本科院?！白詣?dòng)控制原理”課程建設(shè)的研究與實(shí)踐

程文雅，余夢(mèng)璐，張 凡，郭洪佚

（西南交通大學(xué) 希望學(xué)院，四川 成都 610400）

1 課程的定位和特點(diǎn)

“自動(dòng)控制原理”是所有本科院校自動(dòng)化類(lèi)專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是考研初試重點(diǎn)考察的專業(yè)課科目之一。但是，建筑電氣與智能化專業(yè)有著與其他自動(dòng)化專業(yè)顯著的特征，因此，“自動(dòng)控制原理”也成為該專業(yè)的一門(mén)專業(yè)核心課程。針對(duì)專業(yè)自身的特點(diǎn)，重點(diǎn)結(jié)合建筑的應(yīng)用背景，在智能建造的大環(huán)境下，使學(xué)生掌握基本的理論知識(shí)，并在各種工程實(shí)際中去體會(huì)控制的思想，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化控制的方案，使得建筑的環(huán)境更加智慧更加舒適。該課程是一門(mén)交叉的學(xué)科，涵蓋的知識(shí)面廣，內(nèi)容錯(cuò)綜復(fù)雜，基礎(chǔ)概念多且抽象，研究?jī)?nèi)容寬泛，要求學(xué)生具備良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，例如：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、大學(xué)物理等知識(shí)。因此，學(xué)生最初接觸該課程會(huì)覺(jué)得晦澀難懂，抽象復(fù)雜，教師教學(xué)難度較高。但是該課程在整個(gè)課程體系中有著承上啟下的作用[1]，不僅為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而且對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力有著深遠(yuǎn)的意義。此外，為適應(yīng)新一輪科技革命，支撐科技創(chuàng)新，服務(wù)“中國(guó)制造2025”，2017 年教育部提出新工科建設(shè)方案，將具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力，創(chuàng)新思維能力的應(yīng)用型人才作為新時(shí)代高校工科學(xué)生人才培養(yǎng)的基本要求[2]。因此，該文積極探索教育教學(xué)的改革和創(chuàng)新，細(xì)化教學(xué)目標(biāo)，改進(jìn)教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，豐富評(píng)價(jià)體系，力求做到在知識(shí)傳授過(guò)程中即包含顯性教育又包含隱性教育，將思政元素融入教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲，引領(lǐng)學(xué)生的價(jià)值觀，塑造學(xué)生品質(zhì)，培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

2 教學(xué)方法的優(yōu)化

針對(duì)本類(lèi)院校學(xué)生的特點(diǎn)和課程本身公式比較多，推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，概念抽象等特點(diǎn)，在課程建設(shè)的過(guò)程中，探索多種教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程。

2.1 理論講解加例證

由于自動(dòng)控制課程內(nèi)容的概念多且抽象，在講解理論知識(shí)的時(shí)候，借助網(wǎng)絡(luò)視頻和音頻動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生更加清晰直觀的體會(huì)控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。借助生活中的典型案例，引導(dǎo)學(xué)生思考，建立感性認(rèn)識(shí)。進(jìn)而從基本概念入手，通過(guò)講解加例證的方法，逐步深入，在例證中剖析教學(xué)內(nèi)容。各部分理論知識(shí)講解完之后輔助以真實(shí)的應(yīng)用案例來(lái)加強(qiáng)理解。例如在講解開(kāi)環(huán)控制的概念和功能后，列舉全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作模式，幫助學(xué)生深刻的體會(huì)開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)。最后以任務(wù)的形式驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，加以鞏固。布置任務(wù)，讓學(xué)生找尋課程內(nèi)容相關(guān)的控制案例，分析其規(guī)律，以小組的形式在課堂上匯報(bào)分享。此過(guò)程不僅能加深學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解，也進(jìn)一步提高其查詢資料和制作PPT的能力，促進(jìn)小組成員之間的分工合作。該種方式能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度。

2.2 滲透式

本課程的公式雖然多，但是有其自身的特點(diǎn)，公式本身都具有物理意義。所以在講授課程的過(guò)程中，注重闡釋其蘊(yùn)含的物理意義。在備課之前，先將本節(jié)課用到的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)公式總結(jié)出來(lái)，以儲(chǔ)備知識(shí)的形式帶領(lǐng)學(xué)生重新回顧學(xué)習(xí)，將公式的基本物理概念和原理滲透到教學(xué)過(guò)程中。進(jìn)而本課程教學(xué)用到相應(yīng)公式時(shí)，學(xué)生能夠清晰理解公式推導(dǎo)之間的變換關(guān)系，以及相應(yīng)的結(jié)論對(duì)應(yīng)的物理意義。哪些參數(shù)決定系統(tǒng)的哪項(xiàng)性能，使得分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)性能時(shí)更加有的放矢。

2.3 以賽促學(xué)

教學(xué)過(guò)程設(shè)置情景，每個(gè)情景都是完整的工作過(guò)程，情景設(shè)計(jì)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由單一到綜合，逐層推進(jìn)。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)不同的應(yīng)用情境，不僅能加深對(duì)本課程理論知識(shí)的理解，而且還可以了解工程的一般設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。借助四川省機(jī)器人大賽、全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等相關(guān)的比賽，以賽促學(xué)的方式加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐鍛煉，激發(fā)學(xué)生潛在的創(chuàng)造力，提升學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí)的能力。最終，使學(xué)生在比賽創(chuàng)設(shè)的復(fù)雜情境中解決實(shí)際問(wèn)題。

2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)模擬相結(jié)合

將教學(xué)過(guò)程與MATLAB 仿真工具相結(jié)合，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。MATLAB 是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，它的編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂，也被稱為草稿式的科學(xué)算法語(yǔ)言。內(nèi)部包含豐富的函數(shù)庫(kù)以及SIMULINK 工具箱[3]。通過(guò)該軟件老師可以演示較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，學(xué)生也可以課后獨(dú)立操作，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，生動(dòng)直觀的觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證控制規(guī)律。在課程建設(shè)過(guò)程中，注重實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，搭建現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。借助自控實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生可以在現(xiàn)實(shí)的操作面板上實(shí)現(xiàn)典型環(huán)節(jié)的連接、溫度閉環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)、PID 控制算法實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)模擬仿真和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，學(xué)生不僅能夠在現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的控制方案，也可以通過(guò)仿真驗(yàn)證復(fù)雜高階系統(tǒng)的性能，進(jìn)而更加系統(tǒng)全面的掌握學(xué)科內(nèi)容。

3 教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

“自動(dòng)控制原理”是一門(mén)理論性、綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)的課程。為了使課程更適合建筑電氣專業(yè)的學(xué)生，我們秉承“夠用”原則，確立了基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、頻域分析的四個(gè)模塊的體系。在教學(xué)改進(jìn)上，突出控制理論的物理概念以及智能化的工程應(yīng)用背景，淡化數(shù)學(xué)證明過(guò)程，注重實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

3.1 注重工程應(yīng)用背景

在教學(xué)內(nèi)容上，選取控制對(duì)象的時(shí)候，偏重選擇智慧建筑的物理量控制，更加凸顯專業(yè)特色。例如進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，主要圍繞穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性這三個(gè)指標(biāo)。無(wú)論是時(shí)域分析還是頻域分析核心的主題都是這三個(gè)指標(biāo)的優(yōu)劣。在教學(xué)中選取實(shí)際工程應(yīng)用的控制參數(shù)，先帶領(lǐng)學(xué)生分析工程原理，了解控制需求，建立模型，分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程。例如恒溫恒濕空調(diào)機(jī)的控制，分析其溫度和濕度的控制原理，建立模型，在節(jié)能的需求下如何實(shí)現(xiàn)空氣參數(shù)快速調(diào)節(jié)且準(zhǔn)確的維持在設(shè)定值附近。又例如在電梯運(yùn)行控制中，如何控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證電梯運(yùn)行的平穩(wěn)定和快速性等。在豐富的工程案例中，使學(xué)生帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)，主動(dòng)尋找解決方法，積極思索，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高工程實(shí)踐能力，強(qiáng)化學(xué)以致用的思維。

3.2 挖掘教學(xué)素材

在專業(yè)知識(shí)的傳授基礎(chǔ)上，塑造學(xué)生的價(jià)值觀。深度挖掘課程中的思政元素，踐行立德樹(shù)人的培養(yǎng)模式。將每個(gè)章節(jié)中專業(yè)知識(shí)與思政元素有機(jī)結(jié)合在一起，促進(jìn)知識(shí)和價(jià)值的雙重引領(lǐng)。

教學(xué)案例設(shè)計(jì)如下：

3.2.1 基礎(chǔ)理論部分

該部分主要是講解控制理論的發(fā)展以及基本的概念，自動(dòng)控制是脫離了人工控制，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)某種規(guī)律運(yùn)行的方式。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從最初的開(kāi)環(huán)控制，到經(jīng)典的反饋控制，以及復(fù)合控制的實(shí)現(xiàn)。在控制方式的改進(jìn)中，體現(xiàn)出發(fā)展的觀點(diǎn)，尤其是反饋控制，將輸出的效應(yīng)加入控制的調(diào)整中。這就指導(dǎo)我們用發(fā)展的眼光看待問(wèn)題，不能固化思想，一成不變，刻舟求劍。在生活中無(wú)論做什么事情，要時(shí)刻關(guān)注結(jié)果的輸出，如果效果不理想，及時(shí)調(diào)整方案。老師在教學(xué)過(guò)程中，要多關(guān)注學(xué)生的接受程度，及時(shí)調(diào)整授課方法和進(jìn)度。對(duì)學(xué)生而言，引導(dǎo)學(xué)生用聯(lián)系和發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)規(guī)劃自己的人生，遇到挫折不放棄，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整思路，改變策略。

3.2.2 系統(tǒng)建模

該部分的內(nèi)容主要是通過(guò)分析控制對(duì)象的特征和原理，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。建模的目的就是剖開(kāi)現(xiàn)象分析其中蘊(yùn)含的原理，在分析不同對(duì)象的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出截然不同的系統(tǒng)最終建立起的模型卻是相同的，通過(guò)分析模型中各個(gè)參數(shù)的影響，來(lái)指導(dǎo)不同的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)舉例，驗(yàn)證不同的系統(tǒng)建立相同的模型，進(jìn)而凸顯馬克思原理中善于抓住核心問(wèn)題，分析主要矛盾，圍繞事物的本質(zhì)特征，分析一般規(guī)律。例如：彈簧控制系統(tǒng)和RLC 振蕩電路，從表面看是兩個(gè)完全不同的系統(tǒng)，但分析原理建立起的模型都是二階控制系統(tǒng)。以實(shí)際案例來(lái)啟發(fā)學(xué)生在生活中不要被林林總總的現(xiàn)象迷失雙眼，善于剖開(kāi)現(xiàn)象分析事物的本質(zhì)，總結(jié)一般規(guī)律。在學(xué)習(xí)中要善于舉一反三，對(duì)于核心知識(shí)點(diǎn)要掌握牢固。

3.2.3 時(shí)域分析

該部分的內(nèi)容主要是在直觀的時(shí)間域中，評(píng)估系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。系統(tǒng)最首要的性能指標(biāo)就是穩(wěn)定性，在這個(gè)基礎(chǔ)上，爭(zhēng)取更快更準(zhǔn)確。穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性，這三個(gè)指標(biāo)之間卻相互制約相互矛盾。例如：如果過(guò)度追求響應(yīng)速度，則準(zhǔn)確性就無(wú)法保證。過(guò)度關(guān)注穩(wěn)定性，系統(tǒng)的反應(yīng)過(guò)程就會(huì)過(guò)長(zhǎng)。通過(guò)二階系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下不同阻尼比的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)的綜合性能最優(yōu)的狀態(tài)下，得出最佳阻尼比。這就啟發(fā)我們?cè)谧鍪虑榈臅r(shí)候需要綜合考慮影響因素，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)解的狀態(tài)。對(duì)教師的啟發(fā)，教學(xué)時(shí)適當(dāng)增加作業(yè)的難度會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，但是如果難度過(guò)大，就會(huì)抑制學(xué)生的熱情。對(duì)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生把握“度”的概念，綜合分析各種影響因素，不能過(guò)度追求單項(xiàng)指標(biāo)，合理的安排自己的學(xué)習(xí)和娛樂(lè)，使自己的狀態(tài)達(dá)到優(yōu)化的狀態(tài)。

3.2.4 頻域分析

該部分的內(nèi)容主要是在正弦信號(hào)作用下，分析頻率范圍從0-∞變化下系統(tǒng)的性能特征，該部分的圖形和公式比較復(fù)雜。為了在有限的坐標(biāo)段內(nèi)，更多表達(dá)出曲線的特征，科學(xué)家伯德積極探索，對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行變換，運(yùn)用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系。將線性坐標(biāo)軸變換為以對(duì)數(shù)刻度的橫坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)軸10 倍頻程的拓展，進(jìn)而在有限的圖幅上既能展現(xiàn)低頻段、中頻段的頻率特征，也能呈現(xiàn)出高頻段的特性。這部分的教學(xué)啟發(fā)我們通往成功的路徑不是唯一的，在做事情的時(shí)候要發(fā)散思維，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，另辟蹊徑。引導(dǎo)學(xué)生積極思索，激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的精神，樹(shù)立民族自信心，樹(shù)立“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”的飛躍的信念和決心。

4 教學(xué)評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)過(guò)程中，除了采用多元評(píng)價(jià)、過(guò)程性評(píng)價(jià)外，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加強(qiáng)課程的趣味性，增加了開(kāi)放性的評(píng)價(jià)元素，以小論文[4]的形式呈現(xiàn)，主題不限，可以是自控領(lǐng)域杰出科學(xué)家的事跡、自控最新的技術(shù)發(fā)展、智能制造紀(jì)錄片等，內(nèi)容必須跟本課程相關(guān)，需體現(xiàn)自動(dòng)控制的工程應(yīng)用以及所蘊(yùn)含的科學(xué)道理，或者是自身學(xué)習(xí)過(guò)程中的感悟。本課程最終的考核方式采用期末（占比50%）、平時(shí)成績(jī)（占比30%，包括考勤，課堂表現(xiàn)，小組匯報(bào)，作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)分析（占比15%）、思政元素（5%，小論文）、加分項(xiàng)目（0-10 分，學(xué)科競(jìng)賽的參與度和成果）。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)建筑電氣與智能化專業(yè)的“自動(dòng)控制原理”這門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)過(guò)程秉承“夠用”的原則，將經(jīng)典的控制內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、頻域分析四個(gè)模塊。在授課過(guò)程中，重點(diǎn)突出專業(yè)特色，注重與工程應(yīng)用背景相結(jié)合和工程應(yīng)用案例的滲透，以建筑中的控制系統(tǒng)的典型案例來(lái)引入和闡述相關(guān)的控制概念和實(shí)現(xiàn)方法。深入挖掘教學(xué)素材和課程中的思政元素，注重學(xué)生知識(shí)和價(jià)值的雙重培養(yǎng)。采用多種教學(xué)手段，使學(xué)生積極參與到教學(xué)中。改革考核方式，多元評(píng)價(jià)相結(jié)合，注重過(guò)程考核。