鲍乐平

(太原工业学院 自动化系, 太原 030008)

“自动控制理论”是机电控制类专业学生的一门重要的基础课程。学好该课程对学生今后进行相关专业的学习和从事相关工作的研究都有着非常重要的意义。

根据社会对应用型本科院校人才培养目标要求和教育部高等学校自动化专业教学指导分委会的指导意见，我院自动化专业培养目标是“培养德、智、体、美全面发展，素质、能力、知识协调统一，在控制理论、控制系统、生产过程自动化等领域具有宽广理论基础和相关专门知识，获得自动化工程师基本专业技能和工程实践训练，具有较强解决实际工程问题能力的，具有创新和开拓精神的高级工程技术应用型人才。毕业生能在工业企业或科研院所等部门作为一线工程师从事有关过程控制、运动控制、自动化仪表和设备、智能监控系统、智能建筑、智能交通、物联网等方面的工程设计、技术开发、系统运行管理与维护的工作。”

从上述我院自动化专业培养目标，结合“自动控制理论”课程的教学要求，可以看出该课程在整个自动化专业培养人才过程中所应有的重要性，也就是说应用型本科院校“自动控制理论”课程所应达到的要求——掌握宽广的理论基础、获得基本的专业技能和工程实践训练、具有较强的解决实际工程问题的能力。

笔者认为，自动化专业培养目标对于应用型本科院校“自动控制理论”的教学要求，不是在应用的背景下降低了该课程的教学要求，而是在对于基本理论知识的教学要求不变的前提下，从应用的层面来说，提出了更高的要求。即除了要求学生掌握必备的基础理论知识外，更重要的是要求学生通过学习“自动控制理论”获得一定的专业技能和工程实践训练，具备较强的工程实际问题的解决能力。

如何适应新形势下社会对应用型本科院校的新要求，如何适应现代企业对应用性人才的需求，这对于“自动控制理论”课程的教学改革提出了新的要求。

1 “自动控制理论”教学存在的问题

在教学过程中，我们发现，相当一部分学生对于“自动控制理论”知识的理解和掌握有一定难度,是学生普遍认为难学的课程。总结原因如下：

“自动控制理论”应用背景广泛、内容多、学科的交叉性、理论性、综合性都很强。涉及机械、电路等很多学科知识，还涉及到复杂的数学知识，比如 Laplace变换，Z变换等，要求学生具备较好的数学基础。此外，当前“自动控制理论”课时减少，但原有的教学内容并没有删减，导致教师对于教学内容处理不好。除了上述原因，由于高校扩招，导致我校这类二本学校生源质量整体有所下降。学生的特点是基础较薄弱，学习习惯不好，学习积极性、主观能动性不高。一些学生对于不懂的问题，不会及时主动去解决。这些都是导致该课程让学生感到难学的原因。

2 “自动控制理论”课程教学改革

针对当前国家对于应用型技术人才培养要求，结合我院学生在学习该课程中存在的问题。我们在吸收国内外先进教育理念及教学实践的基础上，积极探索适合应用型本科院校特点的改革研究[1]。在本院自动化专业进行“自动控制理论”课程教学改革中，做了一些尝试性和创造性的工作。遵循“应用的理论、理论的应用” 这一具有应用型本科院校特色的教育理念，将其始终贯彻到课堂理论教学和延伸到课外实践教学活动之中，在课外实践教学中实施项目教学法。

2.1 针对“应用的理论”教学内容改革

结合本课程理论性强，工程应用背景广泛，涉及知识面宽，学生数学基础差等特点，充分考虑到应用型本科院校对人才培养的要求。我们在讲授本课程内容时，力求内容通俗易懂，简单精炼，又不失严谨性。

对于“自动控制理论”课程，不仅仅简单传授其理论知识，而是注重教材内容的思想、研究方法的表达及应用背景介绍。针对“自动控制理论”这门来源于实践应用的理论，结合实际应用例子来讲解知识。例如，通过液位控制系统、随动控制系统、计算机控制系统等具体自动控制系统的分析，通过总结归纳其共同特点，从系统学的角度引入自动控制系统概念。在举例子时，不是片面地为了让学生理解某个知识点来讲解例题，而是将自动控制的概念原理方法贯穿到例子中，通过例子的讲解让学生深刻理会所学知识，明白自动控制理论的基本道理。使学生明白本课程为什么会去研究自动控制系统一般理论这样的问题(why)；研究自动控制理论的什么问题(what)；用什么样的方法进行研究(how)。以利于学生对自动控制理论知识的理解和掌握。

在对国内外“自动控制理论”[1-6]课程相关教材进行了深入系统研究的基础上，根据学生在本课程学习中存在的一些问题以及本课程教学学时减少的状况，对本课程教学内容进行了适当取舍、更新和补充，适当更新和充实实验内容。例如，在第二章时域分析部分介绍典型的测试信号时，不同于文献[4]的处理，而是利用信号的傅里叶展开从研究的角度解释了为什么首先研究典型信号及其时域分析；在二阶及高阶系统时域分析部分，增加了介绍Laplace变换在时域分析运算时的优点；对第五章频域分析Nyquist稳定判据的证明，进行了简化，先讲解数学幅角原理的证明，类比于幅角原理，再讲解Nyquist稳定判据判据的证明，学生对此就较易消化。此外，根据“自动控制理论”教学学时减少的现状，我们对于离散控制系统的分析章节教学学时进行了压缩。在离散控制系统的分析与设计教学上，简化具体数学公式的推导，以问题为导向，强调其思想性方法性。类比前面连续时间控制系统的分析和设计方法，从研究方法入手，向学生介绍离散控制系统的相关知识。具体的推导过程则由学生课后自学完成。事实证明，这样的做法是行之有效的，较好地完成了教学任务。

2.2 针对“理论的应用”，实施项目教学法

本校自动化系非常重视实验教学，建设的自动化实验教学中心，有关“自动控制理论”课程的实验平台便有：系统仿真实训室、GE智能平台自动化系统集成实训室、GE智能平台自动化基础实训室、自动化系统创新工作室和机器人实验室等。实验教学中心已有的设备运行情况良好，可以满足本课程实验要求。在完成教学大纲规定的实验任务的前提下，还实施了项目教学法。

项目教学法是学生在教师的指导下，围绕着具有实用意义的项目任务进行学习的方法。项目教学采用理论与实践紧密相结合的方法，不仅能提高学习效果，保证教学质量，而且还可以培养学生解决工程实际问题的能力，是一种行之有效的人才培养方法[7]。

“自动控制理论”课程实践教学的具体做法是：在大学生创新项目和机器人比赛项目中加强有关自动控制系统的项目课题。在本科生毕业设计方面，也特意让学生选一些涉及自动控制系统的设计和实物制作的项目。比如，近3年来，自动化专业学生参与省级大学生创新项目：《智能番茄采摘机器人》、《基于超声波的语音导盲系统设计与研究》；毕业设计题目：《家用无线火灾报警系统的设计》，《基于西门子PLC的工业几下手运动监控系统设计》；参与机器人比赛项目：《智能快递分类机器人》等都是和自动控制系统有关的项目。以《智能番茄采摘机器人》项目为例(见图1)，对该项目，不仅仅要求学生制作出实物，还要求他们利用自动控制原理绘制该系统的框图，分析系统的工作原理。通过分析，同学们加深了自动控制反馈系统原理及PID控制调节参数原理的认识。

图1 学生制作的智能番茄采摘机器人在模拟番茄采摘场景

通过参与这些课外实践项目，把“自动控制理论”课程“理论的应用”延伸到课外实践活动之中。巩固了学生对自动控制系统的理解，使学生学会用系统的观点看待问题，培养学生对于自动控制系统的分析和设计能力，提高学生动手能力。

3 教学改革效果

(1)针对“应用的理论”教学改革，使得“自动控制理论”课程教学效果有了明显的改善。通过学生反馈，基本掌握了课程教学大纲要求掌握的基本理论，对本课程研究内容、研究方法有较清晰的认识。大部分同学认为本课程学习效果改变了过去认为本课程是自动化系乃至全院最难学习最难通过考试的一门课程的偏见。在近几年考研中，作为自动化专业考研课程的“自动控制理论”，我系学生在该课程每年考取140分以上的大有人在。本院自动化专业考研成功率由2015年、2016年、2017年的4.84%、10%、8.87%上升到2018年、2019年、2020年的12.62%、 18.18%、26%。从数据中可以看到考研成功率逐年有大幅提高。这与“自动控制理论”成绩的提高是密不可分的。还有一些学生考入了985和双一流院校深造。虽然说同其他院校相同专业比较，还有较大差距。但是，在我们这类没有保研资格且自身没有研究生招生的应用型二类本科院校来说，考研成绩是令人满意的。

(2)针对“理论的应用”进行项目教学，在课外实践活动中，学生通过大创和机器人比赛或者毕业设计项目，都取得了较好的成绩。近年来，本院自动化专业学生参加全国大学生机器人竞赛、全国大学生创业大赛有多人多次获奖。在近3年的大学生创新项目中，获国家级大学生创新项目2项，省级大学生生创新项目7项，院级大学生创新项目多项。一些学生在教师的指导下发表了有关项目的论文或专利。尤为突出的是，近年来本专业学生参与到太原工业学院机器人队，在全国或者区域性机器人大赛中崭露头角，多次取得骄人的成绩。本专业毕业生中有项目经验动手能力强的毕业生普遍受到用人单位的欢迎。在当今大学生就业难的状况下，这部分有项目经验动手能力强的毕业生都能找到较为理想的工作顺利就业。

4 结语

基于“理论的应用、应用的理论”教育理念的“自动控制理论”教改，一方面为本课程教学积累了丰富的经验，另一方面也为应用型本科院校人才培养提供了一些宝贵的办学思路。应用型本科院校人才培养的目的在于向社会输送合格的工程领域技术人才。基于本课程在理论教学和课后实践教学教改取得的一些成效的思考，笔者认为应用型本科院校对于人才的培养，应该坚持二个方向办学和培养学生。一个方向是注重理论知识教学，让学生在本科阶段学习过程中具备扎实的专业理论基础知识。积极鼓励引导学生考研，向高一级院校输送合格的研究生生源。从本院2019年和2020年自动化专业学生考研率的大幅提高以及考入985和双一流院校学生人数的增加，说明我们在理论课程教学尤其是考研核心课程教学中，让学生夯实理论基础，扎实学习。我们应用型本科院校完全有能力向高一级院校输入优质的研究生生源，为社会培养更优秀的工程技术应用型人才贡献我们的力量。另一个方向是，直接向社会输送技术人才。在教学过程中注重理论和实践相结合的教育。让学生参与到理论课堂教学以外的第二课堂项目教学中，积极参与大学生创新项目、各类大学生项目竞赛等，直接参与实际问题项目课题研究，理论紧密联系实践，培养学生解决实际问题的能力，提高动手能力。通过这样的途径，获得一定的专业技能和工程实践训练，有效提高学生就业率。

实践证明，基于“理论的应用、应用的理论”教改，在自动化专业“自动控制理论”课程进行教学内容改革，教学方法改革，把理论课程延伸到课外教学实践环节，理论和实际问题相结合进行项目教学，效果较好。在教学过程中，只有不断探索不断创新，才能适应时代发展对应用型人才的需求，培养出国家所需要的优秀人才。