李小真，劉忠超，翟天嵩，蓋曉華

（南陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，473004，河南南陽）

自動(dòng)控制原理課程相關(guān)知識(shí)應(yīng)用于生活的許多領(lǐng)域，例如人造衛(wèi)星、軌道交通、計(jì)算機(jī)等，其在考研專業(yè)課中也占有一定的比重。而該課程理論性較強(qiáng)、知識(shí)過于抽象，要點(diǎn)晦澀難懂，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力要求比較高[1-2]。在傳統(tǒng)教學(xué)中教師通常采用板書、使用PPT 輔助講解，結(jié)合課下布置作業(yè)形式，這種模式的學(xué)習(xí)不利于應(yīng)用型本科專業(yè)人才的成長。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，需要對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)模式進(jìn)行改革[3-4]。

線上線下混合式教學(xué)作為信息化背景下一種新興的教學(xué)模式，拓展了教學(xué)的廣度和深度，給教學(xué)增添了許多新鮮活力[5-6]。以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，將傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)融為一體，逐步成為國內(nèi)高校教學(xué)改革新方向。本文介紹了自動(dòng)控制原理課程基于超星學(xué)習(xí)通的線上線下混合式教學(xué)模式，目標(biāo)是讓學(xué)生掌握控制系統(tǒng)知識(shí)及其應(yīng)用，為培養(yǎng)專業(yè)性技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)[7]。

1 自動(dòng)控制原理課程任務(wù)及目標(biāo)

自動(dòng)控制原理課程是南陽理工學(xué)院電氣類、自動(dòng)化類、電子信息的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程主要通過課堂教學(xué)，使學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論的分析方法，為控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)和方法。重點(diǎn)解決控制系統(tǒng)建模、系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)校正等理論基礎(chǔ)問題，包括控制系統(tǒng)的時(shí)域、復(fù)域、頻域的數(shù)學(xué)模型，線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域法。

“自動(dòng)控制原理”的課程目標(biāo)根據(jù)該課程所支撐相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)要求觀測點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)的是工程知識(shí)和問題分析。以自動(dòng)化專業(yè)為例，2021版教學(xué)大綱將課程目標(biāo)分為以下2 個(gè)：目標(biāo)1 是能夠利用自動(dòng)化學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)推演控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；能夠利用超前校正、滯后校正和滯后-超前校正等方法設(shè)計(jì)滿足實(shí)際工程需要的控制系統(tǒng)。目標(biāo)2 是能夠應(yīng)用時(shí)域分析法、根軌跡分析法和頻率特性法分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能；能夠應(yīng)用Routh判據(jù)、根軌跡圖、Nyquist 圖和Bode 圖分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能夠運(yùn)用MATLAB/Simulink 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)?！白詣?dòng)控制原理”的課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系如表1 所示。

表1 課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

為了達(dá)到全程育人、全方位育人的教學(xué)目標(biāo)，新修訂的2021 版課程大綱還制定了該課程德育目標(biāo)[8-9]。其德育目標(biāo)為：正確認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制原理在控制理論發(fā)展史和自動(dòng)控制發(fā)展過程中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神和民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)、合作、發(fā)展的創(chuàng)新精神，以及優(yōu)秀的職業(yè)道德。

2 “自動(dòng)控制原理”學(xué)情分析及教學(xué)內(nèi)容

自動(dòng)控制原理課程包括以下學(xué)習(xí)要點(diǎn)：①簡化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，處理Routh 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的特殊問題，解決反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用高階系統(tǒng)的Routh 穩(wěn)定參考方法。②使用時(shí)域分析方法計(jì)算一次和二次系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。③繪制根軌跡，利用根軌跡對(duì)系統(tǒng)控制性能進(jìn)行定性和定量分析。④掌握頻率分析法中的奈奎斯特穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)數(shù)頻率穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，利用系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的閉環(huán)性能。目前事實(shí)是學(xué)生對(duì)整個(gè)課程體系認(rèn)識(shí)不足，為解決這個(gè)問題，構(gòu)建了自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)框架，并采用線上和線下相結(jié)合的教學(xué)模式，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，旨在幫助學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)，提高其發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

如圖1 所示為自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)框架，首先引出控制系統(tǒng)的一般概念，一般概念有輸入量、輸出量和受控對(duì)象等，在有了一般概念基礎(chǔ)上提出建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，常見的數(shù)學(xué)模型有傳遞函數(shù)、微分方程和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖等。在數(shù)學(xué)模型建立之后，結(jié)合要分析的系統(tǒng)模型與性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系，提出快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等性能指標(biāo)。需要利用時(shí)域法、根軌跡法、頻域法三種方法中的一種來定量計(jì)算系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的性能指標(biāo)，這是一個(gè)前向的過程，這個(gè)過程叫做分析。若讓系統(tǒng)完成一定的任務(wù)量，則需要給這個(gè)系統(tǒng)提出要求，當(dāng)原來的性能指標(biāo)達(dá)不到的時(shí)候，就需要在性能指標(biāo)中加入一些校正裝置，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，那么加到這個(gè)系統(tǒng)中就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能加以調(diào)整，這樣就能使原來不能滿足特定工作需要的性能指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，這個(gè)過程稱為校正，這是一個(gè)反向過程。整個(gè)教學(xué)框架安排簡明直觀，有邏輯性地將各個(gè)章節(jié)串聯(lián)在一起，以加深學(xué)生對(duì)本課程的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1 自動(dòng)控制原理教學(xué)框架

3 線上線下混合式教學(xué)的實(shí)施

線上線下混合式教學(xué)模式是線下教學(xué)與線上教學(xué)結(jié)合的新模式。自動(dòng)控制原理課程線上教學(xué)包括在線觀看視頻、線上作業(yè)及線上測試等。傳統(tǒng)教學(xué)方式往往以教師講解為主，由于課堂時(shí)長的限制教師不能在課堂上將知識(shí)進(jìn)行深入分析和講解，學(xué)生只能被動(dòng)地聽講，沒有時(shí)間和空間獨(dú)立思考，教學(xué)效果差。采用混合式教學(xué)之后，學(xué)生可以在教師進(jìn)行講課之前，通過基于超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)觀看線上視頻，對(duì)要學(xué)的課程內(nèi)容進(jìn)行初步學(xué)習(xí)；再根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況，有的放矢，在課堂上對(duì)難點(diǎn)著重聽教師分析，這樣就能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

“超星學(xué)習(xí)通”是一款多功能學(xué)習(xí)軟件平臺(tái)，教師通過該軟件來建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程，可以將課件、教案、已經(jīng)錄好的視頻和課程相關(guān)的輔助性資料上傳，供學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)[10]。最近幾年，超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在全國逐漸普及起來，給中國教育事業(yè)帶來巨大變革，越來越多的高校借助超星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和知識(shí)共享。應(yīng)用“超星學(xué)習(xí)通”等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在一定程度上縮小了不同地區(qū)間教育資源的差距，有別于傳統(tǒng)教學(xué)，基于超星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的教學(xué)側(cè)重于將重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)模塊化。

自動(dòng)控制原理課程改革依靠超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，優(yōu)化傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教師可以基于此開展線上線下教學(xué)，如表2 所示為線上教學(xué)各章節(jié)相對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。第一章是概述，主要引出控制系統(tǒng)的概念；第二章為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型知識(shí)點(diǎn)；第三、四、五章分別為時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率分析法三種分析方法內(nèi)容；第六章為控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)內(nèi)容；在學(xué)生將本門課程知識(shí)學(xué)習(xí)完畢后，對(duì)學(xué)生進(jìn)行線上測試即為第七章內(nèi)容。

表2 自動(dòng)控制原理知識(shí)點(diǎn)

為了提高教學(xué)質(zhì)量，教師會(huì)在課后及時(shí)發(fā)布本節(jié)課知識(shí)的習(xí)題提供針對(duì)性練習(xí)，幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺，進(jìn)行知識(shí)的鞏固。如圖2 所示為某節(jié)課后布置的課后練習(xí)題及某位同學(xué)的作答情況，該題內(nèi)容為第二章動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于此類題型，可以利用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖等效變換或者梅森公式來對(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行簡化。由圖2 可知，該學(xué)生基本掌握了該知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到了課程教學(xué)改革的目的。

圖2 線上練習(xí)題及作答情況

4 線上線下混合式教學(xué)考核方式

在傳統(tǒng)的考核方案中，總成績主要由平時(shí)成績（30%）和期末成績（70%）構(gòu)成。此種考核方案存在一定弊端，例如，平時(shí)成績計(jì)算過于簡略，一般情況下，是根據(jù)平時(shí)作業(yè)、點(diǎn)名情況來進(jìn)行平時(shí)成績的統(tǒng)計(jì)，不能多方位全角度地反映學(xué)生平時(shí)的上課狀況。而線上線下混合式教學(xué)考核方式，采用如圖3 所示的平時(shí)考核成績和期末成績構(gòu)成，其中平時(shí)考核成績主要由課程視頻、線上測試、線上作業(yè)、簽到等幾部分組成，通過多層次考核來展現(xiàn)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)情況。

圖3 線上線下混合式教學(xué)考核方式

5 結(jié)語

自動(dòng)控制原理課程采用的線上線下混合教學(xué)模式打破了空間和時(shí)間的限制，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)模式的創(chuàng)新，有效地提高了學(xué)生課堂參與度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性。然而線上教學(xué)也存在不足，例如，個(gè)別學(xué)生沒有按照要求觀看課程視頻、課后習(xí)題敷衍了事等。對(duì)于這些問題，需要教師加強(qiáng)與學(xué)生溝通交流，對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，幫助其克服學(xué)習(xí)困難。線上線下混合式教學(xué)模式是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，在采用該創(chuàng)新模式過程中，教師會(huì)面臨種種挑戰(zhàn)，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)該模式存在的不足，以進(jìn)一步提升相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量。