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摘 要：《自动控制原理》是许多工科专业的专业基础课，是后续多门课程学习的基础。本文以西北工业大学航海学院为研究背景，围绕学院特色以及“海洋工程大类”培养模式，针对课程在当前教学过程中存在的主要问题， 对课程的教学内容、教学模式、考核体系等方面进行了改革探索。课程的改革将加深学生对知识的理解，激发学生的创新意识，提高学生解决实际问题的能力，为培养创新型人才作贡献。
关键词：自动控制原理；创新型人才培养；教学改革
本文引用格式：张卓，张守旭，李慧平 .“海洋工程大类”培养模式下的《自动控制原理》课程教学改革探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(40):70-72,90.
Teaching reform of the Automatic Control Principle under the "marine Engineering major" mode
ZHANG Zhuo, ZHANG Shouxu, LI Huiping
（School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an Shaanxi）
Abstract: The of Automatic Control Principle is the basic course of many engineering majors and the basis of the follow- up multi courses. This paper takes the institute of navigation of School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University as the research background, and explores the reform of the teaching content, teaching mode and assessment system of the course according to the main problems existing in the current teaching process, focusing on the characteristics of the college and the training mode of "marine engineering major". The reform of curriculum will deepen students' understanding of knowledge, stimulate students' innovative consciousness, improve their ability to solve practical problems and contribute to the cultivation of innovative talents.
Keywords: Automatic Control Principle; training innovative talents; reform in education
一 引言
21 世纪，人类进入了大规模开发和利用海洋的时期，海洋在国家经济发展及维护国家主权问题中显得尤为重要。在党的十九大报告中，习近平总书记指出：“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”[1]。西北工业大学（以下简称“我校”）航海学院（以下简称“我院”）面向国家海洋安全和智慧海洋等重大战略需求，自 2019 年开始实施了“海洋工程大类” 培养方案，旨在培养科研学术型、创新型和应用型人才，是我校“三航（航空、航天、航海）”人才培养特色的重要支撑之一。
《自动控制原理》课程是我院信息工程方向下的专业核心课程，是控制系统分析与设计的经典理论和核心工具，是目前工业自动化系统中广泛应用的方法和手段，是学习复杂控制系统和先进控制理论的基础 [2-3]。课程的方法和理论对于将来从事船舶与海洋工程、探测制导、自动化等方向科学研究的本科生来说是必不可少的。同时，也为我院后续专业课程《无人水下航行器建模与控制》《水下航行器总体技术》《智能控制》等奠定理论基础。因此，本文将结合我院“海洋工程大类”的人才培养模式及特点， 针对课程的教学内容以及教学模式等方面进行改革探索，旨在提高学生对课程知识的理解，培养学生的创新意识以及综合应用能力。
二 课程教学现状
（一） 教学内容方面
我院《自动控制原理》课程主要讲授经典控制部分，课程所涉及的知识点多，基本概念抽象，数学推导复杂，课程的内容与后续相关专业课程之间的联系不紧密，导致学生无法很好地利用课程中所学到的知识来提高自身的专业综合能力。以上存在的问题将导致学生只是在机械地学习知识点，却不清楚为什么要在我院的海洋工程大背景下学习该课程，以及该课程对于未来从事相关专业的研究工作有什么作用，容易使其在学习中产生困惑感甚至厌学情绪。
（二） 教学模式方面
目前，我院《自动控制原理》课程仍采用传统的教学模式：教师在讲台前讲课，学生在台下被动地听课；学生课下完成教师所布置的习题作业；课程结束之后进行期末考试，课程的考核方式则以平时作业完成情况和期末考试成绩为主。尽管近年来引进了各式各样的先进教学手段，但从根本上仍是以灌输式的传统教学模式为主。被动机械地听课无法调动学生的学习积极性，导致普遍存在学生对课程内容缺乏兴趣、课堂回答问题迟钝、课后作业敷衍了事。此外，仅通过布置习题作业和期末考试并不能很好地培养学生对知识的综合运用能力。这种传统的教学模式极大地限制了学生的创造性思维、学习的主动性，以及利用所学知识进行实践应用的能力。
三 课程教学改革
（一） 问题驱动教学法
在传统《自动控制原理》课程的教学内容中， 所分析的控制系统并非是针对某一特定的对象，而是将其规律抽象出来。这种传统的教学内容固然能够为学生揭示控制系统分析中的一般性机理，但也由于未结合实际应用背景，具有很强的抽象性，导致学生难以理解。为加深学生对课程相关方法以及实际应用问题的理解，可采用“问题驱动”式教学方法，具体思路如下：首先提出一个涉及控制系统性能分析方面的工程实际问题；其次介绍影响系统性能的条件；最后通过研究具体的方法，设计相应的参数条件，达到期望的控制系统性能。简单来说， 就是以“提出问题、分析问题、解决问题”这一模式作为每一环节教学内容的主线，采取从特殊到一般的方法来讲解课程内容，有导向性地让学生进行学习，力求通俗易懂。例如，在给学生讲解控制系统的动态响应分析时，首先从系统动态特性的基本
概念入手，通过水下航行器在过大的振荡响应下偏离目标航迹的案例来介绍“什么是控制系统的动态响应特性”；其次针对一阶、二阶、高阶系统的数学模型，讲解影响系统各种动态响应指标的条件；最后以水下航行器的三通道控制回路（俯仰、偏航、滚转）作为实例，学习如何设计控制参数，以满足系统期望的动态性能。图 1 给出了以上“问题驱动” 教学法的示例。
图 1 “问题驱动”教学法示例
“海洋工程大类”培养方案旨在培养海洋工程领域的科研领军人才，相关专业的主要载体是水下航行器。传统《自动控制原理》课程的内容主要以电学为主，教材中的例题和习题也大多是各种电路系统，但我院的专业体系设置以及学生未来所从事行业均与水下航行器相关，因此需要针对课程内容进行适当的调整。将水下航行器运动学和动力学的建模以及控制问题作为课程的应用对象，在课件中适当增加水下航行器执行任务的相关视频，介绍先进的水下航行器控制技术，激发学生的学习兴趣，提高学生运用课程知识解决实际工程应用问题的能力。该教学方法的体系结构如图 2 所示。
图 2 基于水下航行器的课程教学方法体系结构图
（二） 翻转课堂教学法
翻转课堂译自“Flipped Classroom”，是将知识传授和知识内化进行颠倒性实施的一种新型教学模式，将学习的主动权从教师转移至学生，彻底颠覆了传统的灌输式授课方式 [4-5]。翻转课堂的思想由美国科罗拉多州洛矶山林地公园高中的两位化学老师Bergmann 与 Sams 在 2007 年首次提出，旨在解决学生缺课问题并进行补救教学，这两位老师先录制影片上传至网络，让学生自己上网自学；课堂上则增加与学生的互动，或解惑、或实验 [6]。之后，美国的各大高校，包括迈阿密大学、波多黎各大学、中田纳西州大学等，也陆续开展了翻转课堂的实施与尝试 [7]。
在翻转课堂教学模式下，教师事先针对下一堂课的教学内容设计制作教学资源，学生在课前利用教学资源进行自主学习；而课上则变为教师解答问题和交流的场所，教师根据学生在课前学习过程中遇到的普遍性问题，课上进行引导性地教学，并组织学生之间进行讨论交流，实现课堂时间的利用最大化，目的是令学生通过自主学习来获得对课程知识更深刻的理解。此外，还可以依据学生的学习情况对教学内容进行拓展延伸，随堂举办学术沙龙， 感兴趣的学生介绍自己的创新性想法或科研工作， 并与教师和其他同学进行交流互动，激发学生对课程内容以及科研的兴趣，启发学生的创新性思维。以 PID 控制器设计为例， 让学生在课前先学习 PID 控制器的结构和传递函数，理解 PID 控制器中“比例控制、积分控制、微分控制”环节分别会对控制系统的性能造成什么影响，并完成教师事先布置的练习内容；教师在课上让学生针对水下航行器运动学控制系统，根据给定的性能要求，设计优化 PID 控制器参数，并依据学生在课前通过自学对课程内容的理解程度，有针对性地进行引导性教学。
翻转课堂的基本流程如图 3 所示。
图 3 翻转课堂的基本流程图
（三） 综合设计性实验设置及仿真软件运用
目前，我院《自动控制原理》课程的实验环节主要采用验证性实验，即学生按照教师预先设计好的步骤对已知结论进行验证，这种方法只能让学生完成一些重复性的工作，不利于培养学生的创新能力和自主解决问题的能力 [8]。“海洋工程大类”培养方案旨在培养创新型人才，因此需要对课程的实验内容进行改革，通过设置一些综合设计性实验来激发学生的创新意识。综合设计性实验旨在让学生利用本课程涉及的综合知识，并结合其他相关知识（如理论力学、线性代数等），自行设计实验方案和步骤， 以获得期望的实验结果。综合设计性实验能够让学生将所学的相关知识进行串联整合，还能够使其针对某一问题开展深入研究，有利于提高学生解决实际工程应用问题的能力。例如，开展水下航行器航向运动保持控制实验，让学生采用时域法设计能够保证系统达到给定性能指标的 PID 控制器，再利用仿真软件验证控制器的有效性。
为实现课程理论和实践的结合，需要在教学过程中引入仿真软件，而目前在《自动控制原理》课程中应用最为广泛的仿真软件是 MATLAB。MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称， 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB 的应用范围包括信号图像处理、通信、控制系统设计、测试、测量等多个领域 [9]。MATLAB 中附带有各类可扩展的工具箱，并具备图形式交互环境，可用于控制系统的设计、建模以及可视化图像分析等。学生通过 MATLAB 软件可以实现课程中各种方法的验证以及综合性实验的设计，包括数学模型构建、稳定性分析、动态响应指标分析、PID 控制器参数优化等等，同时还能够快速提升实践动手能力以及对所学到的理论知识的综合应用能力。
（四） 完善考核评价体系
目前，我院《自动控制原理》课程的考核是以期末考试成绩为主，这种考核评价体系存在一定的弊端， 不符合“海洋工程大类”人才培养宗旨，不利于培养创新应用型人才。可以尝试以期末考试 + 大作业的综合形式进行考核，大作业要求学生利用仿真软件完成水下航行器控制系统设计并提交学术报告，主要考察学生对知识的综合运用能力。此外，还将为学生提供一次提高总成绩的机会，即学生如果对自己的成绩不满意，可以申请进行一次综合设计性实验，教师则根据学生对实验的情况决定是否加分及加分多少。
四 结语
《自动控制原理》课程是我院的专业核心课程，该课程主要应用数学手段来抽象与概括工程应用中有关的系统动力学问题，是目前工业自动化系统中广泛应用的方法和手段。本文结合我院“海洋工程大类”人才培养宗旨，从创新应用型人才培养的角度出发，通过分析我院该课程的教学现状，对课程的教学方法、内容、模式等方面的改革进行了探讨。采用问题驱动式教学法和翻转课堂教学法来加深学生对知识的理解，激发学生的学习兴趣；通过综合设计性实验的设置和考核评价体系的改革，培养学生的创新意识以及对知识的综合应用能力。后续将针对课程改革方案在实践中所遇到的问题，进一步探讨与完善方案。
参考文献
[1]王宏 . 海洋强国建设助推实现中国梦 [N]. 人民日报 ,2017-11- 20(007).
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[4]王瑞娟 , 印志鸿 . 基于微课的翻转课堂在任务驱动式实践教学中的应用 [J]. 现代教育管理 ,2017(12):85-89.
[5]苟燕 , 赵希武 . 基于“学堂云 + 雨课堂 + 直播课堂”的在线翻转课堂教学模式设计与实施 [J]. 计算机教育 ,2020(11):66-71.
[6]Bishop J L, Verleger M A. The flipped classroom: A survey of the research[C]. ASEE national conference proceedings, Atlanta, GA. 2013, 30(9): 1-18.
[7]何朝阳 , 欧玉芳 , 曹祁 . 美国大学翻转课堂教学模式的启示 [J]. 高等工程教育研究 ,2014(02):148-151+161.
[8]张艳美 , 栾雅琳 , 王斌 . 基于能力培养的土力学综合性实验设计与实践 [J]. 实验技术与管理 ,2018,35(03):206-208+212.
[9]李维波 .MATLAB 在电气工程中的应用实例 [M]. 北京 : 中国电力出版社 ,2012.
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