基于CDIO的“自動控制理論”工程教育研究和實踐

摘要：針對“自動控制理論”課程在工程實踐教學中的不足，運用CDIO教育理念對該課程的工程教育進行研究和實踐，明確“自動控制理論”課程中學生的學習需求，重新設計教學模式，強化工程實踐能力培養，考核方式采用多元化模式。解決了目前該課程工程教育面臨的困難，調動了學生學習的積極性，提高了學生的工程實踐能力和創新能力。

關鍵詞：自動控制理論；工程教育；CDIO理念

作者簡介：趙磊（1981-），男，山西長治人，黃山學院機電與信息工程學院，助教；施云貴（1964-），男，吉林省吉林市人，黃山學院機電與信息工程學院，教授。（安徽 黃山 245041）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0053-01

進入21世紀，經濟全球化對我國工程技術人才的需求日益增長，對工程教育的發展帶來了機遇。但在我國的傳統工程教育中，重理論輕實踐，過分強調知識的理論深度和系統性，而忽略了各學科知識間的聯系，特別是忽視理論知識的應用。“自動控制理論”作為自動化學科各專業的一門重要的專業基礎課程，[1]是為培養從事控制領域的科學研究和工程技術人員而設置的。在“自動控制理論”課程中，傳統教學多局限于課堂授課，結合線性系統時域分析、根軌跡分析和頻率特性分析等基礎驗證性實驗和系統動態、穩態特性分析等分析性實驗，而強調工程實踐的綜合性和創新性內容不足，偏離實際工程應用。

黃山學院（以下簡稱“本校”）作為一所地方性普通本科高校，與學術性高校“錯位競爭”，明確辦學定位為應用型。因此，結合本校“自動控制理論”課程教學的實際情況，對“自動控制理論”課程教學提出了改革思路。本文將利用CDIO工程教育模式的理念，[2]明確“自動控制理論”課程中學生的學習需求，重新設計教學模式、強化工程實踐能力培養和考核方式多元化，以提升該課程工程教育的質量和內涵。[3-6]

一、CDIO工程教育理念

CDIO代表構思（conceive），設計（design），實施（implement），運行（operate），是由MIT和瑞典幾所大學在Wallenburg基金會的資助下，經過幾年的研究、探索和實踐于2004年創立的工程教育模式。該教育模式是以產品、過程和系統的構思、設計、實施和運行全生命周期為背景的教育理念為載體，以CDIO教學大綱和12標準為基礎，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習，獲取工程能力。

CDIO工程教學模式的主要特色在于它創造了能夠深化技術基礎和實際能力的學習經驗。采用現代教學方法、創新教學模式和新的學習環境為學生提供接近工程實際的學習經驗，這些具體的學習經驗創建了一個與技術基礎相關的學習抽象概念的認知框架，并為學生提供有助于理解和記憶這些抽象概念的實際應用機會，由此提供掌握深厚基礎知識的途徑。

二、“自動控制理論”課程教學改革

1.重新設計教學模式

根據“自動控制理論”課程特點，運用CDIO工程教育理念，堅持以學生為本，建立知識、能力、素質培養體系，將系統的構思、設計、實施和運行貫穿整個教學過程，對“自動控制理論”的教學目標、課程體系、教學活動及組織形式等進行全方位思考與設計，形成基于CDIO的“自動控制理論”課程教學模式，如表1。

2.強化工程實踐能力培養

為了加強“自動控制理論”課程工程實踐能力的培養，在傳統教學的基礎上，融合項目教學、虛擬仿真和案例分析等方法，讓學生在模擬工程實踐的環境中進行學習。

（1）項目教學。基于項目的教學是建立在具體問題的基礎上來尋找解決問題的辦法。為了踐行CDIO工程教育理念，依托項目以3～5名學生為一組，教師采用點撥方式或共同探究的方式進行指導。具體實施步驟如下：

1）構思（C）。通過加深學生對自動控制系統的使命、需求、功能、技術和構建等概念設計的理解，其主要形式是要求學生對控制系統進行分析、思考，形成對控制系統設計開發的基本感性認識，加深對控制系統基本分析和設計方法的理解。

2）設計（D）。要求學生使用控制方法，完成自動控制系統的需求定位、模型開發、系統分析、系統架構等。通過實踐，使學生掌握自動控制系統工程的基本原理、方法、技術、工具，并能夠在實際中應用。

3）實現（I）。將設計成果加以實現，著力培養學生的務實精神、工程能力和團隊精神。

4）運行（O）。每個小組對所開發的控制系統進行實際應用，并建立相應的應用、營銷和服務渠道。實在難以在實際應用的要求建立模擬實際應用環境，實施模擬應用。運行主要目的是讓學生了解市場，培養學生的務實精神和實際工作能力。

（2）虛擬仿真。虛擬仿真，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真技術的引入，將使控制系統設計的手段和思想發生質的飛躍，更加符合現代社會發展的需要。采用虛擬仿真能夠使學生在一個比實際情況更安全的環境中提高工程實踐能力，可以說在“自動控制理論”課程中應用虛擬仿真技術是可行且必要的。

（3）案例學習。案例學習可以提供很多關于實際工程的具體經驗，一個典型案例還可以提供詳細的背景內容。通過討論案例，學生能夠親自體驗系統或產品的CDIO過程，并參與疑問的解答，提高了學生的思考和決策能力。

3.考核方式多元化

傳統“自動控制理論”課程考核方式筆試偏重理論知識考核，難以考察對實際自動控制系統的設計、分析和建造等工程實踐能力。針對本課程注重工程實踐性、創新性和應用技能培養的要求，改革單一的考核方式，綜合學生在知識、創新、應用等多方面能力，采用筆試、課堂互動、實驗操作、項目開發等多元化考核方式。多元化考核方法不僅促使學生重視課堂知識的掌握，還重視知識的工程應用與創新，有效地提高了教學水平和教學質量。

三、總結

CDIO工程教育模式的核心是培養學生的工程素養、工程實踐能力。“自動控制理論”課程作為工程背景較強的課程，只有掌握堅實的理論基礎，具備嚴謹的工程推理和解決問題的能力，才能在后續課程中熟練地運用自控理論知識解決工程實際問題，并為往后能在工作崗位上靈活運用所學知識打下扎實的基礎。

參考文獻：

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007.

[2]Edward Crawley，Johan Malmqvist，Soren Ostlund，等.Rethinking Engi-neering Education[M].Berlin：Springer，2007.

[3]張秀玲，劉志新，馬慧.基于CDIO教育理念的自動控制理論精品課教學改革研究與實踐[J].教學研究，2012，35（3）：41-43.

[4]林建.構建工程實踐教育體系 培養造就卓越工程師[J].中國高等教育，2012，13（14）：15-17.

[5]鐘金明，李苑玲.基于CDIO理念的工程教育實踐教學改革初探[J].實驗科學與技術，2009，7（6）：67-69.

[6]王海泉，王東云.基于CDIO的自控原理實驗教學平臺研究[J].中國電力教育，2011，（20）：123-124.

（責任編輯：王意琴）