摘? 要：為解決自動控制原理課程教學(xué)過程中遇到的一些突出問題，提出一項基于學(xué)科競賽和案例教學(xué)的教改研究。選取如全國大學(xué)生機器人大賽ROBOCON和“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽等高質(zhì)量競賽項目，從競賽題目中提煉出與自動控制原理教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的若干案例。這些案例被整合到理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實際問題，形成一個通過學(xué)科競賽促進教與學(xué)的案例教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵字：自動控制原理；學(xué)科競賽；案例式教學(xué)；賽教融合；教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0157-04

Abstract： In order to solve some outstanding problems encountered in the teaching process of the course Principle of Automatic Control， a research on teaching reform based on disciplinary competitions and case study teaching is proposed. High-quality competitions such as ROBOCON and Siemens Cup were selected， and a number of cases related to the teaching content of Principle of Automatic Control were extracted from the competition titles. These cases are integrated into the theoretical and practical teaching sessions， guiding students to apply what they have learned to solve practical problems， forming a case teaching mode that promotes teaching and learning through disciplinary competitions， stimulates students' learning initiative， and cultivates innovative and application-oriented talents.

Keywords： Principle of Automatic Control; discipline competition; case teaching; integration of competition and education; teaching reform

自動控制原理課程主要面向東莞理工學(xué)院自動化、電氣工程、機器人工程和智能制造工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)，是這些專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對于培養(yǎng)學(xué)生在控制工程應(yīng)用方面的理論理解和實踐技能至關(guān)重要。近年來，控制相關(guān)專業(yè)的本科畢業(yè)生在就業(yè)過程中暴露出許多問題，包括實際操作能力差、問題分析和解決能力弱，以及缺乏創(chuàng)新意識和主動學(xué)習(xí)能力。以上問題直接影響畢業(yè)生的就業(yè)質(zhì)量，凸顯了專業(yè)發(fā)展和課程改革的必要性和緊迫性。

自動控制原理課程的特點理論性較強，需要依賴大量的數(shù)學(xué)知識，很多概念相對抽象，使得學(xué)生難以理解。大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)往往導(dǎo)致課堂教學(xué)枯燥乏味，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生很難真正理解控制理論對工程實踐的指導(dǎo)意義。案例式教學(xué)法使用真實或虛擬案例來引導(dǎo)學(xué)生，將課堂教學(xué)的知識應(yīng)用到案例中，培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力、創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力。已有研究表明，將案例式教學(xué)法引入信號與系統(tǒng)、自動控制原理、電力電子技術(shù)等工科課程中，能夠有效提升課堂教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力[1-4]。

本文提出了一種基于學(xué)科競賽和案例教學(xué)的教改研究，選取高質(zhì)量競賽項目，從競賽題目中提煉出與自動控制原理教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的若干案例，通過案例庫設(shè)計、教學(xué)方法改革、考核方式改革等實施舉措，將競賽案例融入課程教學(xué)全過程，形成了一個通過學(xué)科競賽促進教與學(xué)的案例教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才。

一? 現(xiàn)有教學(xué)過程存在的不足

（一）? 理論教學(xué)環(huán)節(jié)

自動控制原理課程依賴深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，教學(xué)過程以理論知識為主導(dǎo)，輔以應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容。在教學(xué)實踐中，教師往往更加注重系統(tǒng)性和邏輯性的知識傳授，這可能會減少對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。如何在這些理論教學(xué)中讓學(xué)生更快地理解所學(xué)內(nèi)容對實際控制問題的指導(dǎo)意義？采用案例式教學(xué)方法是一種可行的解決方案。通過引入相關(guān)工程典型案例分析，可以迅速將理論與實踐聯(lián)系起來，同時也能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（二）? 實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

自動控制原理課程的實踐教學(xué)通常采用硬件模擬和軟件仿真的方式展開，學(xué)生通常只需要按照實驗指導(dǎo)書的要求搭建模型，這使其很難真正培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力。盡管這些實驗?zāi)軌蛴行炞C課程理論知識，但實驗內(nèi)容普遍缺乏工程實踐背景，這可能導(dǎo)致學(xué)生無法將理論知識與實際工程實踐相結(jié)合，從而影響他們對實驗步驟和原理的深入理解。

（三）? 考核評測環(huán)節(jié)

自動控制原理課程的原有考核評價標準，通常將期末考試的權(quán)重設(shè)定較高，而忽略了對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和主動學(xué)習(xí)能力等方面的考核。這可能會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動機產(chǎn)生偏差，例如，過于依賴死記硬背概念和公式，而不是深入理解和應(yīng)用所學(xué)知識。為了彌補這一不足，建議在課程考核評價中增加平時成績的比例，包括對課堂討論、實驗報告、案例分析等形式的過程評價。通過這種方式，可以鼓勵學(xué)生積極參與教學(xué)全過程，從而保持積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，并有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能和工程應(yīng)用能力。

二? 基于學(xué)科競賽的案例式教學(xué)改革

（一）? 學(xué)科競賽取得的成果和經(jīng)驗

“以賽促學(xué)、以賽促教”教學(xué)模式是地方本科院校積極響應(yīng)社會需求、加強校企合作、促進學(xué)生綜合素質(zhì)提升的重要舉措。這一模式倡導(dǎo)通過參與各類技能大賽，將實踐性的技能培訓(xùn)和學(xué)術(shù)知識相結(jié)合，從而提高學(xué)生的綜合能力和應(yīng)用水平，有助于彌合學(xué)校教學(xué)與實際需求之間的鴻溝。同時，通過學(xué)科競賽為載體，學(xué)?？梢詣?chuàng)新教學(xué)方式和手段，提升教學(xué)質(zhì)量和效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有助于打破傳統(tǒng)教學(xué)的束縛，推動教育教學(xué)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。已有研究表明，采用“以賽促學(xué)、以賽促教”的教學(xué)模式能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力[5-7]。

東莞理工學(xué)院在新工科教育過程中堅持“以賽促教、以賽促學(xué)”的理念，積極組織學(xué)生參加各類專業(yè)競賽，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)氛圍和實踐機會。在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生機器人大賽ROBOCON、“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽等賽事中，學(xué)生取得了顯著成績，并積累了豐富的經(jīng)驗和資源。將學(xué)科競賽內(nèi)容融入自動控制原理的教學(xué)過程，不僅豐富了課堂教學(xué)資源，更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度和積極性。同時，這一做法也有助于促進學(xué)生的價值目標、知識目標和能力目標的全面提升，如圖1所示。

（二）? 教學(xué)案例庫的設(shè)計方法

建立合適的教學(xué)案例庫需要教師團隊的共同努力和不斷積累經(jīng)驗，同時也需要教學(xué)實踐和反饋不斷地改進和完善[8-10]。從實際工程中選擇教學(xué)案例固然具有許多優(yōu)點，例如案例的真實性、直觀性和實用性等，但也存在一些不足之處。實際工程案例通常受到特定環(huán)境、條件和限制的影響，往往無法全面覆蓋教學(xué)內(nèi)容，難以涵蓋廣泛的教學(xué)需求。實際工程案例往往較為復(fù)雜，涉及到多個因素的相互影響和復(fù)雜交互，這使得教學(xué)案例的分析和理解可能較為困難，特別是對于初學(xué)者而言。對于某些實際工程案例，由于涉及到復(fù)雜的工程過程和系統(tǒng)，難以在教學(xué)實驗室中進行模擬或?qū)嶒烌炞C，限制了學(xué)生對案例的實際操作和實踐經(jīng)驗的獲取。

學(xué)科競賽通常源自真實的工程案例，具備一定的應(yīng)用性和實用性。同時，學(xué)科競賽的題目往往會簡化或剔除實際工程中的復(fù)雜限定因素，以符合大學(xué)生的實踐水平和學(xué)習(xí)需求，更加注重學(xué)生對理論知識的掌握和應(yīng)用。因此，從高質(zhì)量的學(xué)科競賽中選取適合于自動控制原理課程的教學(xué)案例，可用于課堂教學(xué)或?qū)嵺`環(huán)節(jié)。這樣一來，學(xué)生不僅能夠更好地理解和應(yīng)用所學(xué)的理論知識，提升實踐能力，還能接觸到較為真實的工程案例，深入了解工程實踐中的具體問題和解決方法。

自動控制原理教學(xué)組積極收集歷年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生機器人大賽ROBOCON、“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽的優(yōu)秀作品、獲獎作品、典型案例。教學(xué)組對收集到的競賽案例進行篩選和評估，選擇與自動控制原理教學(xué)目標和內(nèi)容緊密相關(guān)、具有代表性和可操作性的案例，評估案例的難度、適用范圍、實踐價值等因素。教學(xué)組對案例中涉及的控制理論問題進行深入分析和提煉，形成了適合教學(xué)的內(nèi)容，如運動控制方案和過程控制方案。這些內(nèi)容以描述型案例、討論型案例和實踐型案例等形式呈現(xiàn)，在教學(xué)過程中融入了文字描述、圖片展示、實驗報告和課程設(shè)計等多種方式，如圖2所示。這一舉措使理論教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)得以有機結(jié)合，從而更好地促進學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（三）? 教學(xué)改革的舉措和實施方法

1? 課堂教學(xué)過程的改革

自動控制原理教學(xué)組在課堂教學(xué)過程中采用案例式教學(xué)方法，包括課前準備、課堂實施和課后活動三個階段，具體實施方法如下。

1）課前準備階段。課前準備的首要任務(wù)是精選案例。在選擇案例時，應(yīng)該與課程內(nèi)容緊密相關(guān)，能夠充分體現(xiàn)課程的核心知識點和技能要求。案例應(yīng)具有一定的復(fù)雜性，能夠激發(fā)學(xué)生的思考和討論，促進其學(xué)習(xí)深度和廣度。案例還應(yīng)具有時代性和前瞻性，能夠反映當(dāng)前學(xué)科領(lǐng)域的熱點問題和未來發(fā)展趨勢，從而引領(lǐng)學(xué)生對未來發(fā)展方向的思考和探索。

明確教學(xué)目標是課前準備的重要環(huán)節(jié)。教師需要根據(jù)課程要求和學(xué)生的實際情況，設(shè)定清晰的教學(xué)目標，以確保教學(xué)活動能夠達到預(yù)期效果。這些教學(xué)目標應(yīng)該明確指出學(xué)生在課程結(jié)束時應(yīng)該具備的知識、技能和能力。教師還需要設(shè)計一系列與案例相關(guān)的問題，這些問題應(yīng)當(dāng)能夠引導(dǎo)學(xué)生深入分析案例，挖掘案例背后的理論知識和實踐技能。問題的設(shè)計應(yīng)該具有啟發(fā)性和引導(dǎo)性，能夠激發(fā)學(xué)生的思考，促進學(xué)習(xí)和理解。

學(xué)生在課前需要對案例進行預(yù)習(xí)，以理解案例的基本情況和關(guān)鍵問題。為了幫助學(xué)生更有針對性地進行預(yù)習(xí)，教師可以提供一些指導(dǎo)性的問題。例如，了解案例涉及的行業(yè)、背景和相關(guān)環(huán)境；識別案例中的主要問題和挑戰(zhàn)是什么？學(xué)生可以思考案例中涉及的關(guān)鍵技術(shù)、理論或?qū)嵺`問題，可以嘗試想出可能的解決方案或策略，以應(yīng)對案例中的挑戰(zhàn)。

2）課堂實施階段。教師在課前準備階段需要對案例進行呈現(xiàn)。教師可以通過口頭講解的方式介紹案例的背景、關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)，向?qū)W生傳達案例的核心內(nèi)容。如果有相關(guān)的視頻資料，教師可以播放視頻來呈現(xiàn)案例，讓學(xué)生從視覺和聽覺多方面感知案例的情況。在呈現(xiàn)案例的同時，教師需要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注案例的關(guān)鍵點和問題，為后續(xù)的討論和分析做好鋪墊。

案例教學(xué)的核心環(huán)節(jié)是小組討論。教師需要將學(xué)生分成小組，促進學(xué)生之間的互動和合作。教師充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，鼓勵學(xué)生發(fā)表觀點，并進行互動交流。教師提供一些問題或話題，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論案例中的關(guān)鍵問題，激發(fā)學(xué)生的思維和創(chuàng)造力，通過提出問題、澄清疑惑、總結(jié)結(jié)論等方式引導(dǎo)學(xué)生的討論方向，確保每個小組成員都能夠參與到討論中，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和能力。

小組討論結(jié)束后，教師需要進行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和總結(jié)，幫助學(xué)生提煉出有價值的觀點和結(jié)論，同時對學(xué)生的討論進行評價，提煉出有價值的內(nèi)容，以便全班學(xué)生更好地理解和吸收。教師還可以鼓勵學(xué)生相互評價，促進學(xué)生之間的互動和反思，以提高討論的質(zhì)量和效果，還可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握案例的內(nèi)容。

3）課后活動階段。學(xué)生對課堂討論進行反思和總結(jié)，可以書面形式撰寫報告，詳細記錄課堂討論的過程、主要觀點和結(jié)論，以及個人的思考和感悟。通過對課堂討論的過程和結(jié)果進行梳理和總結(jié)，可以幫助學(xué)生加深對案例的理解，發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，并為今后的學(xué)習(xí)和實踐提供指導(dǎo)和借鑒。

教師可以推薦一些相關(guān)的閱讀材料和研究資源，鼓勵學(xué)生通過閱讀文獻、實地調(diào)研等方式，拓展自己的知識視野，增強理論與實踐的結(jié)合。同時教師需要根據(jù)案例教學(xué)的內(nèi)容，布置一些相關(guān)的作業(yè)和項目，這些作業(yè)和項目應(yīng)當(dāng)具有一定的挑戰(zhàn)性，能夠促使學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題。通過完成作業(yè)和項目，學(xué)生能夠?qū)⒄n堂所學(xué)應(yīng)用到實踐中，提高自身的實踐能力。

如圖3所示，這一教學(xué)方法使得學(xué)生在實際案例中逐步運用所學(xué)知識解決工程問題，從而更好地理解和應(yīng)用課程內(nèi)容。

2? 實驗教學(xué)過程的改革

在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，自動控制原理教學(xué)組為每章設(shè)計了一個設(shè)計型或綜合型實驗，以取代原有的驗證型實驗。所有實驗內(nèi)容均來源于實踐型案例，這些案例詳細介紹了工程背景、工作原理、操作環(huán)境及面臨的挑戰(zhàn)，同時強調(diào)了該問題在工程實踐中的重要性。學(xué)生需要完成的實驗步驟。

1）將這些案例抽象為一個或多個自動控制原理課程中的具體問題，并建立描述系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。

2）應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進行分析，包括穩(wěn)定性分析、性能評估等，根據(jù)控制目標設(shè)計控制策略，包括控制器的選擇和參數(shù)設(shè)定等。

3）在實驗結(jié)束后，學(xué)生對比實驗結(jié)果與預(yù)期目標，驗證控制方案的有效性，并探討實驗結(jié)果對實際工程應(yīng)用的意義及可能的改進方向。

通過這種設(shè)計型或綜合型實驗，學(xué)生不僅能夠深入理解自動控制原理課程中的概念和理論，還能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用到實際問題中，培養(yǎng)其工程實踐能力和創(chuàng)新思維。

3? 考核評測方法的改革

為了更全面地評估學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)效果，自動控制原理教學(xué)組在課程的考核評價中采用多種考核形式，如課堂表現(xiàn)評價、課堂總結(jié)報告、實踐操作考核和小組合作評估等，不再僅僅依賴期末考試成績，全面評估學(xué)生的各方面表現(xiàn)，以激勵學(xué)生在整個學(xué)期中保持積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，改革實施舉措如下。

1）課堂表現(xiàn)評價。教師通過觀察學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)評價其學(xué)習(xí)情況，記錄學(xué)生的發(fā)言、提問頻率、討論深度等信息可以幫助教師更客觀地評價學(xué)生的表現(xiàn)，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的優(yōu)點和不足，為其提供個性化的指導(dǎo)和幫助。同時，這也可以激勵學(xué)生積極參與課堂，提高他們的學(xué)習(xí)效果。

2）課堂總結(jié)報告。學(xué)生對課堂討論進行反思和總結(jié)，并撰寫報告，教師應(yīng)當(dāng)評估報告是否全面覆蓋了課堂的主要概念、討論點和學(xué)習(xí)目標，提供具體、建設(shè)性的反饋，幫助學(xué)生認識到自己的優(yōu)點和需要改進的地方。同時，教師也應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生在報告中展現(xiàn)個性和創(chuàng)造性，促進其全面發(fā)展。通過這樣的評價方法，學(xué)生可以更好地從課堂學(xué)習(xí)中受益，提高其學(xué)術(shù)能力和專業(yè)技能。

3）實踐操作考核。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過實驗、模擬仿真、項目設(shè)計等方式進行實踐操作。教師需要全面地評價學(xué)生在實踐操作中的表現(xiàn)，幫助他們發(fā)現(xiàn)不足之處，并提供改進的建議和指導(dǎo)，以提高其實踐能力和問題解決能力。評價學(xué)生在實踐操作中的準確性，包括他們是否能夠按照實驗指導(dǎo)書或項目設(shè)計要求正確地進行操作。評價學(xué)生在實踐操作中解決問題的能力，包括他們是否能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的原因、采取有效的解決措施等。評價學(xué)生對實驗結(jié)果的分析能力，包括他們是否能夠正確地解讀實驗數(shù)據(jù)、分析實驗現(xiàn)象，并提出合理的結(jié)論和解釋。這可以通過學(xué)生撰寫的實驗報告或?qū)嶒灲Y(jié)果的討論部分來評價。

4）小組合作評估。對小組項目報告和討論進行評估時，除了評價項目結(jié)果外，還要評估小組成員之間的合作程度和分工情況。可以采用同組評分、組內(nèi)評分和教師評分相結(jié)合的方式，綜合考量學(xué)生的團隊合作能力。

三? 結(jié)束語

通過對自動控制原理課程教學(xué)過程的深入分析與改革實踐，本文提出了一種結(jié)合學(xué)科競賽和案例教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)模式。該模式旨在解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的理論教學(xué)與實踐脫節(jié)、學(xué)生創(chuàng)新能力不足等問題，通過引入與學(xué)科競賽相關(guān)的實際案例，增強課程的實踐性和互動性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

這一教學(xué)模式不僅適用于自動控制原理課程，也為其他工程類課程的教學(xué)改革提供了有益的借鑒。未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化案例庫內(nèi)容，探索更多與實際工程相結(jié)合的教學(xué)案例，以進一步提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新精神和實踐能力的自動化領(lǐng)域人才。

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基金項目：廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項目“依托現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院的‘自動控制原理案例式教學(xué)改革實踐”（粵教高函[2023]4號）

作者簡介：姜鳴（1982-），男，漢族，遼寧沈陽人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為線性控制理論、深度強化學(xué)習(xí)理論。