自动控制原理“课程思政”教学案例

——自动控制的一般概念

一、基本信息表

二、教学目标与学情分析

（一）学情分析

《自动控制原理》是研究各类控制系统共性的一门专业基础核心课程，其前修课程有“信号与系统”、“复变函数”等，着重于学习反馈控制系统的基本理论及基本分析方法,是一门直接为解决实际控制系统提供理论和方法的课程。课程面向机器人工程专业本科二年级的学生开课。学生基础不够扎实，对于复杂的公式推导具有畏难心理以及知识碎片化，缺乏体系化和系统化。学生具备丰富的互联网使用体验，在近年的疫情期间经历了长时间的在线学习，具有丰富的网络学习经验。

从逐年的教学研究和学情调研发现，由于课程在数学模型建立时涉及线性微分方程和拉普拉斯变换等知识，随着时域分析、根轨迹分析、频域分析过程逐渐复杂，加上工程术语的大量引入，学生的学习积极性很难随着课程的深入而持续，学习兴趣和效果也会由于难度提升而受影响。因此，学生希望有更多的课堂互动以增加参与感，更多的学习自主权以提高积极性，并在自主学习过程中得到实时指导、激励和帮助。

（二）教学目标

1、知识与能力目标

1）了解自动控制理论发展概况及反馈控制理论的研究对象和方法，会分析自动控制系统的基本工作原理。

2）掌握自动控制系统的工作原理、组成和各部分的作用，掌握负反馈在自动控制系统中的作用。

3）掌握自动控制系统基本控制方式和分类。

4） 掌握自动控制系统的要求，能够运用基本理论解决工程实际问题的能力。

2、思政教学目标

在专业知识传播中融入思政元素，引导学生树立正确的理想信念、价值观和伦理观，培养学生孜孜以求、坚持不懈、勇攀科学高峰的责任感和使命感，提升个人的道德情操；将自动控制理论与实际问题相结合，培养具有工匠精神和家国情怀的复合型、创新型技术人才，为科教兴国，强化现代化人才支撑战略的实施提供保障。

三、教学内容设计

（一）教学重点与难点

1、教学重点

  从介绍专业术语入手，使学生重点掌握该专业的一些基本概念。其中有：开环控制与闭环控制，反馈的基本控制作用，控制系统的基本结构与控制系统的基本性能要求等，从而使学生对该门课程有基本的了解。

2、教学难点

  理解反馈的基本控制作用，能够根据实际案例对其应用的自动控制原理进行说明。

（二）课程思政元素

在"自动控制原理"课程的教学设计过程中，依据不同知识点有针对性地挖掘和提炼思政元素，把握思政元素融入的节点、时机、方式和渠道，通过热点新闻、周边实例、典型视频、情境教学等进行导入设计，使思政元素与专业知识无痕地融合为一体，发挥课程思政"隐性"的功能，实现思想与价值引领、立德树人的目的。

针对机器人工程专业学生特点，通过介绍自控原理发展史，重点展示我国古代劳动人民的智慧和聪明才智，让青年学生充满民族自豪感，增强民族自信心。另外 通过介绍和观看《钱学森》电影片段，让青年学生深深感受钱老至死不渝的爱国主义精神。

（三）教学内容设计

（1）讲述我国古代劳动人民的代表人物马钧和苏颂等在自动控制方面做出的杰出成就，使青年学生既了解了自动控制理论发展的历史，又感受了我国古老的文明和劳动人民的智慧，促使他们提升民族自豪感和增强民族自信心。

（2）通过讲述钱学森撰写《工程控制论》的背景和历尽艰险回归祖国的故事。使青年学生既了解了现代控制理论的奠基之作《工程控制论》的历史背景，又深入了解钱学森在美国遭受迫害和软禁的情况下仍然心怀祖国、忠心报国和立志回国的爱国主义精神。以实际案例来对青年学生进行爱国主义教育，使得知识传授与"社会主义核心价值观"密切结合起来。

（3）结合天宫机械臂、实践21号成功捕获失效北斗2号卫星和相关视频资料，介绍自动控制技术在航空、航天领域国之重器的应用上取得的伟大成就。这些成果显示出我国在航空航天领域取得的突飞猛进的进步。通过这些实例结合"中国卫星之父"孙家栋先生身上的航天精神的介绍，激发学生的学习热情和民族自豪感。

四、教学方法与手段

基于信息化平台，通过希沃进行签到考勤，并且教师上传教学资源后，学生可提前观看学习平台视频资源进行预习。教学过程中采用的教学方法以课堂讲授为主，结合演示、案例、练习对学生进行指导。课后通过希沃或者智慧教育平台收集课堂练习和作业，以及学习反馈评价。

图1 课堂考勤

图2 微课资源

图3 课堂数据

五、教学过程

图4 教学过程

1、课前线上学习：通过钉钉群发送课程简介，提醒学生课前了解。

2、课中教学活动：

（1）教学活动一：教师进行提问，引导学生对课前自学进行输出展示。（15min）

   提问：是否了解自动控制原理这门课？这门课是学习什么内容的？有什么应用？

   通过学生回答介绍本课程的教学内容和应用。介绍应用的同时，针对机器人专业学生特点。结合天宫机械臂、实践21号成功捕获失效北斗2号卫星和相关视频资料，介绍自动控制技术在航空、航天领域国之重器的应用上取得的伟大成就。

图5 自动应用导入

（2）教学活动二：认识"铜壶滴漏"，引出教学内容，开环控制和闭环控制的定义和区别。（20min）

广州的北京路不仅是重要的商业中心，也是个文化景点。相信我们的同学都了解或者有亲自感受过。北京路的尽头有一处景观，不知大家是否有留意。

提问1：这个景观是什么？有无同学了解？（观看视频介绍）

图6 "铜壶滴漏"

解答：这是"铜壶滴漏"，我国现存最大、最完整的古代计时器。是由广州冶铸并放于广州古代北京路为百姓报时用的。现收藏于国家博物馆，于2009年进行了原址复建。

提问2：这个装置可以实现自动报时，但是还需要人参与，可否进一步实现自动控制，解放双手？

解答：可以，采用浮漂和自动上水进行改造。引出自动控制的定义。

（3）内容讲解：通过介绍自控原理发展史，重点展示我国古代劳动人民的智慧和聪明才智，让青年学生充满民族自豪感，增强民族自信心。另外 通过介绍和观看《钱学森》电影片段，让青年学生深深感受钱老至死不渝的爱国主义精神。（20min）

图7 钱学森介绍

1）介绍简易的人工控制系统及其工作原理。

2）引出自动控制的定义及涉及的周边基本概念，如：被控量，输入量，被控对象等。

3）介绍工业炉温自动控制系统工作原理，请同学们找出其中的被控量，输入量，被控对象等概念。并找出和人工控制系统的区别，引出控制本质。

3、教学活动三：介绍直流电动机调速系统的工作原理。（25min）

图8 直流电动机调速系统

1）找出和炉温自动控制系统的区别。引出开环控制和闭环控制的概念，介绍其定义和控制特点，对比分析二者的优缺点。重点强调闭环控制。

2）通过炉温自动控制系统抽象得到自动控制系统的组成结构，并对各具体结构的功能进行介绍。观察工业炉温自动控制系统的工作原理图，画出其系统结构图。

4、小结梳理，线上发布随堂练习，并答疑解惑。（10min）

引导学生回顾教学内容，进行知识梳理，教师辅助建立知识框架，学生以"填空"的方式补充细节知识点。进行知识梳理，引导学生查漏补缺，做到授人予渔。

1）复习本节可内容，线上讨论，开环控制系统和闭环控制系统最本质的区别是什么。

2）现代的科技产品无人机是否有自动控制？其工作原理和控制难点是什么？请查阅资料自主学习。

3）请创建一个自我成长的闭环反馈控制系统，制定具体的"控制策略"，做好学习规划。

六、教学评价

该课程为专业必修课，考核包括形成性考核和终结性考核两个环节。

课程总成绩（100分）=形成性考核成绩（50分×100%）+终结性考核成绩（100分×50%）。

形成性考核：作业（20分）+课堂练习（20分）+测试（10分）

终结性考核：闭卷考试（100分） 考核时长：90分钟

表 1  形成性考核内容

七、思政教学反思

（一）思政教学的意义与价值

一个小小的"铜壶滴漏"蕴含了丰富的科学知识和人文历史，而这只是我国灿烂文明中的沧海一粟。还有指南车、地震仪等古代的科技发明，同学们可以深刻得感受到我国古代的灿烂文明。放眼现在，自动控制系统的应用遍及各行各业，无人驾驶、无人机、神州系列航天飞船等，科技进步为人类社会带来了翻天覆地的变化，深刻体会到科技强国的力量，激发学生的情感共鸣，建立了文化自信和专业自信。

（二）思政教学的成效和特色

通过课后学生反馈和课堂表现观察，本次案例教学的实施效果明显，具体表现在以下2个方面：

1．课堂气氛活跃，互动效果良好，主观上降低了同学们对该课程的畏难情绪；

2．视频＋图片介绍专业知识，加强了同学们的感性认知，作为辅助方法加深了对枯燥的理论定义的理解；同学们普遍反映对知识的接受程度提高。

同时部分同学也反映感觉课后作业有难度，没有头绪，不清楚完成到什么程度。教师反思这是由于同学们习惯了有标准答案的作业模式，对开放式的作业还不熟悉，教师会在课后辅导进行详细说明，加强练习频率进行改善。

（三）思政教学的改进措施

后续改进可以进行翻转课堂，通过课前预习，让学生自主了解自动控制原理的发展历程并融入思政元素，在课堂上进行展示分享，加深学生学习过程的印象。

八、教学资源拓展

提供教学课件、影视资料、图文信息、媒体技术、网络资源等。

图9 教学资源