自動化專業卓越工程師教育培養計劃控制理論教學改革研究

一、背景

為貫徹落實黨的十七大提出的走中國特色新型工業化道路、建設創新型國家、建設人力資源強國等戰略部署，2010年6月，教育部聯合有關部委和行業協會共同組織實施“卓越工程師教育培養計劃”。“卓越計劃”被列入《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010－2020年)》，這是為貫徹落實國家戰略部署而提出來的高等工程教育重大改革計劃，對推動高等工程教育教學改革，創立高校與行業企業聯合培養人才的新機制，提升人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。

華北電力大學被批準成為我國首批“卓越計劃”實施高校之一，根據教育部文件精神，結合華北電力大學實施“大電力”學科戰略，按照“卓越計劃”人才培養體系的培養目標，即構建工程創新型和工程實踐型人才培養模式，在自動化專業成立了工程實踐型試點班。在學生培養方面，自動化專業一直以“重實踐，強能力”為特色，結合教師科研工作，開展多層次實踐教學，促進學生的全面發展。

結合國家、學校、學院教學理念和政策，為執行我系“卓越工程師計劃”，同時為實現“多科性、研究型、國際化高水平大學”的奮斗目標，貫徹我校“學科立校、人才強校、科研興校、特色發展”的辦學方針，依托華北電力大學本科教育教學改革重點研究項目“現代控制理論實驗教學改革”，在自動化專業的控制理論課程方面進行了相應的教學改革。

二、教學方法改革

控制理論課程以前多采用傳統的教學方式，雖然傳統教學方式對學生控制理論基礎知識的掌握來說有很好的效果，從考試成績和考研錄取率看都很不錯，但傳統教學以教師為主，不提倡學生自主思維，使學生失去了學習的主動性，短期教育效益好，長遠教育效益差，對于學生的創新思維和自主學習能力的培養都沒有幫助。

隨著計算機和網絡技術的飛速發展，我校的多媒體授課方式取得了迅猛發展，并且以其鮮明的特點和突出的優勢成為我校主要的授課方式。但是多媒體授課方式針對控制理論課程，在應用過程中還存在著一些問題。由于本專業的課程有非常強的實踐性，再加上許多剛執教的年輕教師，直接從學校到學校，缺乏電廠實踐的現場經驗，在教學中，存在放映速度過快，內容過多的問題，似乎提高了教學效率，擴充了教學內容，其實是由于課堂信息量過大，教師過分依賴課件，學生反而根本抓不到重點，脫離實際應用，只是使教師脫離了臟累的教學；在多媒體教學中，十幾個老師使用同一個課件，缺乏靈活性和多樣性；有些教師利用多媒體授課時，教師和學生之間嚴重缺乏交流、互動，比傳統教學方式更加教條，學生出來后確實成績高，考研成績好，但是從研究生復試和就業以后的情況看，有相當多學生頭腦混亂，不能學以至用。這些既不符合我系“重實踐，強能力”的特色，也不利于年輕教師的成長，更不利于學生綜合素質的培養。

傳統教學方式雖然有這樣那樣的不足，但是對于教學經驗和現場實踐經驗豐富的老師來說，其授課內容更富有靈活性，教師可根據學生的課堂反饋來經常地調整課堂的講授內容、速度以及方式，可以做到因材施教，并可以結合電廠的實際系統，加以講解，提高學生實踐創新和綜合分析能力。

改革后的新的教學方式融合了多媒體教學和傳統教學，一方面利用多媒體的形式擴充教學內容，節省教學和記筆記時間，利用個別動畫加深對現場實際系統的認識和理解，另一方面利用板書教學，給學生以理解和思考的時間，同時可以在“啟發式”教學中，采用反饋教學方法，根據學生對教授內容的反饋信息進行互動，使教師可以動態地調整授課內容和方式，充分調動教師和學生雙方面的能動性。采取了豐富的教學手段以提高學生綜合素質，尤其是設計實踐能力，提高了教學效果；通過課程設計和綜合實驗，為學生提供綜合運用知識、培養科研素質的機會，鍛煉了學生的自主性；綜合實驗的驗收采取演示、講解和答辯相結合方式，使學生的科研能力得到全方位的鍛煉。

三、教學內容改革

控制理論課程在學校整個專業基礎課程教學中覆蓋面較大，是控制理論與控制工程碩士點入學考試科目，是很多相關專業后續學習專業課的基礎，在自動化技術飛速發展并廣泛使用的今天，已經成為所有工科專業的科學普及課程，也是工程技術人員必須要掌握的基本技能。

“卓越計劃”要求我專業學生掌握控制理論方面的基本理論和基本知識，熟悉電力生產過程、原理與方法，受到較好的工程實踐基本訓練，具有系統分析、設計、開發與研究的基本能力。為此，針對專業主干課程“控制理論”，將原來的72學時古典控制理論(含6學時實驗環節)+40學時現代控制理論(無實驗環節)，改成64(含8學時實驗環節)+32學時現代控制理論(含2學時實驗環節)。調整后的主要教學內容包括：

(1)自動控制系統的基本概念及對自動控制系統的基本要求；(2)被控對象、構成控制系統的基本元件及控制系統數學模型的形式和求取方法；(3)線性連續系統的時域分析法；(4)線性連續系統的根軌跡分析法；(5)線性連續系統的頻域分析法；(6)線性連續系統的設計與校正，Matlab軟件的應用和綜合設計；(7)非線性系統的負倒描述函數法和相平面法；(8)狀態空間法模型；(9)線性控制系統的運動分析；(10)線性控制系統的能控性和能觀性；(11)控制系統的李雅普諾夫穩定性；(12)線性定常系統的綜合——狀態觀測器的設計和基于狀態反饋的極點配置設計。

四、師資結構調整

為適應新教學計劃的要求，成立了自動化系自動控制教研室控制理論課題組并做了以下工作。

加強對青年教師的培養。《控制理論》課程作為工科院校相關專業的專業基礎課，既有嚴謹的理論推導、習題演算，又有結合實際的系統設計與校正，沒有經過嚴格的訓練、不具有扎實功底的教師，很難勝任該課程。對青年教師有計劃、有目的地進行培訓，實施同行聽課制度，為中青年教師搭建了相互學習、取長補短的平臺，也充分發揮了老教師的傳、幫、帶作用。同時，要求青年教師參加各種講座、經驗交流會和講課比賽，從而開拓視野，有利于提高教學質量和效果，培養教學的骨干力量。

鼓勵中青年教師在職攻讀博士學位，進一步提高自身的專業水平；引進具有博士學位的人才，補充新鮮的血液。目前控制理論課題組有主講教師11人，其中博士學歷7人，碩士學歷2人，學士學歷2人，而中青年教師中博士學歷教師比例為85％，高級職稱7人。95％的教師都具有企業工程經驗，課題組教師長期在一起從事科學研究和技術開發，互有特長，了解電廠的實際問題和實際需要。

100％的主講教師可以參加實踐教學工作，另外有專職實驗室教師14人，教學小組有合理的知識結構和年齡結構，并可以根據課程需要配備輔導教師，教學團隊具有豐富的現場經驗。同時，鼓勵教師參加國內外學術會議。系、教研室、教學小組也定期或不定期地開展學術交流活動。

此外，華北電力大學是一個有鮮明特色的高校，長期形成的與電力行業合作關系，使得教師在講課過程中，會結合自己的科研課題，注重理論聯系實際。我們在講授控制理論課程時，結合電力系統、電廠熱工方面的實際問題，有針對性地啟發學生，讓學生了解所學知識怎樣在實際工作中應用，效果很好。

五、實驗改革

“自動控制理論”作為2008年河北省省級精品課程，已有一些實驗環節，為了進一步貫徹執行學校的構建工程，創新人才培養體系，即面向工程實際，將科技教育與工程訓練融于一體，把教育改革的重點放在培養學生的實踐創新能力上，創新面向行業企業需求的合作培養模式，加設新的教學實驗環節如下。

1.典型環節頻率特性分析實驗

控制理論課程中的頻率特性分析在學生日后的工作中有很重要的功能。通過研究頻率特性，容易了解如何通過改變系統的參數和結構來改善系統的性能。另外頻率特性有明確的物理意義，可以用實驗方法較為準確地測取，特別是對那些難以用解析法建立數學模型的系統或元部件更具有實際意義。頻率分析法由于使用方便，對問題的分析明確，便于掌握，因此成為工程上廣泛應用的基本方法。而以往都是向學生講述理論上的特點和方法，學生沒有直觀的理解，對頻率法的優點和作用不能深刻理解，不會工程應用。所以我們為自動化專業學生開設了典型環節頻率特性分析實驗課程，實驗中利用了天津市中環電子儀器有限公司——電子部電子儀器重點企業生產的TD401 1A頻率特性分析儀。

2現代控制理論控制系統仿真實驗

本實驗數據依托學校已經建立的“電站設備狀態監測及控制實驗室”(教育部重點實驗室)、“工業過程測控新技術與系統”(北京市重點實驗室)和“河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心”來自現場的實際數據進行設計和分析。包括熱工控制系統高階對象的建模與辨識、大慣性大遲延對象的特性分析、熱工控制系統高階對象的能控能觀性的分析、李雅普諾夫穩定性的判別與驗證、全維觀測器與降維觀測器的設計與魯棒性比較、狀態反饋控制器的設計與執行機構非線性對極點位置影響的分析、多種控制算法控制效果比較。

3.學生自由設計的開放性實驗

對于少數學有余力和有興趣的同學可以進行實際系統的開放性實驗控制設計。在Burkert1110型數字工業控制器和水箱系統的平臺上，與Matlab軟件相結合，進行控制系統設計分析。Burkert1110型數字工業控制器和水箱系統是德國Burkert公司的產品，引進的高水平的控制系統綜合實驗平臺，能夠進行開放式教學，講述，觀看和學生自行設計水位、壓力、流量和溫度實際自動控制系統的形成，調節器參數整定，控制算法和控制結構的設計，可以通過實驗的方法獲得被控對象的數學模型，通過小型操作站學習建立被控參數的實時顯示和歷史曲線追憶等工程技術知識。

六、改革效果

1.教學水平提升

團隊組教師的講課水平經校外專家評價、校內督導組評價、學生評價被認定為優良。講課有感染力，能啟迪學生的思考、聯想及創新思維。教學錄像能夠體現教師的教學觀念、教學方法和手段。多名教師多次榮獲校教學一等和二等獎，獲部級科技進步三等獎一項和并獲得校級科技工作先進個人獎；獲校教學十佳青年教師稱號，獲省教學成果三等獎一項和班主任工作優秀獎等，并有多名教師在大型講課基本功比賽中獲獎。在學生的學評教系統中，學生的評價較高。

2.學生水平提升

通過此次教學改革，完善了教學組的師資結構，提高了教師的教學水平，調整了教學內容，改革了教學方式，充實了自動化專業的實踐環節，使學生對實際控制系統的結構、系統中各環節的關系、數字控制器的應用和控制系統的整合等建立起完整的概念。培養了學生利用所學理論知識分析、解決實際問題的能力。

學生在校期間參加各種實踐能力比賽，在全國仿真技術大賽、“飛思卡爾”杯全國大學生智能仿真汽車競賽、美國大學生數學建模競賽、全國大學生電子設計等大賽中取得了優異成績。加強了大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養，促進了我校教育教學改革。

我系學生就業率一直穩居學校前列，2010年達到98.8％。作為電力能源產業的新生力量，學生的實踐能力、工程能力強，基礎知識扎實，取得了很好的口碑。

七、結語

在保證控制理論基礎教學內涵和質量的前提下，為適應創新和工程實踐型人才的培養要求，保證控制理論課程(自動控制原理和現代控制理論)教學改革的連續性，增強了學生的實踐、創新能力和綜合素質的教育，加強了教師隊伍的鍛煉，教師由傳統教學模式向研究、開發輔導型轉變，學生由被動接受式學習向主動創新式學習轉變。堅持了“面向工業界、面向未來、面向世界”的工程教育理念，以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程技術為主線，充分發揮行業院校高等工程教育的優勢，探索多樣化工程創新人才培養模式，培養造就創新能力強、適應經濟社會發展需要的電力能源產業拔尖創新人才。