基于CDIO的控制類課程教學改革探索

魏利勝，郭興眾，陸華才

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖　241000)

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基于CDIO的控制類課程教學改革探索

魏利勝，郭興眾，陸華才

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖241000)

在工程教育理念下，進一步貫徹落實國家大學生卓越工程師培養計劃，提高控制類課程教學質量，圍繞“工程實踐”型人才培養模式，以安徽工程大學控制類課程建設為例，對理論教學、實驗教學等方面的一些經驗進行了總結，以探索工程化教學模式，為培養具有創新精神的應用型人才奠定基礎。

CDIO；控制類課程；教學策略；培養模式

一　引言

中國工程教育協會自2006年開展工程教育專業認證試點，已初步建立了高校專業工程教育認證體系。[1]其目的是為了保證和提高我國高校工程教育質量、推動工程教育改革、推動工程教育與工業界的聯系、促進工程教育國際化，為我國高校工程類學生日后走向世界提供具有國際互認的質量標準“通行證”，也為廣大工科學生未來的工程執業提供便利。為適應高校工程教育認證的發展形勢，滿足工程教育改革深入推進的需要，中國工程教育協會要求學生畢業時能將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于分析復雜工程問題，設計滿足特定需求的復雜工程問題解決方案；在培養學生課程體系建設過程中，基礎類課程和專業核心課程能體現數學和自然科學在各工程類專業應用能力培養，要求專業核心課程能夠體現系統設計和實現能力的培養，實踐類課程要求結合各專業工程實際問題，以培養學生的工程意識、團隊協作精神以及解決實際問題的能力。[2]

然而，我國當前工程教育形勢不容樂觀，培養目標、定位趨同培養特色不鮮明，還未形成科學、完善的工程人才培養體系和機制；另外教師隊伍缺乏一定工程背景，且在工科大學教師隊伍中，80%到90%的教師沒有工程經驗但具有高學歷；此外，各課程體系對培養目標支撐力不強，專業核心課程教學內容與實際聯系不緊密，缺乏針對工程應用及創新能力的培養；而且，授課方式不靈活，主要采用傳統課堂灌輸式教學模式為主，缺乏互動，實踐環節的目的、目標不明確，生產實習流于形式。

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、一流標準，統籌推進世界一流大學和一流學科建設的組織實施”。[3]為此，我校自動化專業組織專家重新修訂控制類課程教學大綱和課程體系結構，建立課程群組，優化調整各知識點的學時分配，并提高實踐環節內容設置和所占學時比例，引入當前國內外備受關注的CDIO模式，即把“構思(Conceive)——設計(Design)——執行(Implement)——運作(Operate)”作為工程教育的環境背景，構建控制類專業課程體系(如圖1所示)，在教學過程中，以課堂和項目相結合的方式進行主動學習，改用啟發式的教學模式，增加實際案例講解，同時聘請企業專家參與實踐環節，創建適應新形式發展需要的新課程體系，使學生明確課程教學服務國家戰略需要和行業需要，達到預想的學習目標，具有十分重要的意義。

圖1　 控制類課程總體系

二　課程教學內容設置

我校自動化專業開設了《自動控制理論》《現代控制理論》《智能控制理論》《控制系統CAD》《計算機控制系統》《電機與運動控制系統》等控制類課程，在各課程教學大綱制定過程中，由教學經驗豐富、業務水平高的教師擔任組長，組織大家進行調研、討論，起草培養目標，并聘請企業專家進行評審，充分考慮行業需求，改革教學內容，選配授課老師和實驗器材，并依據年度學生考核情況和產業發展，動態調整教學內容；采取培訓、引進人才、聘請客座教師等措施，優化師資隊伍結構，建立高水平的師資隊伍保障體系。鼓勵教學效果好的老教師給每一位初次上課的年輕教師進行教學輔導，嚴格把關各個教學環節，促進教學水平的整體提高。課程教學模式采用學生為中心、社會需求為導向、持續教學改革為手段，目的在于強化學生工程能力和實踐創新能力的培養，以期能夠主動服務于國家和地方經濟建設。[4]為適應我國產業發展和結構調整，教學內容增加實踐課時比率，以及與實際工程問題的聯系緊密性。在構思和設計階段，注重理論教學，讓學生學會利用系統的眼光思考被控對象，為實踐打下厚實基礎；在設計和執行階段，強化仿真能力，結合Matlab軟件，對所學理論加以驗證；最后，在執行和運作階段，加深實踐動手能力培養，將理論應用到實際系統中。

在理論教學過程中，為了避免過分強調某一門專業課程的完整性和獨立性，而忽略了各專業課程之間內容銜接和整體優化，使得學生不能駕馭整個知識體系，嚴重影響了控制類課程教學效果的提高和專業人才培養的質量，為此有必要對控制類課程體系進行更系統、更深層次的教學改革，按照“系統建模-性能分析-控制器設計”的體系結構制定出理論教學大綱，對各單課程內容按照表1進行組合和整體優化。[5]為強化理論教學對培養目標的支撐力度，增加實際工程問題的聯系緊密性，調整離散系統與非線性系統的課時比率，強調學生從控制系統整體角度考慮問題，為日后學習《計算機控制系統》課程奠定基礎，讓學生掌握采樣控制系統中信號采樣和復現，A/D與D/A轉換及其典型結構圖，離散系統描述及其控制方法；理論教學內容從簡單到復雜、對象從線性到非線性的循序漸進的過程，避免學生初學時產生厭惡情緒。

同時，教師還要充分利用多媒體和網絡公開課等手段對授課內容進行形象化處理，給學生以直觀上的感受，啟發學生的求知欲，鍛煉學生的觀察力。教學過程中，為訓練學生的創新思維能力，運用任務驅動教學方法，[6]通過對單級倒立擺系統控制任務的分解和討論，考慮到倒立擺是不穩定、非線性、強耦合系統，其控制方法在軍事、航天、工業控制領域中有著廣泛的用途，使學生帶著真實的任務在探索中學習，進而被消化、吸收，并掌握實際對象“建模——分析——設計——校正”的整個控制過程，驗證所學控制理論的實際效果，并撰寫詳細的實驗過程記錄。

表1　控制類理論教學內容和課時安排表

通過重新優化課程體系結構和教學內容，適當精簡理論教學內容，調整理論學時和實踐學時比例，引導學生“學中做、做中學”，培養學生從實踐中發現問題、在解決問題時創新能力

三　實驗內容設置

在仿真與實踐環節，為貫徹落實《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》和《教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》精神，加大培養學生實際動手能力、工程實踐能力及開發創新能力的培養力度，強化實踐教學環節，對實踐內容進行層次化設計，拓展學生的動手能力。針對學生缺少對理論和方法的感性認識，采用導師制形式，課外時間輔導學生對工程訓練軟件-Matlab和控制系統CAD(教材選用王海英主編：控制系統的MATLAB仿真與設計)的自主學習，鞏固學生對控制系統分析的理解力和綜合設計能力；同時，引導學生積極參加各類大學生科研實訓項目和大學生創新創業計劃項目，吸納有興趣的學生參與授課教師的科研活動，提高學生科學研究能力和工程實踐能力。

一方面，為了讓學生更好的理解控制理論類課程的培養目標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全過程，仿真和實驗體系結構也按照控制系統建模、分析以及設計為主線，最大限度地突出實踐技能培養，鍛煉學生動手能力和解決問題的能力；[7]同時，為保證實踐環節教學質量，教師提前布置實踐內容，并要求學生在實踐前形成預習報告，培養學生獨立完成能力；實踐教學過程中全程答疑輔導，并對每位學生實踐情況分別記錄，以便掌握每位學生的理論學習程度，并反饋給理論授課教師；實踐教學環節結束后按照要求上交實踐報告，主要包括：實踐名稱和目的、具體實踐內容、所采用的方法及步驟、實踐取得的結果及個人心得，在鞏固學生的理論知識同時也提高了學生的語言運用能力和撰寫能力。

另一方面，自行開發/焊接具有控制系統需要驗證的各種典型環節模塊、信號發生器模塊等，引入工程實例，構建閉環控制系統，如電動機位置反饋控制、計算機恒溫箱的加熱控制等，使學生加深對知識的理解和靈活運用。同時，組織學生參加“挑戰杯”“電子設計”“飛思卡爾”等各類學科競賽，并為這些學生配備指導教師，提供實踐場所和經費支持，并組建博客，將這些同學的經驗與其他同學共同分享。同時建構多層次的實踐教學平臺，強化綜合實驗室、產學研實習基地建設，按照“基本能力-實踐能力-綜合能力”的實踐教學培養體系，并對新的控制類課程培養方案的實施情況進行跟蹤評議，實時反饋信息，并對培養方案進行修改和完善。

最后，在實踐體制建設方面，考慮到實踐教學體系的建設關系到人才培養的質量，為了實現實踐教學與理論教學的有機結合，以能力培養為核心，體現實踐教學注重能力、個性及創新意識培養的基本原則，在實踐教學體系建設上根據學生不同階段的學習狀況，采用分階段實驗教學體系。鼓勵學生積極進入我校與中能鑫龍電器股份有限公司合建的國家大學生創新實踐基地，這也為學生開展課外科技創新實踐活動提供了一個良好的軟硬件環境。

四　結束語

綜上，控制類課程作為功課相關專業的專業核心課程，其教學質量影響學生的就業及在該專業方向上的發展。我校控制類教學借鑒國內相關高校成功改革經驗，以學生工程實踐能力和創新能力培養為焦點，修訂教學大綱，將相關課程內容組合優化，充分調動學生學習的能動性，并取得了一定的突破。我校將在現有教學資源基礎上，以CDIO模式繼續推動控制類課程教學大綱、教學方法的改革，緊密圍繞“卓越工程師培養計劃”的重點和“工程教育專業認證”的目標，積極尋求自動化專業人才培養中所存在問題的有效解決途徑，為培養敢創新的高質量人才不斷努力。

[1]龔克. 關于卓越工程師培養的思考與探索[J]. 中國大學教學, 2010,8: 4-5.

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

[3]陳珍萍, 黃友銳, 劉淮霞, 唐超禮.自動控制理論課程教學改革[J]. 電氣電子教學學報, 2015, 37(4):38-41.

[4]嚴剛峰. 自動控制理論教學內容組織與教學方法初探[J]. 實驗科學與技術, 2015, 13(5):200-202.

[5]劉鎮章, 陳從桂, 李東煒. CDIO 自動控制理論課程的探討[J]. 當代教育理論與實踐, 2012, 4(7):49-50.

[6]王立紅. 任務驅動法在自動控制理論課程教學中的應用[J]. 遼寧工業大學學報(社會科學版), 2014, 6(6):127-128.

[7]尤文斌, 丁永紅. 自動控制理論實驗教學研究[J]. 中國教育技術裝備, 2011, 231(9):109-110.

Class No.:G642.0Document Mark：A

(責任編輯：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。研究方向：控制科學與工程，網絡控制系統等。

本文得到安徽省2015省級質量工程項目(項目編號：2015jyxm177)、2015年安徽工程大學校級本科教學質量提升計劃重點項目(項目編號：2015jyxm09)以及安徽工程大學本科教學質量提升計劃項目(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。研究方向：智能控制，微電網等。

陸華才，博士，教授，安徽工程大學。研究方向：電機與拖動，自動控制理論等。