面向实践与创新能力提升的车辆工程专业自动控制原理课程改革与实践

摘  要：在汽车智能网联化发展背景下，为满足社会对车辆工程专业高素质人才需求。该文针对目前自动控制原理课程在教学过程中存在的缺乏实践与创新能力培养问题进行分析，并对课程教学内容、教学方式等进行改革与实践。将团队最新的科研成果融入教学当中，通过理论教学与科研相结合、理论研究与实践并重的启发式培养模式，达到提高学生实践与创新能力的目的，使学生能充分运用理论知识分析解决车辆工程领域控制类问题。

关键词：车辆工程;自动控制原理;课程改革;智能网联汽车;教学实践

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）08-0145-04

Abstract： In the context of the development of automobile intelligent networking， in order to meet the society's demand for high-quality automation talents in vehicle engineering. In this paper， the lack of practice and innovation ability in the teaching process of Automatic Control Principle is analyzed， and the teaching content and teaching methods of the course are reformed and practiced. The latest scientific research results of the team are integrated into the teaching， and through the heuristic training mode of combining theoretical teaching and scientific research， and attaching equal importance to theoretical research and practice， the purpose of improving students' practice and innovation ability is achieved， so that students can make full use of theoretical knowledge to analyze and solve control problems in the field of vehicle engineering.

Keywords： vehicle engineering; Automatic Control Principle; curriculum reform; Intelligent Connected Vehicle; teaching practice

随着国家节能减排和“碳达峰”“碳中和”战略的实施，汽车电动化、智能化与网联化已成为未来发展的主流方向[1]。自动控制原理课程是车辆工程本科专业基础核心课程，对培养学生建立自动控制思想和掌握相关控制技能具有重要支撑作用[2]。在汽车工业“三化”发展背景下，行业企业也对车辆工程专业毕业学生提出了面向产业新技术的实践技能和创新能力要求。因此，自动控制原理需要结合汽车工业发展趋势，更加注重培养学生应用控制理论解决智能网联和电动汽车相关控制工程问题的能力，为车辆工程专业自动控制领域的学习提供必要的理论和技术支撑，为从事新形势下车辆工程专业技术工作及研究打下坚实基础[3]。

因此，本文围绕昆明理工大学车辆工程专业人才培养目标及定位，结合自动控制原理课程教学内容特点及车辆工程领域专业知识，在课程教学过程中，充分发挥学校现有科研平台和学生竞赛对人才培养的支撑作用，注重从车辆系统控制方面引出控制理论的分析方法，通过理论教学与问题分析相结合，启发式培养学生运用理论知识分析解决车辆智能控制问题的能力，以满足汽车行业电动化、网联化、智能化发展背景下对技术人才的需求，提升本科生创新与实践能力。

一  车辆工程专业自动控制原理课程现状与问题分析

自动控制原理课程涉及的学生范围相对较广，在机电自动化、工业机器人技术、仪器系统工程和车辆工程等专业均开设了该课程[4]。面向车辆工程专业学生的课程授课内容、教学形式及教学目标需根据人才培养目标进行针对性设计，为车辆类专业课程的学习和深造打下必要的知识基础。在汽车电动化、智能化、网联化快速发展的背景下，自动控制原理课程在车辆工程专业的教学中迎来了全新挑战，总结目前在课程教学过程中存在问题如下。

（一）  在教学内容方面

目前该课程的授课内容一般只要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法，了解一些实际自动控制系统的控制原理等。然而这样的教学内容已经无法满足培养具有复杂工程实践能力及胜任未来汽车行业电动化、网联化、智能化发展背景下的人才需求。自动控制原理是帮助学生认识和了解自动控制理论、系统，建立自动控制思想的入门课程，以讲授经典控制理论在传统工业及车辆工程领域应用为主[5]。然而，伴随着电动汽车技术、自动驾驶技术及智能网联技术的快速发展，控制理论在车辆工程领域的应用对象及控制要求逐渐发生变化，要求学生掌握控制理论并应用于新领域的实践及创新能力也逐渐提高。但在教学过程中由于缺少对相关内容的讲授与针对性实践过程设置，从而导致学生不清楚如何用相关知识解决车辆工程领域电动化、智能化控制相关工程问题[6]。

（二）  在教学模式方面

目前仍与“培养创新与实践兼备型人才”的育人理念存在差距。当下该课程主要的授课模式为传统的线下授课方式，并以网络资源补充上课内容。偏重理论知识讲授和灌输，无法让学生成为主动学习的主体，从而缺少学习的积极性、主动性和创新性[7]。同时，以课堂理论知识授课为主的教学形式，使学生对知识学习停留在理论层面，缺乏与汽车整车及关键部件相关控制理论的实物应用与操作演示，理解不深，应用能力不足[8]。

（三）  在教学目标方面

目前，主要是为了培养学生掌握与现代汽车相关的自动控制工程基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析、计算和实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。然而大多数学生往往只熟悉课程内容，并没有与科研或实际运用相结合，以至于大多数学生并不具备对汽车领域控制问题的基本研究能力[9]。因此，在重点培养学生掌握汽车自动控制理论原理的同时，也应鼓励学生积极参加一些竞赛项目或者科研项目以加深对理论知识的理解和运用，同时有效地提高学生的创新与实践能力[10]。为今后从事汽车相关控制工程技术工作、科学研究以及开拓智能网联汽车领域新技术，打下坚实的基础。

二  自动控制原理课程改革与探索

昆明理工大学车辆工程专业是教育部首批新工科实践与探索专业，入选云南省一流本科专业，并通过了教育部工程教育认证。专业紧跟社会发展和国家经济建设需要，以培养新型实践与创新能力兼备的复合型高级工程技术人才为目标。自动控制原理课程是车辆工程本科专业基础核心课程，课程的总体目标是启发培养学生运用理论知识分析解决车辆智能控制问题的能力。通过课程的改革，使学生能够在更好地掌握控制原理的基本理论与方法的同时，掌握自动控制原理的实际工程应用及实践操作，能够较熟练地运用MATLAB软件进行系统分析与设计，培养学生分析、解决自动控制问题的能力和实践技能，为车辆工程专业学生在今后自动控制领域的学习、应用打下坚实的理论基础和技术支撑。因此，为了满足自动控制原理课程的预期教学目标，以提高学生创新实践能力为目标，围绕汽车电动化、智能化、网联化发展背景，对该课程进行改革。具体改革思路如下。

新型教学理念具体实施方法如图1所示。

（一）  教学与科研紧密结合，相互促进

秉持科教协同的教育理念，以增强学生实践与创新能力为目标。坚持科学研究与课程教学相结合，以科研带动教学，以教学反哺科研，通过校企合作与成果转化，充分结合理论知识与实践操作，提高教师队伍水平。构建以教授博导为带头人的教学团队，充分利用团队负责人以及团队教师在自动控制领域取得的科研成果，依托云南省内燃机重点实验室、昆明市新能源汽车重点实验室、昆明理工大学-贝加莱工业自动化联合实验室、车辆工程实验中心等多个科研平台，为学生提供自由探索、自主创新的平台，带领学生参加各类科研项目与课题竞赛，充分发挥试验基地的平台作用。

为使学生加深对自动控制原理在汽车产业中实际应用的理解，基于团队对智能网联电动车研究基础，在授课过程中引入本团队所发表的前沿科研论文。引入智能网联汽车动力系统控制与决策的案例，如跟车控制、速度规划等问题中的自动控制技术应用，同时指导学生使用编程软件编写相应的控制程序算法，实现控制结果的直接展现。通过引入相关前沿技术讲授与实践操作应用案例，不但可以实现教学内容与实际应用的有效关联，还可以帮助学生理解课程理论知识，提升行业内重要工具软件的使用水平，引导学生创新思维培养。

（二）  理论研究与实践结合

实践环节也是科教协同的主阵地，作为一门融合了数学、计算机以及机械等多领域内容的核心课程，在理论学习过程中融入实践环节，增强学生对自动控制理论知识理解和应用十分关键。为提升学生实践与创新能力，促进学生理论知识学习，并与实践相结合，有必要围绕汽车工业发展背景，依托培养单位现有科研装备与成果，促进实践与理论教学深度融合。例如在授课过程中，建立了软件实验与硬件试验相结合的多层次教学体系，通过课堂的理论学习，结合MATLAB设计软件进行实操演示，利用实验基地具备的条件进行硬件操作，培养学生的软硬件实操能力。在教学环节中，依托现有科研装备，增设电动汽车电机控制、智能网联汽车协同控制等教学案例，并指导学生进行编程和实操测试。同时，积极引导和组织学生参与大学生科技竞赛和教师科研项目，用自动控制原理所学知识，解决车辆相关实际控制难题，切实提升学生实践与创新能力。

（三）  实践操作与理论考试并重

作为车辆工程的专业必修课，不仅要求学生掌握扎实的理论基础知识，更需要具备较强等的实践操作能力。因此，本课程不仅仅以考试为最终评定成绩，在平时的授课过程中，提高了课后作业以及软硬件操作的考核比例，让学生能在实践中发现问题，并由自身探索解决问题。围绕车辆工程专业及教学团队产学研基础，以研促教，建立以教授为课程负责人，副教授和具有博士学位的青年骨干教师为主体的一流教学队伍，高效利用教学团队内教师的科研优势，实现对教学的有效反哺。在产学研实践平台建设上，昆明理工大学车辆工程专业现有云南省内燃机重点实验室、云南省新能源汽车生产力促进中心、昆明市电动汽车关键技术重点实验室、昆明理工大学-贝加莱工业自动化联合实验室和车辆工程实验中心等多个专项实验室平台，建立了软件仿真与硬件试验相结合的多层次教学体系，可为学生实践与创新能力培养提供有效支撑。此外，现有科研、教学平台全部纳入教学实践基地面向本专业学生开放，为本科生提供创新、竞赛平台，指导学生参与多届中国大学生方程式汽车大赛、“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛、贝加莱学界联盟竞赛等竞赛，并多次荣获国家级竞赛奖励。

三  课程改革成效与心得

（一）  课程改革成效