工程教育專業認證背景下的計算機控制技術實踐教學

李敏艷 張繼勇 楊 鵬

揚州大學水利與能源動力工程學院 江蘇揚州 225127

工程教育專業認證是實現工程教育國際化的重要標志，也是我國高等教育改革的重要舉措[1]。為配合我院電氣工程及其自動化專業的工程教育專業認證申請，支撐培養目標和畢業要求的達成，專業課程教學體系建設尤為重要。因此，在課程中引入新的教學模式，如PBL，CDIO等，更新教學方法，構建多元立體化實踐教學模式是當務之急。

1 基于PBL/CDIO的教學模式簡介

計算機控制技術是計算機技術與控制技術在工業應用中發展成熟而產生的一門新興學科。旨在讓學生通過軟、硬件和控制算法的學習完成計算機控制系統的設計與工程實現。將工程教育專業論證的基本理念應用于課程教學改革中，探索將PBL和CDIO相融合的多元立體化教學模式將有助于提高畢業生解決復雜工程問題的能力和就業競爭力。

PBL教學強調以問題為引導，CDIO教學側重過程實踐[2]。以“項目為導向”組織教學，通過任務驅動，將計算機控制系統的分析方法和設計方法引入教學過程中。以學生為主體，鼓勵學生自主學習、團隊協作等，運用啟發引導、任務引領、問題導向、分組討論等多種互動式教學方法[3]。可見這種PBL/CDIO相結合的模式在保證實現學習目標的同時，還能不斷完善和修正實踐過程。

2 PBL/CDIO教學模式的實施

2.1 課程內容與教學進度安排的改革

計算機控制技術教學具有一定的廣度和深度。為實現課程的多元立體化教學，其課程體系劃分為課堂教學、基礎實驗、課程設計以及專業綜合課程設計4個進程(如圖1所示)。這4個進程環環相扣、分層遞進。各進程包含的關鍵問題前后呼應，互相驗證。學生在不同階段采用不同的方法完成案例的實施，從多方面、多角度深入掌握知識點。

2.2 基于PBL/CDIO的實踐教學開展進程

2.2.1 基于PBL/CDIO的課堂教學開展

結合授課內容，根據專業特點和工程教育培養方向選擇了數字PID控制的參數整定方法、電爐溫度控制算法比較及仿真研究等6個案例。案例的提出與課程的重點和難點密切結合，以學生自主學習為中心，將提出問題、分析問題、解決問題、反思與應用等連續遞進的過程穿插于理論教學中。同時，借助于校園網中的網絡教學平臺，學生與教師之間、學生之間可以隨時展開交流和討論。學生通過小組合作的形式開展項目實施，最終以PPT形式進行匯報討論及總結。這種PBL/CDIO的教學模式收到了良好的教學效果，極大地激發了學生自主學習的積極性，學生的實踐創新能力和團隊合作精神得到了較好的提升。

圖1 計算機控制技術實踐教學體系

2.2.2 基于PBL/CDIO的實驗教學實施

實驗教學是培養學生實踐創新能力的一個重要途徑。安排了與理論密切關聯的數字PID控制、直流電機閉環調速控制系統設計和實現等4個實驗。教師通過網絡教學平臺布置任務，學生做好預習準備。在“TD-ACC+”實驗系統上搭建由控制計算機、被控對象和信號源等組成的計算機控制系統，實現相關的控制要求[4]。最終以成果驗收和實驗報告的形式完成考核。

表1 計算機控制技術相關的4個畢業要求指標點

2.2.3 基于PBL/CDIO的課程設計實施

課程設計是培養工程實踐能力的一個綜合全面的過程。針對計算機控制系統的特點，選擇了位置型/增量型PID、最少拍控制、大林算法、串級控制等8種控制算法，結合電爐溫度、水箱液位、直流電機和步進電機4類被控對象，搭建完整的計算機控制系統。課程設計進程分Simulink仿真設計與控制系統搭建兩部分[5,6]。仿真設計側重于對控制算法的理解和鞏固，而控制系統搭建側重于系統的軟硬件聯調。從報告中可以看出，學生對課程設計的評價非常滿意，絕大多數學生掌握了計算機控制系統的設計方法和實施過程。

2.2.4 基于PBL/CDIO的專業綜合課程設計的探索

我院電氣工程及其自動化專業培養方案課程體系中增設了3周的專業綜合課程設計。在控制類課程群基礎上設計了基于LabVIEW的水箱液位控制系統等4個項目。它對課程間的知識、方法、問題進行了整合，使之相互照應，滲透互補；同時也促進了課程結構的優化，實現了從課程到后續畢業設計的良好過渡[7]。

3 課程對畢業要求達成度評價

表1為計算機控制技術相關的4個畢業要求指標點，包括問題分析、設計/開發解決方案、研究和使用現代工具4個方面。

分別以2017屆電氣1301班、2018屆電氣1401班的計算機控制技術考試成績作為樣本。已知考試成績總分為100分，其中電氣1301班考核支撐畢業要求指標點2.2、指標點3.1、指標點4.3和指標點5.2的成績分別為25，21，23和31分；電氣1401班考核支撐畢業要求指標點2.2、指標點3.1、指標點4.3和指標點5.2的成績分別為28，23，20和29分。樣本中所有學生在各指標點的平均得分見表2。

表2 計算機控制技術支撐畢業要求評價基礎數據

已知計算機控制技術對指標點2.2、指標點3.1、指標點4.3和指標點5.2達成度的目標值分別為0.2，0.2，0.2和0.3，則各指標點的評價值=達成目標值×(該指標點的平均得分÷該指標點的考核分值)；達成度=最終評價值÷達成目標值[8]。由此得到計算機控制技術對畢業要求達成度評價結果(見表3)。

表3 計算機控制技術對畢業要求達成度評價表

計算機控制技術課程的各畢業要求評價結果達成度標準設定為“達到0.60為評價合格”。從表3的結果可見，各畢業要求指標點均合格，計算機控制技術課程在教學內容、方法和考核方式等方面合理、恰當。學生對本專業的基礎知識掌握較透徹，同時能夠較靈活地應用所學基本理論分析和研究問題，并且具有一定的改進能力。但面臨復雜工程問題時，學生在建模、仿真預測和綜合性設計等方面存在一定缺陷，以后應在課堂和實踐環節中加強相關訓練，鼓勵學生參加各類科技創新實踐活動和設計大賽，注重工程思維，最終實現培養目標的達成。