“超星學(xué)習(xí)通”平臺發(fā)送給學(xué)生，供學(xué)生即時學(xué)、按需學(xué)、重復(fù)學(xué)。同時，根據(jù)課程進度開展課外測驗2―3 次，要求學(xué)生獨立完成測驗。通過測驗成績，并結(jié)合課堂學(xué)習(xí)情況，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的真實成效。對于成績不理想、學(xué)習(xí)有困難的少數(shù)學(xué)生進行單獨輔導(dǎo)，幫助這些學(xué)生提高學(xué)習(xí)成績。多維度分層教學(xué)、單獨輔導(dǎo)等課外教學(xué)過程充分體現(xiàn)了定制化教學(xué)，關(guān)注每位學(xué)生的學(xué)習(xí)達成，從而促進課程目標(biāo)的達成。

2.3 啟發(fā)式教學(xué)法與實例式教學(xué)法有機結(jié)合，打造“以學(xué)生為中心”的課堂

自動控制原理課程理論多、方法多、圖形多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，教師想教好學(xué)生往往是有難度的。傳統(tǒng)的以教師為主，學(xué)生為輔的填鴨式教學(xué)，教師是課堂的主角，學(xué)生一直是被動地接受知識，不能體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的工程教育理念，也不能取得很好的教學(xué)效果。開始一門新的專業(yè)課程總要解決“這門專業(yè)課程是講什么內(nèi)容？有什么用？”這兩個問題。我們可以找到合理的切入點，比如數(shù)控車床如何按預(yù)定的程序自動地切削工件？校園中京東無人駕駛快遞車為什么會按預(yù)定的路線自動行駛？對大家熟悉的應(yīng)用領(lǐng)域或科技感較強的生活實例進行設(shè)疑，進而抓住學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生了解課程能解決什么問題？課程目標(biāo)是什么？在專業(yè)中的意義是什么？后面的學(xué)習(xí)要求是什么？等問題，從而在后面的學(xué)習(xí)中可以主動地學(xué)、有目的地學(xué)。因此在啟發(fā)式課堂教學(xué)中，教師合理設(shè)疑，帶動學(xué)生主動釋疑，是調(diào)動學(xué)生主動思考、調(diào)節(jié)課堂教學(xué)氣氛的有效方法。

教師針對教學(xué)內(nèi)容，通過選擇合適的工程應(yīng)用實例，賦予理論物理意義，在引證時結(jié)合啟發(fā)式教學(xué)法，合理設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生討論和分析，形成自主學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)及合作學(xué)習(xí)的課堂氛圍。學(xué)生通過對工程實例的學(xué)習(xí)，對理論有了準(zhǔn)確的理解，對于后面理論的應(yīng)用也就有了較好的基礎(chǔ)。而啟發(fā)式教學(xué)，通過合理設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)問，主動思考，學(xué)生興趣濃郁，課堂變成學(xué)生為主、教師為輔的課堂。啟發(fā)式教學(xué)與實例教學(xué)有機結(jié)合，可以很好地體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的意識，提高教學(xué)效果。

2.4 改革實踐環(huán)節(jié)，體現(xiàn)應(yīng)用型本科院校辦學(xué)特色

對于應(yīng)用型本科院校而言，實踐教學(xué)是達成畢業(yè)生畢業(yè)能力目標(biāo)最有效的途徑，最體現(xiàn)應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)特色和“以畢業(yè)出口為導(dǎo)向”的工程教育理念。目前我校自控原理課程實踐環(huán)節(jié)為實驗箱模擬仿真完成對典型環(huán)節(jié)、典型二階系統(tǒng)時域特性、三階系統(tǒng)穩(wěn)定性、頻率特性等內(nèi)容的驗證，在一定程度上鍛煉學(xué)生動手操作的技能和分析問題的能力。但是，缺乏對理論與工程實踐融合的綜合實踐能力、自主實踐能力、創(chuàng)新能力等多方面能力的培養(yǎng)。

基于我校目前的實驗條件并結(jié)合未來課程實踐的發(fā)展方向，建立“實驗箱模擬基礎(chǔ)性實驗+MATLAB仿真綜合性設(shè)計實驗+基于實際電機系統(tǒng)的研究性實驗”的實驗教學(xué)模式。具體為通過我校自動控制應(yīng)用技術(shù)實驗室的MATLAB仿真平臺增加控制系統(tǒng)的綜合性設(shè)計實驗，基于自動控制應(yīng)用技術(shù)實驗室現(xiàn)有的實際的電機對象開發(fā)研究性實驗，如速度與位置系統(tǒng)校正PID 參數(shù)整定、頻域法校正實驗等。課堂之外，鼓勵教師帶領(lǐng)學(xué)生踴躍參加大學(xué)生學(xué)科競賽（比如全國大學(xué)生智能汽車競賽、西門子杯智能制造挑戰(zhàn)賽）和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃等，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與自主實踐能力。除此之外，我校與無錫知名企業(yè)——無錫信捷電氣股份有限公司、無錫新松機器人自動化有限公司等共建有產(chǎn)教融合實習(xí)實訓(xùn)基地，學(xué)生可以到企業(yè)參加實訓(xùn)，了解實際生產(chǎn)過程場景、生產(chǎn)過程中相關(guān)控制問題的解決方案，也可進入企業(yè)導(dǎo)師團隊學(xué)習(xí)、參與項目開發(fā)與課題研究，從而開闊視野，提高綜合實踐與應(yīng)用創(chuàng)新的能力。

2.5 改革考核方式，加強過程考核，促進課程目標(biāo)達成

目前我校自動控制原理課程的考核采用了結(jié)構(gòu)評分，分期末考核（占60%）和平時成績（占40%）兩部分，存在一些問題。平時成績考核方面問題相對突出，比如平時成績結(jié)構(gòu)組成不科學(xué)，學(xué)生出勤在平時成績中比重過高；平時成績平均化，平時成績在課程結(jié)束后給出，沒有學(xué)生平時成績的積分過程，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的約束力不夠。此外，平時成績反饋存在滯后性，學(xué)生難以及時和持續(xù)地優(yōu)化自身學(xué)習(xí)行為，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的正確引導(dǎo)力度不夠[3]；教師理念沒有轉(zhuǎn)變，教學(xué)實際過程中沒有切實進行過程考核，過程考核不透明不公開，學(xué)生與教師的互動少，教師對學(xué)生學(xué)情掌握不夠準(zhǔn)確。

為了全面系統(tǒng)反應(yīng)教學(xué)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與教師的教學(xué)成效，并及時形成對教學(xué)的反饋和正作用，需要強化對過程的考核，同時由于工程認(rèn)證的需要，應(yīng)規(guī)范期末考核。改革后，期末考核在課程考核中的占比不變（60%）。期末試卷要嚴(yán)格按照課程大綱的要求命題，各內(nèi)容分?jǐn)?shù)比例要能匹配課程大綱要求的各課程目標(biāo)的占比，題型要減少機械記憶性題型，以計算、分析、綜合、設(shè)計題目為主，重點考核學(xué)生分析問題、解決問題的能力，以及解決復(fù)雜工程問題的意識。因此，期末試卷的命題需經(jīng)課題組多次研討后出題，教學(xué)基層組織同時對試卷進行全面審核把關(guān)。平時成績在課程考核中的占比也不變（40%），但改變平時成績的結(jié)構(gòu)，由課前預(yù)習(xí)得分、課堂出勤、課堂回答問題（占10%），課程作業(yè)（習(xí)題作業(yè)和大作業(yè)各占5%），期中測試（占10%），實驗（占10%）環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中，課程作業(yè)、期中測試環(huán)節(jié)是評價教師教學(xué)效果的主要來源和重要依據(jù)，教師可以據(jù)此了解教學(xué)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，一方面用于優(yōu)化整體教學(xué)，另一方面對少部分掉隊的學(xué)生進行幫扶。實驗環(huán)節(jié)改變以往僅憑實驗報告定實驗成績的習(xí)慣，從實驗的預(yù)習(xí)、操作、實驗報告的撰寫等三個過程全流程考核學(xué)生，實現(xiàn)對學(xué)生實踐、分析、應(yīng)用、創(chuàng)新、文檔處理能力的全方位考核。同時，堅持每周實時評估學(xué)生平時成績，并在下一周的第一次課前通過“超星學(xué)習(xí)通”平臺發(fā)布給學(xué)生，讓學(xué)生可以及時看到自己學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)，及時優(yōu)化自己的學(xué)習(xí)行為。通過以上方式解決平時成績結(jié)構(gòu)不合理、平均化、反饋不及時、考核不公開不透明的問題，從而真正落實過程考核，形成對教學(xué)的實時跟蹤與質(zhì)量監(jiān)控，促進課程目標(biāo)的達成。

3 結(jié)語

工程教育背景下，各應(yīng)用型本科高校都在努力探索如何通過教學(xué)改革來提高工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量，以適應(yīng)地方與區(qū)域?qū)Ω咚刭|(zhì)工程應(yīng)用型人才的需求。自動控制原理課程作為應(yīng)用型本科自動化專業(yè)的核心課程，是后續(xù)控制工程實踐的基礎(chǔ)，本文針對無錫學(xué)院自動化專業(yè)的自動控制原理課程教學(xué)現(xiàn)狀，從工程教育專業(yè)認(rèn)證的三大理念出發(fā)，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、實踐教學(xué)及課程考核方式等教學(xué)環(huán)節(jié)進行了探討，并提出了一系列切實可行的課程教學(xué)改革思路。通過教學(xué)改革，旨在培養(yǎng)與提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、分析、綜合、自主實踐與創(chuàng)新能力，解決復(fù)雜工程問題的意識，為高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供支撐。