闻继伟，徐 琛，栾小丽

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

对物联网的使用不能简单停留在监测和监视上，在其深入应用的过程中必然需要及时的反馈、决策和控制，从而构成完整的实用性系统。因此，对于物联网工程专业的学生而言，其宽泛的知识结构中应该具有控制技术，而控制技术的基石就是自动控制原理。“控制原理”作为一门新的基础课程，虽开设不长，但在教学过程中已经凸显出不少问题。

本文旨在借鉴耗散结构理论［1］，根据“负熵”原理，提出在物联网发展背景下，“控制原理”课程教学改革的思路，并对其教学模式和课程建设方案进行探讨。

一、耗散结构理论与“控制原理”教学改革的相关性

依据耗散结构理论发现目前的“控制原理”教学长期陷入学时不足、基础不厚、缺乏时代特色的超稳定平衡状态。一是课程体系相对封闭。授课依照传统自动控制原理教材体系，按照时域分析—频域分析—系统校正—非线性系统—离散控制系统组织教学，忽视了控制学科的不断发展。二是教学内容封闭。以课堂讲授课本知识为主，授课内容局限于介绍系统数学模型、定理、定律和计算公式，阻碍了学生知识面的拓展。三是教学方法封闭。长期沿袭“讲（讲知识点）—问（上课提问）—练（课后作业）”的单一模式，无法持续调动学生的学习兴趣，形成内在的学习驱动力。耗散结构理论将“熵”作为系统平衡态的度量。热力学原理表明，孤立系统的熵会不断增大，一旦熵趋近于极大值，该系统将处于无序混乱的平衡状态；系统只有不断与外界交换物质或能量才能使熵减小，从而使系统进入相对有序的平衡状态［1］。上述三大封闭因素导致了“控制原理”课程无序、低效的“熵”，这种封闭体系无法夯实学生的理论基础，也违背了工程教育认证对学生解决复杂工程问题能力的要求。

二、“控制原理”课程教学中存在的问题

（一）教材内容全面，授课学时相对较少

课程以江南大学潘丰教授主编的《自动控制原理》为教材，全书共8章。由于课程仅有48个学时，授课内容以时域和频域分析为主，适当兼顾系统校正，这样就会导致部分内容讲解不透彻甚至来不及讲，影响学生后续控制类课程的学习，甚至会影响研究生入学考试。

（二）学生普遍偏重感性认识而缺乏抽象思维

基础课程在讲解基本原理时必须回归到抽象的教学模型，且物联网专业没有开设电机、电力电子技术等专业性课程，学生阅读控制系统实例时往往有心无力，理解起来反而更困难，疑惑更多。

（三）学生实际应用能力较弱，处理复杂工程问题的能力不足

大多数教师选用课堂练习来应用新知识，并且以做习题为主，但这种知识点再现的形式只能使学生在短时间内熟悉知识的作用，并不能使学生把新知识应用到具体的工程问题中。

上述三种现实因素导致“控制原理”课程教学形成无序的低效“熵”，已不能满足新时代物联网发展潮流下教学改革的需要。

三、关于“控制原理”课程教革的几点设想

对照当前控制学科的发展前沿，“控制原理”课程教学改革的关键是要致力于从多种途径引入负熵流，减少不适应新科技发展的封闭因素，保持教学内容的鲜活生命力，形成多源有序的耗散结构状态［1］。

（一）引入线上线下反馈多信息流的开放教学模式

随着近年来高等教育信息化程度的不断提高，大规模在线开放课程MOOC被广泛认可［2-4］。MOOC教学（线上）以15分钟左右的不固定课时和知识点为单元进行授课。因此，建立开放式教学模式，合理引入线上线下反馈多信息流的关键在于重新梳理、组织、平衡课堂教学和MOOC学习的内容。本文提出以学生为中心，融合线上MOOC自学、线下课堂与实践教学、学生及时反馈的开放教学模式（见图1）。

图1 基于多信息流的开放教学模式

首先，MOOC学习适当减轻了课堂教学受48学时的限制，使教师有时间讲授更加深刻的内容，从而夯实物联网专业学生的控制理论基础，不至于使整个专业的控制教学体系流于技术层面。其次，本文提出设置学生实时反馈环节，将学习情况评估作为基于多信息流开放教学模式中的重要一环。课程的主要服务对象是学生，而学生群体的个体差异性非常大。因此，在MOOC学习中引入学生反馈评估环节，通过分析学生对预习任务和学习后测试这两个重要指标的完成情况，可以对整体教学效果进行有效评估。将反馈环节的输出结果结合学生群体和个体状况进行再分析，就能及时调整教学预期目标。最后，教师线下课堂与实践教学是重中之重，主要包括以下四个要点。

1.温故知新。一方面，通过图示的方式引导学生回忆学过的知识。比如，通过负反馈控制系统的结构图，就能轻松温习自动控制系统的重要组成部分、5个重要的信号量以及基本的负反馈原理，一举三得。另一方面，根据新知识的内涵和类型组织教学内容并设计合理的呈现方式。比如主副双线结合的教学方式。“控制原理”课程的主线是针对有关控制系统的概念、性质、定律和公式而进行的，以分别达到识记、理解和运用［5］为目标的教学。副线教学选定磁盘读取系统、双容水箱、无刷直流电机等工程仿真案例分析。

2.课外实践。以Windows操作系统为开发平台的基本课外实践系统涵盖六个基础性仿真实践：时域分析、根轨迹仿真、频率特性测试、控制系统校正、采样系统分析和非线性系统分析。一方面，学生可以通过课外实践活动加深对知识点的理解，培养系统仿真能力和解决复杂工程问题的能力［6］，及时发现并纠正学习过程中的错误与不足。另一方面，教师可以在实践中通过与学生的相处和交流，了解学生对新旧知识的掌握情况，及时作出教学调整。

3.比较归纳。该环节要求教师采用比较和归纳的方式，将新旧知识的异同点加以形象化，使之转化为学生现有知识结构体系的一部分。“控制原理”课程以锻炼学生抽象思维能力为主，教师通过精选工程实例，比如火星漫游车转向控制系统，帮助学生建立微分方程模型，得出传递函数模型，绘制系统结构图，绘制信号流图，计算闭环传递函数；分析系统稳定性、动态性能和稳态性能；进行串联滞后或超前校正的编程指导。每一个环节与细节尽量简、短、准，同时做到前后串通，引导、点拨学生把知识加以引申，使学生能够触类旁通，识一山而知千峰。

4.课程思政。2020 年5 月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，明确了课程思政的概念与内涵，推动各类课程与思政课程同向同行。深入梳理“控制原理”课程特点及其与思想政治教育的基本内容，以期结合两者的思维方法和价值理念，将思政元素有机融入专业课程教学，实现思政育人和专业课教学相统一，达到润物无声的效果。部分课程思政教学融入点见表1。

表1 部分教学内容与课程思政融入点

（二）构建具有多专业、多层次人力资源流特色的多元化课程建设体系

“控制原理”课程是工科专业的必修基础课程，在自动化、电气工程及其自动化、物联网工程、人工智能等专业都开设了类似课程，教师分布在各个专业独立教学。充分考虑教师和专业的差异，线下课堂教学依然以各专业教师为主，同时融合各专业教师组成MOOC课程建设师资队伍开展线上教学活动，这样可以弥补单个教师在认知上的局限性，既有利于专业教师业务水平的不断提升，也能拓宽学生的知识面，使刻板的知识点变得鲜活起来。此外，课堂上教师与学生的角色也可以异动交流：研究生、高年级本科生可以辅导低年级本科生完成大作业、实验；某些课堂演示内容可以鼓励基础好、表现欲强的学生上台演示操作；让基础较好、先完成实验的学生辅导其他实验小组完成实验任务；等等。

结语

综上，物联网工程专业“控制原理”教学改革的关键是改变课程体系、教学内容和教学方法中的封闭因素所导致的自我“熵增”趋势，致力于从各种途径引进知识信息流和人力资源流等“负熵”流，形成自控教学的耗散结构状态，培养出具有自主学习意识、抽象思维和较强实践能力的物联网工程专业复合型人才。