混合教學模式下“自動控制原理”課程教學設計及思政育人路徑探索

魏延嶺,黃學良

(東南大學 a. 自動化學院; b. 電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

1 現狀分析

國務院《關于全面深化新時代教師隊伍建設改革的意見》提出:“讓教師主動適應信息化、人工智能等新技術變革,積極有效開展教育教學”。同時,由于疫情的突如其來,傳統教學秩序被打破,線上教學正在面臨教學組織、教學過程、教學考核等重大挑戰。要求一線教師必須跟上時代的腳步,不斷深化信息化教學改革,不斷摸索信息化教學實踐,在被動中主動作為,轉變教學觀念,提升在線教學能力,積極探索線上教學模式的改革創新,“潛移默化、潤物無聲”地融入思政元素,提高學生在線學習積極性,開展及時有效的互動,充分發揮線上教學模式的優勢。

此外,受線上教學實驗條件限制,“自動控制原理”課程教學仍多采用傳統教學方法,強調“教”而忽視了學生動手,限制了學生自主學習和創新能力。由于課程涉及專業跨度大,如果只依靠文字和PPT開展教學活動則缺乏互動而影響教學質量。針對這些弊端有必要探索在“自動控制原理”課程教學中如何進行信息化資源庫資源融合,構建線上/線下混合式教學模式,從教學方法、教學情感、教學內容等方面尋找課程思政融入的切入點,使學生根據需要,方便、快捷地獲取教學資源進行自主學習,實現全面育人目標。

1.1 課程地位

“自動控制原理”是電氣自動化專業的主干課程之一,也是信息、電子、通信、機械等相關專業的重要基礎課程?？刂葡到y設計的學習,不僅僅是表面上的數學邏輯推導,更是學習如何將科學、工程、數理的語言有效轉換成控制系統的閉環思維過程。研究自動控制系統中的相關理論及系統分析方法,是后續諸如“過程控制系統”、“智能控制”等本科和研究生課程學習的理論基礎,支撐著學生未來參與科學研究與工程挑戰對控制系統設計能力的要求。

課程地位決定學習目標的規劃,也影響教學內容的組織、過程和測評?；旌鲜浇虒W不會很大程度改變培養方案,即不改變課程的地位。此外,為后續課程的順利開展,教學目標要具有邏輯性。但是混合式教學的線上部分,會導致教學形式發生相應變化。

1.2 變化面臨的難題

盡管線上教學有利于降低教學成本,對于學習時間和地點諸多方面更具靈活性,但是線上教學因為無法與學生面對面而存在教學組織的困難,同時線上教學因為捕捉不到課上學生動作和表情的及時反饋而面臨教學過程的困難,因無法有效實施監管使教學考核的難題和偏向于情感與責任等的思政元素直觀呈現困難。如何解決在線形式教學難題,對完善混合式教學具有重要意義。

1.3 相關研究

針對混合式教學和課程思政育人方向,很多專家和一線教師在理論和實踐層面進行深入探討,并取得豐富的研究成果。

針對在線教學的各種困惑,文獻[1]研究“?！?分析現狀與關鍵問題,提出“機”。從關注教師自身如何“教”變成關注學生實際如何“學”,使在線教學中的諸多問題迎刃而解,并形成了以關注“學”為中心的計算機語言課程在線教學新模式。

在教學模式的研究與實踐方面,文獻[2]基于建構主義學習理論,創建了依托于小規模專有在線課程(SPOC)教學資源平臺的線上/線下混合式教學模式,可解決學習成績兩極分化嚴重和課程學習參與程度不高的問題,提高學生學習的主動性和探究性。

在教學設計上,文獻[3]進行了教學模式的探索與設計,從線上教學技術培訓、線上/線下混合式教學模式構建、人文教育的有機融入、考評體系的完善等方面提供了線上教學的具體路徑和措施。

1.4 本文所要解決的問題

現有研究明確指出混合式教學不僅僅是教學形式的改變,更是一種教學新模式,而如何利用好這種新模式提高學生學習效能和課程思政建設效果,改善教師教學實踐是亟待解決的問題。

本文以“自動控制原理”課程為研究載體,以解決混合教學中的常見問題為線索,以學生的培養為出發點,重塑學習目標,夯實學習過程,強化隱性思政意識,研究開發以關注“學”為核心理念的自動控制原理課程混合教學新模式。

2 混合式教學模式下自動控制原理課程教學設計及思政育人

2.1 學情分析

“自動控制原理”作為電氣自動化相關專業的專業基礎課,涉及的內容非常廣泛,涵蓋高等數學、復變函數、電路和模擬電子技術等基礎科目,因此學習難度大。學習“自動控制原理”主要解決兩個問題:1)工程領域的復雜物理系統穩定性分析,包括時域法、根軌跡法和頻域法,圍繞3個性能指標,對控制系統進行分析;2)基于物理背景,利用機、光、電、液壓元件或設備等解決控制系統的設計與綜合。本課程的學習,幫助學生對經典控制理論建立全面的認識,能應用數學、自然科學、工程基礎和專業知識對具體對象構造數學模型并求解,并針對機械工程領域的復雜工程問題進行過程分析、設計、制造、控制與優化。該門課程為后續“運動控制系統”及“智能控制導論”等課程提供理論基礎。因此,“自動控制原理”在教學培養體系中占有重要地位。但是,本課程涉及知識點繁雜、內容抽象、理論性強,包含了大量的數學公式以及相關定理,教學難度較高。從課程的教學現狀來看,學生對于控制理論的產生和發展過程不夠了解;對于工業常用控制規律應用了解不多,不能很好地認識控制論的發展;對應到具體問題、具體情境上很難進行理論分析,無法真正做到將書本上的分析方法應用到實際系統中,達到學以致用的目的。此外,學生在學習過程中缺乏主動思考的精神,應試性目的較強,出現了只重視“知識傳授”而忽視“價值傳導”的現象。

本文以“自動控制原理”課程中超前-滯后校正設計為內容,展開混合教學模式下的課程思政育人路徑設計。學習本課程前已學習掌握根軌跡和伯德圖的畫法,掌握系統校正和穩定裕度的基本概念,為本節超前-滯后校正學習奠定一定基礎。

2.2 教學目標

知識目標:串聯超前、串聯滯后和串聯滯后-超前校正的伯德圖設計方法。

能力目標:培養學生綜合設計能力,增強數形結合的思維意識。

情感目標:培養學生愛國情懷和團隊意識,增強學生科研探索精神。

2.3 教學重、難點及處理

教學重點:計算系統關鍵技術指標,判斷系統的性能好壞。

教學難點:串聯校正環節的參數設計。

重、難點處理:串聯校正通常附加放大器,以提高系統的增益。由于串聯校正裝置位于低能源端,從設計到具體實現都比較簡單,成本低、功耗比較小,這是串聯校正系統設計的優點,對應的缺點是參數變化比較敏感。因此,串聯校正設計應留有足夠的穩定裕度。

2.4 教學方法和手段

“自動控制原理”課程教學兼顧課程特點和學生情況,針對學生抽象思維能力的薄弱,通過多媒體展示的形式使學生直觀、形象地了解控制系統的構成、控制器各個環節的物理功能。同時創設情境,以案例引入本節課開展教學,通過問題驅動來調動學生的主觀能動性,激發學生學習熱情,使學生參與課堂中。在講授的同時輔以案例教學、問題驅動、小組討論、講練結合,通過思政案例教學方法引導、啟發學生,使整堂課按照學生的思維規律循序漸進,實現以學生為中心的教學。具體混合教學模式總體框架如圖1所示。

圖1 混合教學模式總體框架

2.5 教學過程

1)依托國家需求,工程引入

精確的導航、制導和定位是航空航天技術的重要內容。慣性導航的精度主要取決于運動載體上的慣性元件精度,準確地說就是陀螺儀和加速度計的精度。所以提高慣性元件的精度對于提高整個慣性導航系統的精度具有十分重要的意義。測試轉臺(圖2)作為慣性導航系統領域中仿真和測試的關鍵硬件設備,其性能的優劣直接關系到仿真和測試實驗的可靠性與置信度。因此,設計高精度轉臺伺服系統對提高航空航天技術具有重要作用。為了獲得轉臺控制系統的大剛度和高精度,在精密位置和速率系統設計時,需要提高系統型別。但是系統型別的增加會導致系統在大偏差時出現不穩定。因此,如何兼顧轉臺控制系統的高精度和強魯棒性是當今航空航天技術的卡脖子問題。

圖2 雙軸測試轉臺臺體

2)問題驅動,創新技術

以圖2所示的轉臺臺面控制系統為例,為保證系統處于大偏差時的穩定性和快速歸零,系統采用某II型控制器。為實現轉臺控制系統的大剛度和高精度,建議采用III型控制器[4]。如何平衡系統快速性和大剛度、高精度問題是本節要解決的關鍵問題。

a)粗控制器設計

粗位置控制器是為了保證系統大偏差時的穩定,對控制精度等并無過高的要求(滿足粗、精切換的精度即可),因此采用測速機反饋加位置反饋的雙環結構。一般在大偏差時,系統還要求以給定的速率運行到期望位置。為了實現這一功能,在位置環中引入飽和非線性網絡,使大偏差時測速機環的輸入處于某個固定的速率,此時系統的位置反饋不起作用,相當于運行在測速機狀態。位置反饋系數取為1。綜上所述可得粗位置控制器模式時的控制系統方框圖如圖3所示,其中力矩電機輸出飽和力矩Tmax=10Nm,轉動慣量J=0.164 10kgm2。

圖3 粗位置控制器模式控制系統方框圖

粗位置控制器的設計實質上主要是速度反饋內環的設計,而位置環僅起偏差大小的監督作用,以便決定是否切換。下面討論位置控制的精控制器設計。

b)精控制器設計

精控制器是轉臺控制系統的核心,它不僅要求具有一定的帶寬(大于10Hz),而且要滿足系統要求的精度(±2″)和一定的動態剛度。由于該回路要求很高的精度,考慮到目前速度反饋的紋波噪聲較大,系統中不應引入速度反饋而設計為基于精密測角系統的單位置反饋形式?？刂葡到y原理結構如圖4所示。由圖可見,系統中引入一個純積分環節演變為III型,其靜態精度和剛度指標自然滿足,因此設計時主要考慮其帶寬和系統穩定性。

圖4 精位置控制系統方框圖

同理,α選得越小,則超前校正網絡所能提供的補償相角愈大;同時α越小,則系統開環幅頻特性中第一個轉折頻率愈小,系統前向通道的方法系數設計值愈小,系統線性工作區愈大,這一點對精回路特別重要。

圖5為該轉臺控制系統在臺面階躍輸入r(t)=0.02°作用下的響應曲線。

圖5 精位置階躍響應曲線

c)系統動態剛度的考慮

選用III型系統,則系統的靜態剛度為無窮大,但是實際上還是希望系統在階躍干擾下的動態失調角盡量小。原則上系統帶寬愈寬,則動態剛度愈大,動態失調角愈小。但在同樣的剪切頻率下如何獲得最小的失調角?通過仿真可知,α選的越小,則同樣干擾下的動態失調角越大,所以雖然α選的越小,獲得的相角裕度越大,在選取α時還應充分考慮是否滿足最大動態失調角的要求。

精位置控制器和粗位置控制器的狀態依賴切換原則,形成混雜動態控制的概念。引導學生理解傳統PID控制并融會貫通,例如,在這里改善傳統PID控制,就能實現轉臺控制系統的雙回路控制,其本質上是結合傳統控制策略并利用混雜動態系統概念,解決高精度狀態控制快速性和大剛度問題。

3)混合教學鞏固知識

在混合式教學模式下,針對不易理解的定理類知識設計相應的應用題,讓學生線上完成并反饋,即可查閱正確答案,從而加深學生對關鍵知識點的理解和掌握。例如串聯校正在頻率框架下和根軌跡框架下的表現形式,提高系統帶寬和系統穩定裕度之間的關系,滯后校正提高相角穩定裕度的條件等?；旌鲜浇虒W在課程章節結束,通過試題庫進行知識點測試,方便教師和學生及時了解自身學習情況并查缺補漏。

4)問題研討與反思

測試轉臺的控制系統屬于一類高精度伺服系統,它對系統控制精度有很高的要求,同時還要求系統具備較寬的系統帶寬。與經典轉臺控制策略對比[5],為了獲得大剛度和高精度,在精密位置和速率系統設計時,將系統設計為III型系統,這樣的系統對給定和階躍干擾都是穩態無差的。但是由于實際系統中難免存在飽和非線性特性,故此時系統為條件穩定系統,該系統在大偏差時會出現不穩定。為此大偏差時系統應采用另一種II型控制器來保證系統大偏差的穩定和快速歸零。故精密位置控制系統應設計為具有雙控制器切換的結構形式。采用數字控制可以很方便地實現這類非線性控制。具體精密位置控制的雙控制器切換規則留待學生設計,激勵學生思考。

2.6 思政育人

“自動控制原理”課程多邏輯和證明,課程思政的自然融入較難。本小節以卡脖子問題——高精度慣導測試設備運動控制問題引入,通過線上測試轉臺的工程應用案例,結合線上/線下小組討論和互動探究,研究判斷轉臺系統的剛度和精度問題,從而引出串聯校正的要求,其過渡自然不生硬,同時引導學生理解混雜控制的概念。借助本小節的教學重點號召學生關注并參與攻克國家科學技術中的卡脖子問題,培養學生家國情懷,構筑工匠精神。通過II型和III型控制系統設計過程培養學生數學推導的縝密態度,小心求證的謹慎理念,工程規范的不茍信念,面對科學的敬畏精神。思政育人不能繞過應用背景,要通過思政與工程案例的結合,使自動控制理論更生動,獲得學生的認同,做好思政育人。

3 結語

線上/線下的混合式教學模式是傳統教學模式與現代化網絡教學相結合的新型教學方法。其中,線上教學強調學生自學、線上互動交流以及思政材料的豐富呈現,線下教學強調知識重塑和內化,以及課程思政元素的融入。不難看出,隨著社會的發展,傳統教與學的關系正在慢慢地發生變化。教師在教學過程中除了完成傳統的知識傳授,還要完成引導和輔助學生自主學習,提升學生運用理論知識分析和解決實際問題的能力,培養學生高尚的道德情操和家國情懷。這種混合式教學新模式是對傳統課堂教學模式的有益補充。