摘 要： 自動控制原理課程是山西農(nóng)業(yè)大學電氣工程及其自動化、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。以新工科背景下對人才培養(yǎng)的交叉型、創(chuàng)新型和實踐型要求為導向，針對農(nóng)業(yè)院校自動控制原理課程教學中存在的不足，重新修訂教學大綱，對該課程的教學內(nèi)容、教學方式和實踐教學模式進行了一系列教學改革，取得了一些效果，為新工科背景下兄弟院校自動控制原理課程教學改革提供參考。

關鍵詞：新工科；農(nóng)業(yè)院校；自動控制原理；教學改革

中圖分類號：S24;G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0138-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.023

0 引言

自動控制原理課程是山西農(nóng)業(yè)大學電氣工程及其自動化專業(yè)、農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)的必修課，在培養(yǎng)學生的理論知識能力方面占有重要地位，本課程是銜接電氣工程及其自動化方向的基礎課與專業(yè)課之間的紐帶。通過課程講授，使學生掌握自動控制理論的基本原理和應用、控制系統(tǒng)建模方法和分析方法，并初步具備綜合設計與校正簡單控制系統(tǒng)的能力，為后續(xù)進行控制理論類課程學習奠定必要的基礎。

2017 年，教育部啟動新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”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)大學作為全國首批深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校，積極推進新工科建設。2019 年10 月，山西農(nóng)業(yè)大學和山西省農(nóng)業(yè)科學院合署改革，成立新的山西農(nóng)業(yè)大學。合署改革以來，學校在專業(yè)設置、人才培養(yǎng)模式等方面做出重要改革，切實推動了新工科建設的步伐[3-5]。新工科具有引領性、交融性、創(chuàng)新性、跨界性和發(fā)展性等特征，對課程體系、教學內(nèi)容、教學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化專業(yè)、農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)的課程教學改革指明了方向[6]。

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

1 教學現(xiàn)狀及存在問題

1.1 教學內(nèi)容偏理論，學科交叉較少

自動控制原理課程具有理論性強、抽象概念及分析方法多等特點。經(jīng)典控制理論部分主要講自動控制一般概念、控制系統(tǒng)數(shù)學模型、線性系統(tǒng)時域分析法、線性系統(tǒng)根軌跡法、線性系統(tǒng)頻域分析法及自動控制系統(tǒng)設計與校正，課程內(nèi)容理論性較強，理論推導偏多。自動控制原理課程涉及高等數(shù)學、復變函數(shù)、電路、模擬電子技術及Matlab 程序設計等多學科知識，受到傳統(tǒng)教學內(nèi)容和壓縮課時的限制，對于控制理論和電氣工程、農(nóng)業(yè)工程相關學科的結合較少，學科交叉融合未能得到充分體現(xiàn)[7-8]。教學內(nèi)容缺乏新意，對于自動控制理論在我國國防、現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和航天等領域的研究進展講解較少，沒有將控制工程前沿領域知識引入課堂。

1.2 教學方法單一

傳統(tǒng)的自動控制原理課程主要以教師課堂講授為主，通過課堂提問和課后答疑進行互動。盡管近年來通過共享優(yōu)質在線教育資源，引入了線上線下混合式教學模式，但由于本課程對于學生的數(shù)學知識和自然科學知識等預備知識要求較高，學生容易產(chǎn)生畏難情緒，學習主動性欠缺，課堂參與度不高，缺乏廣泛地互動研討，學生學習積極性有待提高。

1.3 實踐教學模式固化

在各高校普遍壓縮課程學時的背景下，自動控制原理課程采用理論教學（38 學時）+實驗教學（10 學時）的培養(yǎng)模式，在培養(yǎng)模式中，重理論、輕實踐的現(xiàn)象依然存在。在教學過程中缺少理論與工程背景相結合，從而導致學生缺乏對工程問題的深入認知。新的教學大綱調(diào)整后，盡管每一章后面增設了Matlab/Simulink 仿真驗證環(huán)節(jié)可以有效地幫助學生對控制理論相關知識有更深入的認識，但僅停留在仿真層面，沒有將工程實踐與控制理論結合起來。在實驗教學中，以驗證性實驗居多，創(chuàng)新性實驗偏少。這種傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式，不利于學生對復雜工程問題的理解，也不符合新工科對創(chuàng)新型、實踐型人才的培養(yǎng)要求。如何在有限的學時內(nèi)讓學生掌握自動控制基礎知識和相關技能、具備設計控制系統(tǒng)的能力是本課程的核心教學任務，是教學改革的主要目標。

2 教學改革措施

2.1 修訂教學大綱

以新工科為背景，以培養(yǎng)交叉型、創(chuàng)新型和實踐型人才為目標，將課程思政融入教學中，從山西農(nóng)業(yè)大學電氣工程及自動化專業(yè)最新人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求出發(fā)，結合課程專業(yè)特點綜合考慮，明確本課程所支撐的畢業(yè)要求指標點，據(jù)此確定本課程的4 個培養(yǎng)目標[9]。課程目標對畢業(yè)要求的支撐矩陣如表1 所示。在此基礎上，確定課堂教學內(nèi)容、實驗內(nèi)容、教學策略及課程教學目標達成考核評價方式，從而完成教學大綱的修訂。

2.2 教學內(nèi)容改革

以新工科為契機，根據(jù)新的教學大綱，對教學內(nèi)容進行整合、梳理、更新。對原教學內(nèi)容進行梳理，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計和系統(tǒng)應用為主線，將經(jīng)典控制理論部分整合為自動控制系統(tǒng)基本概念、控制系統(tǒng)數(shù)學模型、線性系統(tǒng)時域分析法、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。通過不同時期我國自動控制理論發(fā)展的典型人物和案例，引導學生思考、體會我國在自動控制領域取得的成就，深刻體會到專業(yè)知識的應用與專業(yè)發(fā)展前景，樹立努力學習、科技報國的理想。通過“穩(wěn)定性”的概念，引導學生意識到現(xiàn)在的幸福生活得益于社會穩(wěn)定，從而啟發(fā)學生身體力行，從我做起，為班級、社會穩(wěn)定做出自己的貢獻[10]。

針對各個章節(jié)內(nèi)容，增加該領域的最新研究進展，將專業(yè)領域前沿知識帶進課堂，激發(fā)學生的學習興趣。在反饋控制部分，添加神州十六號載人飛船與火箭成功分離，進入預定軌道與空間站組合體對接；無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行；人造衛(wèi)星準確進入預定軌道并回收；現(xiàn)代化生產(chǎn)流水線上的裝配機器人將零件精確安裝等[11]。在控制系統(tǒng)數(shù)學模型部分，添加智能電網(wǎng)控制系統(tǒng)，將電路、復變函數(shù)、數(shù)學和物理知識綜合起來，體現(xiàn)多學科交叉融合的特點。在控制系統(tǒng)分析與設計校正部分，添加溫室小氣候監(jiān)測與控制系統(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。

2.3 教學方式改革

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

（1）開展案例式教學。自動控制原理課程具有較強的抽象性和理論性，為了幫助學生更好地掌握自動控制的基本理論和分析設計方法，為今后從事自動化領域應用打下堅實的基礎，針對學生考研和就業(yè)的不同需求，將團隊教師的科研項目融入教學案例設計，典型案例教學設計如圖2 所示。

（2）小組合作學習。將學生分為若干小組，每組布置一道包含多個知識點的綜合性題目，學生課下通過查閱文獻、軟件建模完成，課堂選派一名代表上臺展示，據(jù)此打分作為學生平時成績的一部分。如給出一個實際控制系統(tǒng)，要求設計校正裝置，使系統(tǒng)滿足一定的性能指標（相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、截止頻率等）。學生需要查閱資料對控制系統(tǒng)建模，選擇校正裝置，計算性能指標等，還要使用Matlab/Simulink 軟件對校正前后進行仿真對比。這個過程將復雜工程問題逐層分解，運用不同的學科知識來解決，既提高了學生的學習參與度，又體現(xiàn)了新工科多學科交叉融合的特征，提升了學生解決復雜問題的能力。

（3）混合式教學。新工科人才培養(yǎng)面臨嚴重的自動控制原理等專業(yè)課程課時不足問題，通過在學習通平臺建課，由團隊教師主講，建立精品課程資源，將線上教學和線下教學作為互相補充的兩個部分，形成課前預習、課中認真聽課、課后復習的培養(yǎng)模式。一方面通過線上學習提高課堂教學的效率，將經(jīng)典控制理論的25 個知識點通過課程團隊教師研討在學習通平臺建課，提前發(fā)布教學資源，以此作為學生課前預習課后復習的參考。另一方面，線下課堂集中講授，更加形象直觀地突出強調(diào)重點和難點，能進一步加深學生對自動控制原理基礎知識的掌握，有助于培養(yǎng)學生用自動控制知識解決工程復雜問題能力。

2.4 實踐教學模式改革

為了適應新工科背景下人才培養(yǎng)實踐性的要求，有效培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，對原有的自動控制實踐教學模式進行了創(chuàng)新。①打破原有實驗教學模式，在完成原有驗證性實驗的基礎上，增加設計性、創(chuàng)新性和綜合性實驗。在人才培養(yǎng)方案的修訂中，增設自動控制原理課程設計環(huán)節(jié)。②鼓勵學生參加學科競賽，如數(shù)學建模大賽、全國大學生電子設計競賽、大學生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽。理論聯(lián)系實際，以賽促學，開展實踐能力、應用能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。③通過與國網(wǎng)山西電力太谷分公司、平遙減速器廠、中國一拖集團合作，建立了產(chǎn)學研實踐平臺，為新工科人才培養(yǎng)提供了有利條件。帶領學生參觀企業(yè)實驗室，邀請企業(yè)一線工程師講解，并鼓勵學生參與解決企業(yè)實際工程問題。

3 實踐效果

新工科背景下，對自動控制原理課程進行教學改革以來，取得了一系列教學成果。近3 年來，農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)獲批山西省高校一流專業(yè)建設點，自動控制原理課程獲批校級一流本科課程，擬申報省級一流精品課程。團隊教師獲批省級教改項目3 項，校級教改項目1 項。學生學習積極性和主動性都有了較大提升，課堂參與度高，對知識點的掌握牢固，考試不及格率低，能靈活地運用自動控制理論的知識解決電氣工程、農(nóng)業(yè)工程領域相關問題。近3 年的教學成果數(shù)據(jù)統(tǒng)計，學生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學生數(shù)學建模競賽、全國大學生電子設計競賽、中國無人機與機器人應用大賽及中國大學生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽等多項競賽活動并獲得優(yōu)異成績。2021 屆學生考研升學率34.00%；2022 屆學生考研升學率27.59%，就業(yè)率近90%；2023 屆學生考研升學率21%，就業(yè)率79%。學生畢業(yè)大多赴國家電網(wǎng)或電力工程相關企業(yè)工作，成為電力行業(yè)的技術骨干。

4 結束語

本研究以新工科背景下對人才培養(yǎng)的需求為導向，針對農(nóng)業(yè)院校自動控制原理課程教學中存在的不足，重新修訂教學大綱，對本課程的教學內(nèi)容、教學方式、實踐教學模式進行了教學改革探究。構建了具有前沿性、多學科交叉融合的教學內(nèi)容，開展了多樣化教學方式，激發(fā)了學生學習興趣，提高了學生學習積極性和主動性。構建了新的實踐教學模式，提高了學生分析與解決復雜工程問題能力、實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，增加了實踐育人水平，為新工科背景下兄弟院校自動控制原理課程教學改革提供參考。

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