面向新工科的自动控制原理课程“金课”建设与实践

摘  要：建设“金课”是新时代高校教育改革的重要主题。在新工科建设背景下，自动控制原理作为自动化专业的核心基础课程，需要及时进行教学改革，提升课程的高阶性、创新性和挑战度，以适应新工科工程人才培养需求。江南大学自动控制原理课题组以学生为中心，以产出为导向，从课程目标、教学内容、教学模式与方法和考核评价等方面进行一系列改革，提升教学质量，使学生在获得知识的同时，提升创新思维和工程实践能力。

关键词：新工科；自动控制原理；金课；教学改革；课程评价

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）01-0094-04

Abstract： "Golden Course" development is a main subject of the high education reform in the new era. Under the background of constructing the new engineering， as a core basic course in Automation Major， the "Automatic Control Principle" course requires to be reformed to meet the needs of  intellectual cultivation for new engineering with higher order， more creative and challenging. The teaching group in Jiangnan University practiced the student-centered and outcome-based teaching mode， and performed a practical exploration on the reform from lesson objectives， teaching contents， teaching methods， assessment and evaluation， aiming at enabling students to obtain knowledge and promoting their abilities of innovative thinking and engineering practice.

Keywords： new engineering; Automatic Control Principle; Golden Course; teaching reform; course evaluation

随着《中国制造 2025》战略和“一带一路”倡议等计划的展开，教育部先后发布了“新工科”建设复旦共识和“新工科”天大行动计划，要求各大高校深化工程教育改革，推进“新工科”的建设与发展，培养科学基础雄厚、工程能力强、综合素质高的工程科技人才，服务于以新技术、新业态、新产业和新模式为特点的新经济发展[1]。在新工科背景下，自动化专业作为老牌的信息科学相关工科专业，需要转型和升级，如何改变人才培养模式和改革课程的教学模式，提升工程教育人才培养质量，是目前亟需解决的问题[2-3]。

提高人才培养质量，首要任务是提高课程教学质量。自首次提出“金课”的概念以来，建设“金课”已经成为高校教育教学改革的重要主题[4]。2019年10月，教育部发布了《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），进一步推动了全国高校“金课”建设的探索与实践。自动控制原理是自动化及其相关专业的专业基础核心课程，在专业教学中占有重要地位。在过去的几年中，江南大学自动控制原理课题组面向卓越课程计划，进行了深入的教学改革和探究，实施了小班化教学、分组讨论、翻转课堂、课堂教学与课外仿真实训相结合等教学策略，取得了较好的教学效果[5-7]。随着工程教育认证的推广，在新工科背景下，课题组在提高课程的高阶性、创新性和挑战度方面做了许多工作。本文对照“新工科”人才培养需求、工程教育认证的要求，以及一流课程“两性一度”的标准，对自动控制原理课程的教学内容、教学模式和方法、考核方式和教学评价等进行改革优化。

一、课程教学中需要改进的问题

对照“新工科”人才培养目标，以及“金课”建设“两性一度”的标准，自动控制原理课程的教学有以下几方面需要改进。

（一）课程内容需要完善和提升

目前课程讲授的控制系统受控对象大多是简单的物理和化学过程，通过简单的机理分析即可得到系统模型，系统的分析和综合大都建立在抽象的数学模型之上，对工程背景的介绍不多，导致学生对工程问题缺乏基本的认知，解决复杂工程问题的能力不够，且现有教学内容对学科的前沿、行业的最新动态反映不够，与当今智能时代的工程实际存在一定脱节。

（二）创新思维和能力训练需要加强

自动控制原理不仅是专业核心课程，也是相关专业的考研专业科目。为满足学生的学习需求，我们的教材除了课后习题外还有大量的例题精讲，课题组授课时也会有例题精讲，在历年的期末考试命题中也会保证一定的难度。因此，大部分同学，尤其想考研的同学会陷入应试学习，把大量的时间放在作业和刷题上，偏向解题思路的归纳和强化记忆，一定程度导致知识面过窄，以及创新思维和创新能力训练的缺乏。

（三）课程内容的挑战度需要提升

现有教学模式设置了讨论环节和翻转课堂模式，学生的积极性较高，但大部分的讨论题通过理论分析和实验分析都能得到准确的答案，为提升学生的创新思维，讨论题的复杂性可以适当提高。另外目前课程的课内实验仍以验证性实验为主，设计型和综合性实验偏少，虽有Matlab仿真实训做为补充，但实训课题的挑战度仍需提升，给学生以创新发挥的空间。

（四）课程的考核方式有待完善

江南大学自动化专业在2017年已通过工程教育专业认证，OBE理念已被广泛接受与实践。课程的考核从原来的以期末考试成绩为主逐步转化成期末考核与平时多元化的过程性考核并重。但是从考核内容和手段来看，仍侧重于对系统性能分析能力的考核，对控制系统的综合和设计方面的考核偏弱，对工程背景、其他学科知识的融合及创新能力等的考核少有涉及。

二、“金课”建设探索与实践

针对物联网、大数据和智能制造等新技术的高速发展，江南大学自动化专业新修订了具有“新工科”特色的人才培养方案，以培养具有知识融合、集成创新和国际视野的高素质复合创新型新工科人才为目标，并从学生应拥有的道德价值观、社会责任感、专业知识和技能、综合素质和职业发展能力出发，制定了详细的毕业要求。课程教学是本科教育最重要的环节，是人才培养的落脚点。基于“新工科”人才培养需求，针对目前课程教学中存在的问题，课题组以学生为中心，为了学生在获取知识的同时能够得到能力提升和素质养成，进行了一系列探索实践。

（一）设置科学、具体和可衡量的课程目标

课程目标是整个教学大纲的核心，是课程教学的产出，支撑着毕业要求的达成。所有的教学内容、学习活动和考核方式都要围绕课程目标进行设计。为了方便毕业要求达成度的计算，课程目标的设置要求科学、具体和可衡量。“科学”是指课程目标要有一定的高阶性，不仅要体现学生知识获取的目标，还要体现能力提升和素质培养的目标；“具体”是指课程目标要有相应的教学内容和教学活动为支撑；“可衡量”是指要有具体的考核方式和评分标准。

围绕课程目标，课题组将教学内容进行梳理和延伸，制订了7个课程目标，每个课程目标均支撑相应的毕业要求。以课程目标1为例，其具体描述为：能够凝练工程案例中的控制问题，阐述控制系统工作原理、区分其控制方式和类型；能够基于系统的机理，利用物理、化学、电路和梅森公式等自然科学和工程基础知识建立系统的模型；明确机理建模的局限性，通过分析讨论，获悉工程实际中控制系统的数学模型形式。该课程目标对应的教学内容为教材的第1章、第2章和实验一，包含了控制系统的概念、分类、性能要求和控制系统建模等知识目标，通过图书馆数据库、互联网等多渠道达成信息综合获得有效结论的能力目标，以及拓宽知识面、培养工程观念等素质目标。围绕该课程目标，设置的教学活动有课堂讲解、MOOC学习、课内实验、Matlab仿真、专题讨论和翻转课堂等教学活动。

（二）整合面向新工科的课程教学内容

按照工程认证“产出导向”的理念，教学内容要面向“课程目标”这一产出设置。现有的教材和课堂教学内容侧重于理论分析，通常是将工程问题抽象、简化为数学问题，然后用数学的方法求解，弱化了工程实际中的控制应用问题。本课题组编写的教材中，尽管纳入了磁盘驱动读取系统、烘烤炉温控制系统等工程案例，但对照新工科背景下新的课程目标，这些工程案例仍是落后的。学生也习惯了用学数学的方法去学习专业课程，热衷于刷题、分析解题思路和方法、追求考高分，对于理论分析背后的工程背景并不关心，从而导致工程观念薄弱，解决复杂工程问题的能力不足。

打造一门“金课”，在教学内容上要做到挤“水”添“金”，提升课程内容的高阶性。本课程的挤“水”是指在课堂上去除一些与先修课程重复的内容，弱化一些数学理论的推导。添“金”是指围绕新的课程目标，在传统的经典教学内容上巧妙地引入更高阶的工程案例和学科前沿，以拓宽学生的知识面，激发学生的学习兴趣和创新思维。仍以课程目标1为例，课堂教学内容中微分方程模型的建立和求解可以弱化，机理建模所需的牛顿定律、基尔霍夫定律和复阻抗等效电路等与先修课程重复的内容，可以让学生课前通过例题和习题的形式自行学习；在讲授第1章引论时，引入一些新的工程案例，如生物发酵过程控制和机器人控制等案例。通过凝练发酵过程中的控制问题，分析其控制方式，使学生增加对行业背景的了解；通过分析机器人的控制问题，了解学科的前沿及工业智能化的发展。在讲授第2章控制系统的数学模型时，通过分析机理建模的局限性，增加大数据时代背景下的系统辨识建模、数据驱动建模和无模型控制等学科前沿，拓宽学生的知识面。

（三）采用灵活多样的教学方法和教学手段

在“新工科”建设理念下，课程目标进行了升级，课程内容作了新的整合。在有限的教学时间内，必须要采用灵活多样的教学方法和手段，才能保质保量完成所有的教学内容，使学生在夯实基础知识的同时，了解行业动态、接触学科前沿和训练思维能力。

在教学模式上，我们开展了线上、线下混合式教学研究。在“互联网+”环境下，教学资源丰富多样，除了多媒体课件外，在中国大学MOOC、哔哩哔哩等网络学习平台上还有许多优质的教学资源，方便学生自主学习。混合式教学需要合理利用这些网络资源，设计教学内容和教学活动，确保教学质量和教学进度。为了丰富课程的教学资源，课题组通过中国大学MOOC平台建设了自动控制原理在线课程。最近，我们对课程知识点的讨论题、作业、测验和课外导读材料等进行了完善，提升了课程内容的高阶性。仍以课程目标1为例说明教学设计，对应的教学内容中与先修课程联系较密，相对独立、完整的知识点，如控制系统的微分方程模型的建立、结构图的绘制与等效变换、信号流图与梅森公式等，要求学生在规定的时间内完成线上自学和在线习题。课堂上进行专题讨论，归纳总结学习要点。授课教师通过MOOC平台习题解答情况，及时了解学情，并在课堂上进行补救教学和重难点的讲解。另外，还可推送哔哩哔哩、抖音等平台上一些优秀的视频，如美国波士顿动力的机器人等作为专题讨论素材。通过分析、凝练机器人控制中的控制问题，使学生了解机器人控制中的动力学建模、控制原理、数据融合算法和导航避障等控制领域专业知识，以及图像识别、电池技术和机械设计等跨专业知识，同时通过网络、图书馆数据库等多个渠道了解机器人技术和产品的国内外差距，激发学生的学习兴趣和社会责任感。