魏延嶺,黃學(xué)良

(東南大學(xué) a. 自動化學(xué)院; b. 電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

1 現(xiàn)狀分析

國務(wù)院《關(guān)于全面深化新時代教師隊(duì)伍建設(shè)改革的意見》提出:“讓教師主動適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革,積極有效開展教育教學(xué)”。同時,由于疫情的突如其來,傳統(tǒng)教學(xué)秩序被打破,線上教學(xué)正在面臨教學(xué)組織、教學(xué)過程、教學(xué)考核等重大挑戰(zhàn)。要求一線教師必須跟上時代的腳步,不斷深化信息化教學(xué)改革,不斷摸索信息化教學(xué)實(shí)踐,在被動中主動作為,轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念,提升在線教學(xué)能力,積極探索線上教學(xué)模式的改革創(chuàng)新,“潛移默化、潤物無聲”地融入思政元素,提高學(xué)生在線學(xué)習(xí)積極性,開展及時有效的互動,充分發(fā)揮線上教學(xué)模式的優(yōu)勢。

此外,受線上教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件限制,“自動控制原理”課程教學(xué)仍多采用傳統(tǒng)教學(xué)方法,強(qiáng)調(diào)“教”而忽視了學(xué)生動手,限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。由于課程涉及專業(yè)跨度大,如果只依靠文字和PPT開展教學(xué)活動則缺乏互動而影響教學(xué)質(zhì)量。針對這些弊端有必要探索在“自動控制原理”課程教學(xué)中如何進(jìn)行信息化資源庫資源融合,構(gòu)建線上/線下混合式教學(xué)模式,從教學(xué)方法、教學(xué)情感、教學(xué)內(nèi)容等方面尋找課程思政融入的切入點(diǎn),使學(xué)生根據(jù)需要,方便、快捷地獲取教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)全面育人目標(biāo)。

1.1 課程地位

“自動控制原理”是電氣自動化專業(yè)的主干課程之一,也是信息、電子、通信、機(jī)械等相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí),不僅僅是表面上的數(shù)學(xué)邏輯推導(dǎo),更是學(xué)習(xí)如何將科學(xué)、工程、數(shù)理的語言有效轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)的閉環(huán)思維過程。研究自動控制系統(tǒng)中的相關(guān)理論及系統(tǒng)分析方法,是后續(xù)諸如“過程控制系統(tǒng)”、“智能控制”等本科和研究生課程學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ),支撐著學(xué)生未來參與科學(xué)研究與工程挑戰(zhàn)對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的要求。

課程地位決定學(xué)習(xí)目標(biāo)的規(guī)劃,也影響教學(xué)內(nèi)容的組織、過程和測評?；旌鲜浇虒W(xué)不會很大程度改變培養(yǎng)方案,即不改變課程的地位。此外,為后續(xù)課程的順利開展,教學(xué)目標(biāo)要具有邏輯性。但是混合式教學(xué)的線上部分,會導(dǎo)致教學(xué)形式發(fā)生相應(yīng)變化。

1.2 變化面臨的難題

盡管線上教學(xué)有利于降低教學(xué)成本,對于學(xué)習(xí)時間和地點(diǎn)諸多方面更具靈活性,但是線上教學(xué)因?yàn)闊o法與學(xué)生面對面而存在教學(xué)組織的困難,同時線上教學(xué)因?yàn)椴蹲讲坏秸n上學(xué)生動作和表情的及時反饋而面臨教學(xué)過程的困難,因無法有效實(shí)施監(jiān)管使教學(xué)考核的難題和偏向于情感與責(zé)任等的思政元素直觀呈現(xiàn)困難。如何解決在線形式教學(xué)難題,對完善混合式教學(xué)具有重要意義。

1.3 相關(guān)研究

針對混合式教學(xué)和課程思政育人方向,很多專家和一線教師在理論和實(shí)踐層面進(jìn)行深入探討,并取得豐富的研究成果。

針對在線教學(xué)的各種困惑,文獻(xiàn)[1]研究“?！?分析現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題,提出“機(jī)”。從關(guān)注教師自身如何“教”變成關(guān)注學(xué)生實(shí)際如何“學(xué)”,使在線教學(xué)中的諸多問題迎刃而解,并形成了以關(guān)注“學(xué)”為中心的計(jì)算機(jī)語言課程在線教學(xué)新模式。

在教學(xué)模式的研究與實(shí)踐方面,文獻(xiàn)[2]基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論,創(chuàng)建了依托于小規(guī)模專有在線課程(SPOC)教學(xué)資源平臺的線上/線下混合式教學(xué)模式,可解決學(xué)習(xí)成績兩極分化嚴(yán)重和課程學(xué)習(xí)參與程度不高的問題,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和探究性。

在教學(xué)設(shè)計(jì)上,文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了教學(xué)模式的探索與設(shè)計(jì),從線上教學(xué)技術(shù)培訓(xùn)、線上/線下混合式教學(xué)模式構(gòu)建、人文教育的有機(jī)融入、考評體系的完善等方面提供了線上教學(xué)的具體路徑和措施。

1.4 本文所要解決的問題

現(xiàn)有研究明確指出混合式教學(xué)不僅僅是教學(xué)形式的改變,更是一種教學(xué)新模式,而如何利用好這種新模式提高學(xué)生學(xué)習(xí)效能和課程思政建設(shè)效果,改善教師教學(xué)實(shí)踐是亟待解決的問題。

本文以“自動控制原理”課程為研究載體,以解決混合教學(xué)中的常見問題為線索,以學(xué)生的培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn),重塑學(xué)習(xí)目標(biāo),夯實(shí)學(xué)習(xí)過程,強(qiáng)化隱性思政意識,研究開發(fā)以關(guān)注“學(xué)”為核心理念的自動控制原理課程混合教學(xué)新模式。

2 混合式教學(xué)模式下自動控制原理課程教學(xué)設(shè)計(jì)及思政育人

2.1 學(xué)情分析

“自動控制原理”作為電氣自動化相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,涉及的內(nèi)容非常廣泛,涵蓋高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路和模擬電子技術(shù)等基礎(chǔ)科目,因此學(xué)習(xí)難度大。學(xué)習(xí)“自動控制原理”主要解決兩個問題:1)工程領(lǐng)域的復(fù)雜物理系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,包括時域法、根軌跡法和頻域法,圍繞3個性能指標(biāo),對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析;2)基于物理背景,利用機(jī)、光、電、液壓元件或設(shè)備等解決控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合。本課程的學(xué)習(xí),幫助學(xué)生對經(jīng)典控制理論建立全面的認(rèn)識,能應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識對具體對象構(gòu)造數(shù)學(xué)模型并求解,并針對機(jī)械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行過程分析、設(shè)計(jì)、制造、控制與優(yōu)化。該門課程為后續(xù)“運(yùn)動控制系統(tǒng)”及“智能控制導(dǎo)論”等課程提供理論基礎(chǔ)。因此,“自動控制原理”在教學(xué)培養(yǎng)體系中占有重要地位。但是,本課程涉及知識點(diǎn)繁雜、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng),包含了大量的數(shù)學(xué)公式以及相關(guān)定理,教學(xué)難度較高。從課程的教學(xué)現(xiàn)狀來看,學(xué)生對于控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展過程不夠了解;對于工業(yè)常用控制規(guī)律應(yīng)用了解不多,不能很好地認(rèn)識控制論的發(fā)展;對應(yīng)到具體問題、具體情境上很難進(jìn)行理論分析,無法真正做到將書本上的分析方法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中,達(dá)到學(xué)以致用的目的。此外,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏主動思考的精神,應(yīng)試性目的較強(qiáng),出現(xiàn)了只重視“知識傳授”而忽視“價值傳導(dǎo)”的現(xiàn)象。

本文以“自動控制原理”課程中超前-滯后校正設(shè)計(jì)為內(nèi)容,展開混合教學(xué)模式下的課程思政育人路徑設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)本課程前已學(xué)習(xí)掌握根軌跡和伯德圖的畫法,掌握系統(tǒng)校正和穩(wěn)定裕度的基本概念,為本節(jié)超前-滯后校正學(xué)習(xí)奠定一定基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)目標(biāo)

知識目標(biāo):串聯(lián)超前、串聯(lián)滯后和串聯(lián)滯后-超前校正的伯德圖設(shè)計(jì)方法。

能力目標(biāo):培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力,增強(qiáng)數(shù)形結(jié)合的思維意識。

情感目標(biāo):培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷和團(tuán)隊(duì)意識,增強(qiáng)學(xué)生科研探索精神。

2.3 教學(xué)重、難點(diǎn)及處理

教學(xué)重點(diǎn):計(jì)算系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),判斷系統(tǒng)的性能好壞。

教學(xué)難點(diǎn):串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

重、難點(diǎn)處理:串聯(lián)校正通常附加放大器,以提高系統(tǒng)的增益。由于串聯(lián)校正裝置位于低能源端,從設(shè)計(jì)到具體實(shí)現(xiàn)都比較簡單,成本低、功耗比較小,這是串聯(lián)校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),對應(yīng)的缺點(diǎn)是參數(shù)變化比較敏感。因此,串聯(lián)校正設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠的穩(wěn)定裕度。

2.4 教學(xué)方法和手段

“自動控制原理”課程教學(xué)兼顧課程特點(diǎn)和學(xué)生情況,針對學(xué)生抽象思維能力的薄弱,通過多媒體展示的形式使學(xué)生直觀、形象地了解控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制器各個環(huán)節(jié)的物理功能。同時創(chuàng)設(shè)情境,以案例引入本節(jié)課開展教學(xué),通過問題驅(qū)動來調(diào)動學(xué)生的主觀能動性,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情,使學(xué)生參與課堂中。在講授的同時輔以案例教學(xué)、問題驅(qū)動、小組討論、講練結(jié)合,通過思政案例教學(xué)方法引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生,使整堂課按照學(xué)生的思維規(guī)律循序漸進(jìn),實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)。具體混合教學(xué)模式總體框架如圖1所示。

圖1 混合教學(xué)模式總體框架

2.5 教學(xué)過程

1)依托國家需求,工程引入

精確的導(dǎo)航、制導(dǎo)和定位是航空航天技術(shù)的重要內(nèi)容。慣性導(dǎo)航的精度主要取決于運(yùn)動載體上的慣性元件精度,準(zhǔn)確地說就是陀螺儀和加速度計(jì)的精度。所以提高慣性元件的精度對于提高整個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度具有十分重要的意義。測試轉(zhuǎn)臺(圖2)作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域中仿真和測試的關(guān)鍵硬件設(shè)備,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測試實(shí)驗(yàn)的可靠性與置信度。因此,設(shè)計(jì)高精度轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)對提高航空航天技術(shù)具有重要作用。為了獲得轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的大剛度和高精度,在精密位置和速率系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,需要提高系統(tǒng)型別。但是系統(tǒng)型別的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)在大偏差時出現(xiàn)不穩(wěn)定。因此,如何兼顧轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的高精度和強(qiáng)魯棒性是當(dāng)今航空航天技術(shù)的卡脖子問題。

圖2 雙軸測試轉(zhuǎn)臺臺體

2)問題驅(qū)動,創(chuàng)新技術(shù)

以圖2所示的轉(zhuǎn)臺臺面控制系統(tǒng)為例,為保證系統(tǒng)處于大偏差時的穩(wěn)定性和快速歸零,系統(tǒng)采用某II型控制器。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的大剛度和高精度,建議采用III型控制器[4]。如何平衡系統(tǒng)快速性和大剛度、高精度問題是本節(jié)要解決的關(guān)鍵問題。

a)粗控制器設(shè)計(jì)

粗位置控制器是為了保證系統(tǒng)大偏差時的穩(wěn)定,對控制精度等并無過高的要求(滿足粗、精切換的精度即可),因此采用測速機(jī)反饋加位置反饋的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。一般在大偏差時,系統(tǒng)還要求以給定的速率運(yùn)行到期望位置。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,在位置環(huán)中引入飽和非線性網(wǎng)絡(luò),使大偏差時測速機(jī)環(huán)的輸入處于某個固定的速率,此時系統(tǒng)的位置反饋不起作用,相當(dāng)于運(yùn)行在測速機(jī)狀態(tài)。位置反饋系數(shù)取為1。綜上所述可得粗位置控制器模式時的控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示,其中力矩電機(jī)輸出飽和力矩Tmax=10Nm,轉(zhuǎn)動慣量J=0.164 10kgm2。

圖3 粗位置控制器模式控制系統(tǒng)方框圖

粗位置控制器的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上主要是速度反饋內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì),而位置環(huán)僅起偏差大小的監(jiān)督作用,以便決定是否切換。下面討論位置控制的精控制器設(shè)計(jì)。

b)精控制器設(shè)計(jì)

精控制器是轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的核心,它不僅要求具有一定的帶寬(大于10Hz),而且要滿足系統(tǒng)要求的精度(±2″)和一定的動態(tài)剛度。由于該回路要求很高的精度,考慮到目前速度反饋的紋波噪聲較大,系統(tǒng)中不應(yīng)引入速度反饋而設(shè)計(jì)為基于精密測角系統(tǒng)的單位置反饋形式?？刂葡到y(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖可見,系統(tǒng)中引入一個純積分環(huán)節(jié)演變?yōu)镮II型,其靜態(tài)精度和剛度指標(biāo)自然滿足,因此設(shè)計(jì)時主要考慮其帶寬和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖4 精位置控制系統(tǒng)方框圖

同理,α選得越小,則超前校正網(wǎng)絡(luò)所能提供的補(bǔ)償相角愈大;同時α越小,則系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性中第一個轉(zhuǎn)折頻率愈小,系統(tǒng)前向通道的方法系數(shù)設(shè)計(jì)值愈小,系統(tǒng)線性工作區(qū)愈大,這一點(diǎn)對精回路特別重要。

圖5為該轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)在臺面階躍輸入r(t)=0.02°作用下的響應(yīng)曲線。

圖5 精位置階躍響應(yīng)曲線

c)系統(tǒng)動態(tài)剛度的考慮

選用III型系統(tǒng),則系統(tǒng)的靜態(tài)剛度為無窮大,但是實(shí)際上還是希望系統(tǒng)在階躍干擾下的動態(tài)失調(diào)角盡量小。原則上系統(tǒng)帶寬愈寬,則動態(tài)剛度愈大,動態(tài)失調(diào)角愈小。但在同樣的剪切頻率下如何獲得最小的失調(diào)角?通過仿真可知,α選的越小,則同樣干擾下的動態(tài)失調(diào)角越大,所以雖然α選的越小,獲得的相角裕度越大,在選取α?xí)r還應(yīng)充分考慮是否滿足最大動態(tài)失調(diào)角的要求。

精位置控制器和粗位置控制器的狀態(tài)依賴切換原則,形成混雜動態(tài)控制的概念。引導(dǎo)學(xué)生理解傳統(tǒng)PID控制并融會貫通,例如,在這里改善傳統(tǒng)PID控制,就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的雙回路控制,其本質(zhì)上是結(jié)合傳統(tǒng)控制策略并利用混雜動態(tài)系統(tǒng)概念,解決高精度狀態(tài)控制快速性和大剛度問題。

3)混合教學(xué)鞏固知識

在混合式教學(xué)模式下,針對不易理解的定理類知識設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用題,讓學(xué)生線上完成并反饋,即可查閱正確答案,從而加深學(xué)生對關(guān)鍵知識點(diǎn)的理解和掌握。例如串聯(lián)校正在頻率框架下和根軌跡框架下的表現(xiàn)形式,提高系統(tǒng)帶寬和系統(tǒng)穩(wěn)定裕度之間的關(guān)系,滯后校正提高相角穩(wěn)定裕度的條件等?；旌鲜浇虒W(xué)在課程章節(jié)結(jié)束,通過試題庫進(jìn)行知識點(diǎn)測試,方便教師和學(xué)生及時了解自身學(xué)習(xí)情況并查缺補(bǔ)漏。

4)問題研討與反思

測試轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)屬于一類高精度伺服系統(tǒng),它對系統(tǒng)控制精度有很高的要求,同時還要求系統(tǒng)具備較寬的系統(tǒng)帶寬。與經(jīng)典轉(zhuǎn)臺控制策略對比[5],為了獲得大剛度和高精度,在精密位置和速率系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為III型系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)對給定和階躍干擾都是穩(wěn)態(tài)無差的。但是由于實(shí)際系統(tǒng)中難免存在飽和非線性特性,故此時系統(tǒng)為條件穩(wěn)定系統(tǒng),該系統(tǒng)在大偏差時會出現(xiàn)不穩(wěn)定。為此大偏差時系統(tǒng)應(yīng)采用另一種II型控制器來保證系統(tǒng)大偏差的穩(wěn)定和快速歸零。故精密位置控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為具有雙控制器切換的結(jié)構(gòu)形式。采用數(shù)字控制可以很方便地實(shí)現(xiàn)這類非線性控制。具體精密位置控制的雙控制器切換規(guī)則留待學(xué)生設(shè)計(jì),激勵學(xué)生思考。

2.6 思政育人

“自動控制原理”課程多邏輯和證明,課程思政的自然融入較難。本小節(jié)以卡脖子問題——高精度慣導(dǎo)測試設(shè)備運(yùn)動控制問題引入,通過線上測試轉(zhuǎn)臺的工程應(yīng)用案例,結(jié)合線上/線下小組討論和互動探究,研究判斷轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的剛度和精度問題,從而引出串聯(lián)校正的要求,其過渡自然不生硬,同時引導(dǎo)學(xué)生理解混雜控制的概念。借助本小節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)號召學(xué)生關(guān)注并參與攻克國家科學(xué)技術(shù)中的卡脖子問題,培養(yǎng)學(xué)生家國情懷,構(gòu)筑工匠精神。通過II型和III型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)推導(dǎo)的縝密態(tài)度,小心求證的謹(jǐn)慎理念,工程規(guī)范的不茍信念,面對科學(xué)的敬畏精神。思政育人不能繞過應(yīng)用背景,要通過思政與工程案例的結(jié)合,使自動控制理論更生動,獲得學(xué)生的認(rèn)同,做好思政育人。

3 結(jié)語

線上/線下的混合式教學(xué)模式是傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的新型教學(xué)方法。其中,線上教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生自學(xué)、線上互動交流以及思政材料的豐富呈現(xiàn),線下教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識重塑和內(nèi)化,以及課程思政元素的融入。不難看出,隨著社會的發(fā)展,傳統(tǒng)教與學(xué)的關(guān)系正在慢慢地發(fā)生變化。教師在教學(xué)過程中除了完成傳統(tǒng)的知識傳授,還要完成引導(dǎo)和輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí),提升學(xué)生運(yùn)用理論知識分析和解決實(shí)際問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生高尚的道德情操和家國情懷。這種混合式教學(xué)新模式是對傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的有益補(bǔ)充。