魏利勝，郭興眾，陸華才

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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基于CDIO的控制類課程教學(xué)改革探索

魏利勝，郭興眾，陸華才

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

在工程教育理念下，進(jìn)一步貫徹落實國家大學(xué)生卓越工程師培養(yǎng)計劃，提高控制類課程教學(xué)質(zhì)量，圍繞“工程實踐”型人才培養(yǎng)模式，以安徽工程大學(xué)控制類課程建設(shè)為例，對理論教學(xué)、實驗教學(xué)等方面的一些經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)，以探索工程化教學(xué)模式，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

CDIO；控制類課程；教學(xué)策略；培養(yǎng)模式

一　引言

中國工程教育協(xié)會自2006年開展工程教育專業(yè)認(rèn)證試點，已初步建立了高校專業(yè)工程教育認(rèn)證體系。[1]其目的是為了保證和提高我國高校工程教育質(zhì)量、推動工程教育改革、推動工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系、促進(jìn)工程教育國際化，為我國高校工程類學(xué)生日后走向世界提供具有國際互認(rèn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)“通行證”，也為廣大工科學(xué)生未來的工程執(zhí)業(yè)提供便利。為適應(yīng)高校工程教育認(rèn)證的發(fā)展形勢，滿足工程教育改革深入推進(jìn)的需要，中國工程教育協(xié)會要求學(xué)生畢業(yè)時能將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于分析復(fù)雜工程問題，設(shè)計滿足特定需求的復(fù)雜工程問題解決方案；在培養(yǎng)學(xué)生課程體系建設(shè)過程中，基礎(chǔ)類課程和專業(yè)核心課程能體現(xiàn)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)在各工程類專業(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)，要求專業(yè)核心課程能夠體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)能力的培養(yǎng)，實踐類課程要求結(jié)合各專業(yè)工程實際問題，以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、團(tuán)隊協(xié)作精神以及解決實際問題的能力。[2]

然而，我國當(dāng)前工程教育形勢不容樂觀，培養(yǎng)目標(biāo)、定位趨同培養(yǎng)特色不鮮明，還未形成科學(xué)、完善的工程人才培養(yǎng)體系和機(jī)制；另外教師隊伍缺乏一定工程背景，且在工科大學(xué)教師隊伍中，80%到90%的教師沒有工程經(jīng)驗但具有高學(xué)歷；此外，各課程體系對培養(yǎng)目標(biāo)支撐力不強(qiáng)，專業(yè)核心課程教學(xué)內(nèi)容與實際聯(lián)系不緊密，缺乏針對工程應(yīng)用及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；而且，授課方式不靈活，主要采用傳統(tǒng)課堂灌輸式教學(xué)模式為主，缺乏互動，實踐環(huán)節(jié)的目的、目標(biāo)不明確，生產(chǎn)實習(xí)流于形式。

在教育部公布的2016年工作要點里，明確提出各高校要“堅持中國特色、一流標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的組織實施”。[3]為此，我校自動化專業(yè)組織專家重新修訂控制類課程教學(xué)大綱和課程體系結(jié)構(gòu)，建立課程群組，優(yōu)化調(diào)整各知識點的學(xué)時分配，并提高實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)置和所占學(xué)時比例，引入當(dāng)前國內(nèi)外備受關(guān)注的CDIO模式，即把“構(gòu)思(Conceive)——設(shè)計(Design)——執(zhí)行(Implement)——運作(Operate)”作為工程教育的環(huán)境背景，構(gòu)建控制類專業(yè)課程體系(如圖1所示)，在教學(xué)過程中，以課堂和項目相結(jié)合的方式進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，改用啟發(fā)式的教學(xué)模式，增加實際案例講解，同時聘請企業(yè)專家參與實踐環(huán)節(jié)，創(chuàng)建適應(yīng)新形式發(fā)展需要的新課程體系，使學(xué)生明確課程教學(xué)服務(wù)國家戰(zhàn)略需要和行業(yè)需要，達(dá)到預(yù)想的學(xué)習(xí)目標(biāo)，具有十分重要的意義。

圖1　 控制類課程總體系

二　課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

我校自動化專業(yè)開設(shè)了《自動控制理論》《現(xiàn)代控制理論》《智能控制理論》《控制系統(tǒng)CAD》《計算機(jī)控制系統(tǒng)》《電機(jī)與運動控制系統(tǒng)》等控制類課程，在各課程教學(xué)大綱制定過程中，由教學(xué)經(jīng)驗豐富、業(yè)務(wù)水平高的教師擔(dān)任組長，組織大家進(jìn)行調(diào)研、討論，起草培養(yǎng)目標(biāo)，并聘請企業(yè)專家進(jìn)行評審，充分考慮行業(yè)需求，改革教學(xué)內(nèi)容，選配授課老師和實驗器材，并依據(jù)年度學(xué)生考核情況和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，動態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容；采取培訓(xùn)、引進(jìn)人才、聘請客座教師等措施，優(yōu)化師資隊伍結(jié)構(gòu)，建立高水平的師資隊伍保障體系。鼓勵教學(xué)效果好的老教師給每一位初次上課的年輕教師進(jìn)行教學(xué)輔導(dǎo)，嚴(yán)格把關(guān)各個教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)教學(xué)水平的整體提高。課程教學(xué)模式采用學(xué)生為中心、社會需求為導(dǎo)向、持續(xù)教學(xué)改革為手段，目的在于強(qiáng)化學(xué)生工程能力和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以期能夠主動服務(wù)于國家和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)。[4]為適應(yīng)我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和結(jié)構(gòu)調(diào)整，教學(xué)內(nèi)容增加實踐課時比率，以及與實際工程問題的聯(lián)系緊密性。在構(gòu)思和設(shè)計階段，注重理論教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會利用系統(tǒng)的眼光思考被控對象，為實踐打下厚實基礎(chǔ)；在設(shè)計和執(zhí)行階段，強(qiáng)化仿真能力，結(jié)合Matlab軟件，對所學(xué)理論加以驗證；最后，在執(zhí)行和運作階段，加深實踐動手能力培養(yǎng)，將理論應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。

在理論教學(xué)過程中，為了避免過分強(qiáng)調(diào)某一門專業(yè)課程的完整性和獨立性，而忽略了各專業(yè)課程之間內(nèi)容銜接和整體優(yōu)化，使得學(xué)生不能駕馭整個知識體系，嚴(yán)重影響了控制類課程教學(xué)效果的提高和專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，為此有必要對控制類課程體系進(jìn)行更系統(tǒng)、更深層次的教學(xué)改革，按照“系統(tǒng)建模-性能分析-控制器設(shè)計”的體系結(jié)構(gòu)制定出理論教學(xué)大綱，對各單課程內(nèi)容按照表1進(jìn)行組合和整體優(yōu)化。[5]為強(qiáng)化理論教學(xué)對培養(yǎng)目標(biāo)的支撐力度，增加實際工程問題的聯(lián)系緊密性，調(diào)整離散系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的課時比率，強(qiáng)調(diào)學(xué)生從控制系統(tǒng)整體角度考慮問題，為日后學(xué)習(xí)《計算機(jī)控制系統(tǒng)》課程奠定基礎(chǔ)，讓學(xué)生掌握采樣控制系統(tǒng)中信號采樣和復(fù)現(xiàn)，A/D與D/A轉(zhuǎn)換及其典型結(jié)構(gòu)圖，離散系統(tǒng)描述及其控制方法；理論教學(xué)內(nèi)容從簡單到復(fù)雜、對象從線性到非線性的循序漸進(jìn)的過程，避免學(xué)生初學(xué)時產(chǎn)生厭惡情緒。

同時，教師還要充分利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)公開課等手段對授課內(nèi)容進(jìn)行形象化處理，給學(xué)生以直觀上的感受，啟發(fā)學(xué)生的求知欲，鍛煉學(xué)生的觀察力。教學(xué)過程中，為訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，運用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法，[6]通過對單級倒立擺系統(tǒng)控制任務(wù)的分解和討論，考慮到倒立擺是不穩(wěn)定、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，其控制方法在軍事、航天、工業(yè)控制領(lǐng)域中有著廣泛的用途，使學(xué)生帶著真實的任務(wù)在探索中學(xué)習(xí)，進(jìn)而被消化、吸收，并掌握實際對象“建?！治觥O(shè)計——校正”的整個控制過程，驗證所學(xué)控制理論的實際效果，并撰寫詳細(xì)的實驗過程記錄。

表1　控制類理論教學(xué)內(nèi)容和課時安排表

通過重新優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)精簡理論教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整理論學(xué)時和實踐學(xué)時比例，引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)中做、做中學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生從實踐中發(fā)現(xiàn)問題、在解決問題時創(chuàng)新能力

三　實驗內(nèi)容設(shè)置

在仿真與實踐環(huán)節(jié)，為貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》和《教育部等部門關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校實踐育人工作的若干意見》精神，加大培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力、工程實踐能力及開發(fā)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)力度，強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對實踐內(nèi)容進(jìn)行層次化設(shè)計，拓展學(xué)生的動手能力。針對學(xué)生缺少對理論和方法的感性認(rèn)識，采用導(dǎo)師制形式，課外時間輔導(dǎo)學(xué)生對工程訓(xùn)練軟件-Matlab和控制系統(tǒng)CAD(教材選用王海英主編：控制系統(tǒng)的MATLAB仿真與設(shè)計)的自主學(xué)習(xí)，鞏固學(xué)生對控制系統(tǒng)分析的理解力和綜合設(shè)計能力；同時，引導(dǎo)學(xué)生積極參加各類大學(xué)生科研實訓(xùn)項目和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目，吸納有興趣的學(xué)生參與授課教師的科研活動，提高學(xué)生科學(xué)研究能力和工程實踐能力。

一方面，為了讓學(xué)生更好的理解控制理論類課程的培養(yǎng)目標(biāo)和熟練的實踐操作技能，其實驗安排始終貫穿于理論課程教學(xué)全過程，仿真和實驗體系結(jié)構(gòu)也按照控制系統(tǒng)建模、分析以及設(shè)計為主線，最大限度地突出實踐技能培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生動手能力和解決問題的能力；[7]同時，為保證實踐環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量，教師提前布置實踐內(nèi)容，并要求學(xué)生在實踐前形成預(yù)習(xí)報告，培養(yǎng)學(xué)生獨立完成能力；實踐教學(xué)過程中全程答疑輔導(dǎo)，并對每位學(xué)生實踐情況分別記錄，以便掌握每位學(xué)生的理論學(xué)習(xí)程度，并反饋給理論授課教師；實踐教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)束后按照要求上交實踐報告，主要包括：實踐名稱和目的、具體實踐內(nèi)容、所采用的方法及步驟、實踐取得的結(jié)果及個人心得，在鞏固學(xué)生的理論知識同時也提高了學(xué)生的語言運用能力和撰寫能力。

另一方面，自行開發(fā)/焊接具有控制系統(tǒng)需要驗證的各種典型環(huán)節(jié)模塊、信號發(fā)生器模塊等，引入工程實例，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)，如電動機(jī)位置反饋控制、計算機(jī)恒溫箱的加熱控制等，使學(xué)生加深對知識的理解和靈活運用。同時，組織學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”“電子設(shè)計”“飛思卡爾”等各類學(xué)科競賽，并為這些學(xué)生配備指導(dǎo)教師，提供實踐場所和經(jīng)費支持，并組建博客，將這些同學(xué)的經(jīng)驗與其他同學(xué)共同分享。同時建構(gòu)多層次的實踐教學(xué)平臺，強(qiáng)化綜合實驗室、產(chǎn)學(xué)研實習(xí)基地建設(shè)，按照“基本能力-實踐能力-綜合能力”的實踐教學(xué)培養(yǎng)體系，并對新的控制類課程培養(yǎng)方案的實施情況進(jìn)行跟蹤評議，實時反饋信息，并對培養(yǎng)方案進(jìn)行修改和完善。

最后，在實踐體制建設(shè)方面，考慮到實踐教學(xué)體系的建設(shè)關(guān)系到人才培養(yǎng)的質(zhì)量，為了實現(xiàn)實踐教學(xué)與理論教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，以能力培養(yǎng)為核心，體現(xiàn)實踐教學(xué)注重能力、個性及創(chuàng)新意識培養(yǎng)的基本原則，在實踐教學(xué)體系建設(shè)上根據(jù)學(xué)生不同階段的學(xué)習(xí)狀況，采用分階段實驗教學(xué)體系。鼓勵學(xué)生積極進(jìn)入我校與中能鑫龍電器股份有限公司合建的國家大學(xué)生創(chuàng)新實踐基地，這也為學(xué)生開展課外科技創(chuàng)新實踐活動提供了一個良好的軟硬件環(huán)境。

四　結(jié)束語

綜上，控制類課程作為功課相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程，其教學(xué)質(zhì)量影響學(xué)生的就業(yè)及在該專業(yè)方向上的發(fā)展。我?？刂祁惤虒W(xué)借鑒國內(nèi)相關(guān)高校成功改革經(jīng)驗，以學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為焦點，修訂教學(xué)大綱，將相關(guān)課程內(nèi)容組合優(yōu)化，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性，并取得了一定的突破。我校將在現(xiàn)有教學(xué)資源基礎(chǔ)上，以CDIO模式繼續(xù)推動控制類課程教學(xué)大綱、教學(xué)方法的改革，緊密圍繞“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的重點和“工程教育專業(yè)認(rèn)證”的目標(biāo)，積極尋求自動化專業(yè)人才培養(yǎng)中所存在問題的有效解決途徑，為培養(yǎng)敢創(chuàng)新的高質(zhì)量人才不斷努力。

[1]龔克. 關(guān)于卓越工程師培養(yǎng)的思考與探索[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2010,8: 4-5.

[2]林健. 卓越工程師教育培養(yǎng)計劃專業(yè)培養(yǎng)方案研究[J]. 清華大學(xué)教育研究, 2011, 32(2):47-55.

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Class No.:G642.0Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Reform of Control Theory Curriculum Teaching Based on CDIO Mode

Wei Lisheng, Guo Xingzhong,Lu Huacai

(School of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

This paper discussed issues of improving the teaching quality of control theory curriculum and implement the national excellent engineers training plan for undergraduate based on the concept of engineering education . With a brief introduction to the development of national excellent engineers training plan model, this paper probed into the construction of the curriculum group of control theory in Anhui Polytechnic University . Finally, the experience of the course construction such as theory teaching, practice teaching mode is summarized. Through the exploration of engineering education mode, the foundation is laid for training advanced engineers with innovative spirit.

CDIO;curriculum group of control theory;instructional strategy;training mode

魏利勝，博士后，副教授，安徽工程大學(xué)。研究方向：控制科學(xué)與工程，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。

本文得到安徽省2015省級質(zhì)量工程項目(項目編號：2015jyxm177)、2015年安徽工程大學(xué)校級本科教學(xué)質(zhì)量提升計劃重點項目(項目編號：2015jyxm09)以及安徽工程大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量提升計劃項目(項目編號：2013JCJXZZ03)的資助。

1672-6758(2016)06-0031-3

G642.0

A

郭興眾，碩士，教授，安徽工程大學(xué)。研究方向：智能控制，微電網(wǎng)等。

陸華才，博士，教授，安徽工程大學(xué)。研究方向：電機(jī)與拖動，自動控制理論等。