張淑平

(上海第二工業(yè)大學(xué) 工學(xué)部,上海201209)

0 引言

2013年6月,國際工程聯(lián)盟大會正式接納我國加入《華盛頓協(xié)議》,成為該協(xié)議的預(yù)備會員,2016年6月,我國成為其正式會員。截至2018年底,全國共有227所高等學(xué)校的1 170個專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證,分布于機械、化工與制藥等21個工科專業(yè)類,近兩年申請認(rèn)證的專業(yè)數(shù)量大幅增加,說明越來越多的高校認(rèn)可工程教育認(rèn)證,并且積極參與進(jìn)來。

工程教育認(rèn)證是中國高等教育領(lǐng)域“雙一流”建設(shè)的重要抓手[1],它將宏觀的培養(yǎng)目標(biāo)分解為若干條具體的畢業(yè)要求,進(jìn)而由此建立課程體系,并制定出教學(xué)大綱用于具體實施。工程認(rèn)證強調(diào)各評價環(huán)節(jié)的規(guī)范性和可溯性[2-3],不僅明確了認(rèn)證的各環(huán)節(jié)的相關(guān)要求,而且要求對各環(huán)節(jié)的達(dá)成情況進(jìn)行評價,形成從輸入到輸出的完整培養(yǎng)體系。

現(xiàn)代控制理論是各高校自動化專業(yè)工程教育認(rèn)證的核心課程之一,與經(jīng)典控制理論和智能控制理論在控制思想上邏輯貫通,在理論體系上互相支撐,構(gòu)成控制領(lǐng)域解決復(fù)雜工程問題的核心理論依據(jù)[4]。為突出本課程的工程性,艾志偉等[5]將應(yīng)用項目引入課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié);黃蘇丹等[6]將抽象的理論概念與強邏輯性的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計方法循序漸進(jìn)地應(yīng)用到同一個自動化工程實例中。這些改進(jìn)融合了本課程的工程性元素,但工程教育認(rèn)證是一個科學(xué)的系統(tǒng)性評價體系,因此如何將教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與其他環(huán)節(jié)的評價有效構(gòu)成可改進(jìn)和優(yōu)化的閉環(huán)就尤為重要了。

本文以我校自動化專業(yè)的工程教育認(rèn)證為背景,以工程認(rèn)證中關(guān)于畢業(yè)要求的12條通用標(biāo)準(zhǔn)及其分解指標(biāo)為依據(jù),以培養(yǎng)學(xué)生具備分析和解決復(fù)雜工程的能力為目標(biāo),從教學(xué)內(nèi)容、實踐設(shè)計、教學(xué)模式、考評方式和持續(xù)改進(jìn)機制5個方面,探索“現(xiàn)代控制理論”課程的工程化教學(xué)改革。

1 現(xiàn)代控制理論的課程目標(biāo)及對畢業(yè)要求的支撐

按照工程認(rèn)證關(guān)于畢業(yè)要求的12條通用標(biāo)準(zhǔn)及我校自動化專業(yè)定位于系統(tǒng)集成領(lǐng)域的高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)的專業(yè)特色所提出的分解指標(biāo)點,畢業(yè)5年后的系統(tǒng)工程師應(yīng)掌握自動化系統(tǒng)的運維技術(shù),掌握復(fù)雜工程設(shè)計能力、系統(tǒng)集成應(yīng)用能力。對標(biāo)畢業(yè)要求的分解指標(biāo)點,現(xiàn)代控制理論課程所能支撐的畢業(yè)生工程能力包括[7-8]:①將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于計算分析工程問題的工程能力;②能夠基于數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué),對自動化工程問題進(jìn)行建模分析,獲得有效結(jié)論的問題分析能力;③能夠針對用戶復(fù)雜自動化需求的特點制定解決方案,設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元或工藝流程的創(chuàng)新設(shè)計能力;④能夠初步運用恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)代工程工具對復(fù)雜自動化工程應(yīng)用問題進(jìn)行預(yù)測和模擬,并且具備理解所用現(xiàn)代工具的工作原理及其局限性的現(xiàn)代工具使用能力。

為支撐以上畢業(yè)要求指標(biāo)點的達(dá)成,現(xiàn)代控制理論的課程目標(biāo)設(shè)計為:

課程目標(biāo)1理解狀態(tài)變量、狀態(tài)空間、狀態(tài)向量、動態(tài)方程等基本概念;學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)物理機制、微分方程、傳遞函數(shù)和系統(tǒng)框圖建立狀態(tài)空間表達(dá)式的具體方法,培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識和專業(yè)理論對電路、機械等實際控制系統(tǒng)的建模能力。

課程目標(biāo)2學(xué)會定量分析連續(xù)/離散系統(tǒng)的運動狀態(tài),定性分析系統(tǒng)能控性、能觀測性和穩(wěn)定性,培養(yǎng)學(xué)生對實際控制系統(tǒng)的分析能力。

課程目標(biāo)3掌握極點配置原理和狀態(tài)觀測器的設(shè)計方法,能夠根據(jù)具體的控制要求,實現(xiàn)對實際控制系統(tǒng)的校正,培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代控制方法滿足特定需求的創(chuàng)新設(shè)計能力。

課程目標(biāo)4熟練使用MATLAB仿真平臺對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和模擬仿真,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和熟練運用現(xiàn)代專業(yè)工具的能力。

2 教學(xué)中存在的問題

(1)教材內(nèi)容沒有突出現(xiàn)代控制理論在解決多變量復(fù)雜控制問題中的優(yōu)越性

有別于經(jīng)典控制理論主要解決單輸入單輸出系統(tǒng)的建模問題,現(xiàn)代控制理論主要解決多輸入多輸出系統(tǒng)的建模,它是分析和解決自動化復(fù)雜工程問題的有力手段。從現(xiàn)代控制理論應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的特點不難看出,其控制對象絕大部分是多輸入多輸出的,這為現(xiàn)代控制理論提供了良好的應(yīng)用環(huán)境,也更能體現(xiàn)現(xiàn)代控制理論在解決多變量復(fù)雜控制系統(tǒng)中的優(yōu)越性,但這一特點在大部分教材中常常被忽視。

(2)傳統(tǒng)的教學(xué)模式?jīng)]有克服現(xiàn)代控制理論中概念多且晦澀難懂的問題

由于理論性較強,傳統(tǒng)教學(xué)中教師往往注重理論分析和公式推導(dǎo),加之缺乏靈活先進(jìn)的教學(xué)手段,導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生將較多時間花在對理論知識的理解及對典型例題的深究,忽視了對課程內(nèi)容的拓展和對課程相關(guān)知識的實踐。因此本課程的理論體系被肢解,內(nèi)容被碎片化,工程性被掩蓋,學(xué)生對相關(guān)工程性問題的理解只能停留在教材中的概念層面,并不能真正系統(tǒng)性地理解古典控制和現(xiàn)代控制在控制對象、控制策略、分析方法上的聯(lián)系性、繼承性和區(qū)別性;也無法靈活運用狀態(tài)空間理論、李雅普諾夫穩(wěn)定性分析等深刻理論去分析和解決實際工程性問題。

(3)實驗教學(xué)內(nèi)容以驗證性為主,系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)缺失,與實際應(yīng)用脫節(jié)明顯

受傳統(tǒng)教育觀的影響,現(xiàn)代控制理論課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)一直被當(dāng)做理論教學(xué)的附屬,用以輔助理論教學(xué)中對晦澀概念的理解,卻沒有自己的內(nèi)容體系,缺少大型實驗、研究性實驗和設(shè)計性實驗,缺乏完整性、開拓性和創(chuàng)新性。實驗內(nèi)容上以線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模、能控性、能觀性及穩(wěn)定性驗證為主,在方法上主要采用MATLAB的仿真來實現(xiàn)。雖然MATLAB具有強大的數(shù)學(xué)計算和分析能力,但由于實驗內(nèi)容簡單,缺少對實際案例的分析和建模過程,所以軟件仿真過程對輔助學(xué)生理解深奧的控制理論、體會現(xiàn)代控制理論在解決多輸入多輸出復(fù)雜工程問題中所具備的優(yōu)越性上,所起作用有限。

(4)考核方式過于依賴總結(jié)性評價,弱化了過程管理和形成性評價的作用

以期末考試為主要方式的總結(jié)性評價是一種“回顧式”評價,受限于考試中計算過程需要手算,不能采用計算機輔助,故只能通過低階次的系統(tǒng)來考查學(xué)生對知識的掌握程度,所以從試卷分析中也僅能獲得學(xué)生知識記憶能力和理論理解能力,無法立體全面地評價學(xué)生對理論的應(yīng)用能力和對復(fù)雜工程問題的分析能力,在弱化了過程管理和能力形成過程中的形成性評價,對實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)就失去了有力的指揮棒。

因此,鑒于現(xiàn)代控制理論在工程認(rèn)證中核心課程的重要地位、課程自身的特點和當(dāng)前教學(xué)過程存在的以上問題,通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實驗設(shè)計、考核評定等一系列改革,探索符合工程教育認(rèn)證要求的現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)改革思路具有必要性。

3 重構(gòu)教學(xué)方案

結(jié)合本課程對工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐貢獻(xiàn),從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、實踐設(shè)計、考評方式和持續(xù)改進(jìn)機制5個方面,重構(gòu)本課程的教學(xué)方案,具體教學(xué)方案設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 教學(xué)方案設(shè)計框圖Fig.1 The block diagram of teaching scheme design

3.1 以能力要求為出發(fā)點整合教學(xué)內(nèi)容,強化課程理論的統(tǒng)一性和工程性

解決復(fù)雜工程問題的核心是從掌握知識到運用知識的轉(zhuǎn)變,因此以能力要求為出發(fā)點,圍繞復(fù)雜工程問題的核心特征,整合教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)成“一主三輔”的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

一條主線是“系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立-系統(tǒng)性能的定量計算和定性分析-系統(tǒng)的控制策略設(shè)計”。它貫穿整個教學(xué)過程,通過狀態(tài)空間建立、狀態(tài)轉(zhuǎn)移計算、能控性、能觀性和穩(wěn)定性分析、狀態(tài)觀測器設(shè)計等具體方法來培養(yǎng)學(xué)生具備畢業(yè)要求所提出的對復(fù)雜工程問題的建模、計算分析與設(shè)計的基本能力。

三條輔線是:①自動控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論這一完整控制理論體系發(fā)展脈絡(luò)。強調(diào)控制理論的聯(lián)系性和統(tǒng)一性,使該課程的體系和結(jié)構(gòu)清晰完整。②基礎(chǔ)案例驗證向?qū)嶋H工程案例設(shè)計的進(jìn)階。以學(xué)生熟悉的電路實驗輔助晦澀概念的理解,然后引入四旋翼無人機、無人車、機器人、新能源發(fā)電、多級倒立擺等工程實例,給現(xiàn)代控制理論賦予較強的物理概念及工程背景,克服學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論時容易陷入純數(shù)學(xué)推導(dǎo)而不易建立工程概念的難點。③先進(jìn)專業(yè)軟件的工程計算與仿真。借助先進(jìn)專業(yè)軟件集數(shù)據(jù)分析、建模、可視化、程序編制、系統(tǒng)控制等功能于一體的優(yōu)勢,給現(xiàn)代控制理論學(xué)科所涉及到的相關(guān)數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析提供更優(yōu)質(zhì)的解決方式。

3.2 以知識點之間的縱向聯(lián)系為紐帶,提煉知識模塊,確保教學(xué)內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性

將“運用數(shù)學(xué)和工程理論對復(fù)雜工程問題進(jìn)行建模、計算分析與設(shè)計的能力”分解成由淺入深、環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)過程,并輔以形成性階段評價,封裝成4個相對獨立的教學(xué)模塊。

模塊1系統(tǒng)建模。以狀態(tài)空間的基本概念和構(gòu)建狀態(tài)空間表達(dá)式的基本方法為主要內(nèi)容的系統(tǒng)建模模塊,通過對簡單工程案例的建模來培養(yǎng)學(xué)生靈活運用基礎(chǔ)理論對復(fù)雜工程問題的建模能力。

模塊2系統(tǒng)分析。以系統(tǒng)的運動分析、能控性、能觀測性和穩(wěn)定性判定為主要內(nèi)容的系統(tǒng)分析模塊,通過對實際工程案例的分析和實驗仿真,培養(yǎng)學(xué)生分析系統(tǒng)模型并嚴(yán)謹(jǐn)論證模型正確性的能力。

模塊3綜合系統(tǒng)設(shè)計。以極點配置、狀態(tài)反饋、輸出反饋和狀態(tài)觀測器的設(shè)計等控制策略為主要內(nèi)容的系統(tǒng)設(shè)計模塊,以模塊2的工程案例分析為基礎(chǔ),設(shè)計合理的控制策略,培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)模型設(shè)計控制策略的能力。

模塊4創(chuàng)新實驗與實踐綜合。以基礎(chǔ)理論的實驗驗證、工程項目分解和系統(tǒng)仿真、企業(yè)參觀實踐等為主要內(nèi)容的創(chuàng)新實驗與實踐綜合模塊,通過專業(yè)軟件對模塊3完成的復(fù)雜工程的控制策略進(jìn)行仿真和驗證,以培養(yǎng)學(xué)生熟練使用各類專業(yè)軟件進(jìn)行設(shè)計和系統(tǒng)仿真的能力。此外,實際生產(chǎn)企業(yè)參觀可以開闊學(xué)生眼界,鍛煉學(xué)生觀察現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)問題,培養(yǎng)學(xué)生對持續(xù)發(fā)展所需知識的終身學(xué)習(xí)能力。

3.3 構(gòu)建立體的創(chuàng)新實驗和實踐平臺

創(chuàng)新實驗和實踐平臺是利用專業(yè)軟件集數(shù)據(jù)分析、建模、可視化、程序編制、系統(tǒng)控制等功能于一體的優(yōu)勢,對基礎(chǔ)理論予以驗證;進(jìn)而采用實際工程案例模擬工程項目的設(shè)計流程,完成模擬實戰(zhàn)過程;最后進(jìn)入企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行參觀和實踐,從而在真實的生產(chǎn)環(huán)境下,觀察現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問題,給出解決草案。在這一過程中強調(diào)對現(xiàn)代控制理論在多輸入多輸出工程案例中優(yōu)越性的驗證,以及設(shè)計方案的有效性。創(chuàng)新實驗和實踐平臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 創(chuàng)新實驗與實踐平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of innovation experiment and practice platform

在綜合仿真環(huán)節(jié)中,開設(shè)具有研究性、自主性、綜合性的多級倒立擺控制系統(tǒng)、多容水箱液位控制和串聯(lián)機器人控制等實驗項目。學(xué)生可自行選擇實驗設(shè)備、自行選擇控制方案,完成控制律設(shè)計、仿真和系統(tǒng)的調(diào)試,完成項目方案書撰寫和項目答辯匯報。這是一種真正以學(xué)生為中心,完全自主、開放、研究型的實驗教學(xué)方式,有利于加強學(xué)生綜合應(yīng)用能力、工程訓(xùn)練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.4 建立總結(jié)性和形成性評價相結(jié)合的靈活多元考核評價機制

采集模塊化教學(xué)中4個獨立模塊的考核要素,構(gòu)成以形成性評價和總結(jié)性評價相結(jié)合的靈活多元的考核機制。形成性評價注重考核學(xué)生學(xué)習(xí)過程,涵蓋系統(tǒng)建模能力、系統(tǒng)分析能力、控制策略設(shè)計能力、團(tuán)隊協(xié)作能力,以及專業(yè)軟件運用熟練度、口頭表達(dá)和方案撰寫、終身學(xué)習(xí)等多方面能力考核?？偨Y(jié)性評價注重考核學(xué)生在課程結(jié)束后,理解理論知識程度和能力水平,它以期末考核為主要手段,涵蓋理論知識的理解能力、基于數(shù)學(xué)的計算能力、邏輯分析與判斷能力的考核。

圍繞課程目標(biāo),按照表1中考核要素及相應(yīng)權(quán)重構(gòu)建結(jié)合形成性評價和總結(jié)性評價的多元立體的評價機制,并按照

課程分目標(biāo)達(dá)成度=總評成績中支撐該課程

目標(biāo)相關(guān)考核環(huán)節(jié)平均得分之和

總評成績中支撐該課程目標(biāo)

相關(guān)考核環(huán)節(jié)目標(biāo)總分

建立對各課程目標(biāo)的達(dá)成情況分析。根據(jù)評價結(jié)果持續(xù)動態(tài)改進(jìn)和完善教學(xué)實施過程,真正做到“教學(xué)實施-考核評價-持續(xù)改進(jìn)”的課程教學(xué)閉環(huán)。表1所示為主要的考核要素及權(quán)重。

表1 考核要素及權(quán)重Tab.1 Assessment elements and weights

3.5 建立可持續(xù)的閉環(huán)改進(jìn)機制

持續(xù)改進(jìn)是專業(yè)工程教育認(rèn)證的三大基本理念之一,對引導(dǎo)和促進(jìn)專業(yè)建設(shè)與教學(xué)改革、保障和提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。因此,為了監(jiān)督教學(xué)過程對學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的支撐程度,實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和教學(xué)過程的持續(xù)改進(jìn),本次教學(xué)改革中引入以“畢業(yè)要求達(dá)成”為內(nèi)環(huán),以“培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成”為外環(huán)的可持續(xù)閉環(huán)改進(jìn)機制,其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

內(nèi)環(huán)控制主要依靠校內(nèi)的資源和各類保障來實現(xiàn)。它以畢業(yè)要求的指標(biāo)點為輸入信號,以畢業(yè)生能力培養(yǎng)為輸出信號,通過前向通道的各環(huán)節(jié),如學(xué)校內(nèi)部的課程體系建設(shè)、教學(xué)過程改革、師資水平提升、各類監(jiān)督機制保障等手段,確保畢業(yè)要求的達(dá)成?！爱厴I(yè)要求達(dá)成度”作為衡量畢業(yè)要求達(dá)成程度的反饋信號,與輸入信號進(jìn)行比較,當(dāng)兩者不一致時,通過調(diào)整課程體系,科學(xué)改進(jìn)具體的課程教學(xué)過程等手段持續(xù)改進(jìn),直到系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡。

圖3 可持續(xù)的閉環(huán)改進(jìn)機制Fig.3 Sustainable and closed loop teaching improvement mechanism

外環(huán)控制主要依靠來自外部的信息反饋,如企業(yè)的用人評價和已畢業(yè)5年的學(xué)生的職業(yè)能力反饋。它以“依據(jù)內(nèi)外需求確定的本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)”為輸入信號,以畢業(yè)生能力培養(yǎng)為輸出信號,在前向通道上以內(nèi)環(huán)系統(tǒng)中“畢業(yè)要求的達(dá)成”為主要環(huán)節(jié)來實現(xiàn)輸出控制。而企業(yè)用人評價、畢業(yè)生職業(yè)能力反饋、應(yīng)屆學(xué)生的畢業(yè)要求達(dá)成度都作為外環(huán)反饋通道中“培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度分析”的重要構(gòu)成要素。當(dāng)反饋信號與輸入信號不一致時,內(nèi)環(huán)系統(tǒng)作為隨動系統(tǒng)將通過調(diào)整“畢業(yè)要求指標(biāo)點”及相應(yīng)的教學(xué)實施過程來持續(xù)改進(jìn)外環(huán)輸出,直至達(dá)到動態(tài)平衡。

如圖3所示,在閉環(huán)改進(jìn)機制中,課程目標(biāo)的實現(xiàn)是內(nèi)環(huán)控制的重要環(huán)節(jié),當(dāng)課程目標(biāo)高質(zhì)量的實現(xiàn)時,其對師資水平提升、優(yōu)化各類保障機制和支撐條件,進(jìn)而提升畢業(yè)生的各項能力,及促進(jìn)畢業(yè)要求中“工程設(shè)計能力、分析能力、創(chuàng)新能力和使用現(xiàn)代工具解決問題的能力”的達(dá)成起到了不可或缺的正向強支撐作用。當(dāng)課程目標(biāo)實現(xiàn)不理想時,其不足以支撐畢業(yè)要求的達(dá)成,因此內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制都會出現(xiàn)偏差,進(jìn)而促使課程體系建設(shè)、教學(xué)過程發(fā)生相應(yīng)改進(jìn)和調(diào)整,以不斷修正課程目標(biāo)的實現(xiàn)和畢業(yè)要求的達(dá)成度偏差,從而完成動態(tài)的閉環(huán)改進(jìn)。

在可持續(xù)的閉環(huán)改進(jìn)機制中,以外環(huán)發(fā)揮主導(dǎo)作用,通過社會和行業(yè)需求、學(xué)校定位發(fā)展和學(xué)生個體發(fā)展規(guī)劃來及時調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo),并落實為可追溯可評價的畢業(yè)要求指標(biāo)點;內(nèi)環(huán)作為隨動子系統(tǒng)根據(jù)畢業(yè)要求的改變,而改變課程體系和課程教學(xué)過程,從而促進(jìn)新的培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成,構(gòu)成完整的持續(xù)改進(jìn)過程。

4 結(jié) 語

以工程教育認(rèn)證為背景,從主輔相兼的教學(xué)內(nèi)容、模塊化的教學(xué)模式、開放自主的實踐過程,多元的考核方式和可持續(xù)的閉環(huán)改進(jìn)機制5個方面,提出了以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革。通過教學(xué)實踐,獲得學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐兩方面較好的教學(xué)反饋。

需要指出的是,在持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)改進(jìn)機制中,“畢業(yè)要求的達(dá)成度分析”和“培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度分析”恰好分別處于內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制的反饋環(huán)節(jié),因此,建立科學(xué)的、有效的“畢業(yè)要求的達(dá)成度”和“培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度”分析方法,將是接下來重點解決的問題。