以學生為中心的教學理念在教學中的應用

李宗帥 王修巖

[摘要]課題組分析了自動控制系統工程設計課程的特點，根據課程培養目標，合理設置教學內容，并制訂了以學生為中心的教學新措施：為了提高學生的工程實踐能力，以學生為中心，轉變教學思路，采用專題化教學、翻轉課堂教學提高學生的積極性，發揮學生的主觀能動性;基于CDIO模式進行項目設計，培養學生的工程思維;進行高效的實踐教學;基于在線問卷調查，及時反饋學生知識掌握情況;校企合作共建實驗室。以上措施，提高了學生的工程實踐能力。

[關鍵詞]工程實踐;專題化教學;翻轉課堂;CDIO;問卷調查

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2019）12-0035-04

隨著社會以及教育的不斷發展，隨著新時代大學生所處環境、所接受教育的不同，社會需求對高校以及高校的教學方法都提出了新的挑戰。教學正在逐步地由教師主導型向以學生為主體的方式轉變，教師的教學觀念也隨著悄然地發生改變。計算機的普遍應用、網絡的發達、學生獲取知識途徑的增多，都對傳統的教學方式產生了影響，教師應該從傳統的填鴨式知識灌輸者向引導型方向轉變，引導學生學習的方向、正確的價值觀、學習的興趣、培養綜合能力的方法等。筆者教授自動化專業學生自動控制系統工程設計課程，結合課程以及學生特點，在以學生為中心的教學理念指導下，開展了教學方法改革的探索與實施。

一、課程性質

自動控制系統工程設計是自動化專業高年級學生的一門專業課，主要任務是培養學生將自動控制專業的相關理論技術知識綜合應用，解決實際工程問題的能力。該門課程的典型特點是：很多知識點學生以前都有學習過，關鍵是聚點成線、綜合應用。因此，在實際授課過程中筆者采用了引導式教學，引導學生如何利用圖書館、網絡資源自己提出問題、分析問題、解決問題。課程的重點是培養學生的工程思維能力。工程思維能力是工程實踐能力提高的根本原因，只有具備了成熟的工程思維能力，有了成熟工程設計指導思想，才可以較好地進行工程實踐。

工程思維能力與學術思維能力是有所不同的，圖1是二者之間的對比圖，圖1（a）是從工程思維的角度考慮解決問題的方式，從圖中可以看出工程思維解決問題側重點在于工程目標以及工程上的可實施性，最終需要進行實際的檢驗使用，在這個過程中還要涉及復雜的工程技術問題，涉及的知識領域比較寬泛，同時涉及工程管理、財務預算、市場分析，等等。

二、課程內容

自動控制系統工程設計涉及的知識領域比較寬泛，除了自動控制領域的相關知識，還涉及工程管理、財務預算、市場分析，等等。因此，對教學內容的設置是課程組教師一個很大的考驗。目前，很難找到一本涵括以上知識的教材，并通過不斷優化、實踐合理設置教學內容，既做到全面又做到深入淺出，以培養學生基本的工程思維能力。然而目前新畢業的學生又在以下工程能力方面有明顯缺失：工商業方式方法、管理能力、項目管理方法、質量管理方法、溝通能力、市場原則知識、道德和職業感等。針對以上內容的缺失，筆者為自動控制系統工程設計課程進行了內容設置，如表1所示。

三、教學方法改革策略

（一）“專題化”教學

根據課程以及知識的特點，理論教學環節主要采用“專題化”教學方法，根據課程教學大綱的培養目標，將每個知識模塊設計成專題，并將專題問題化，按照“是什么”“為什么”“解決什么問題”的方式展開。該教學方法側重于引導，能發揮學生的主觀能動性?！皥绦袡C構”是自動控制系統工程設計中的一個，下面以“執行機構”為例具體說明專題化教學應如何展開，如表2所示。

（二）基于翻轉課堂理念的教學

翻轉課堂教學法能夠調動學生的積極性，充分發揮學生的主觀能動性。該門課程是自動化專業高年級學生的專業課，其中很多知識點學生在以前都或多或少地接觸過，因此尤其適合使用翻轉課堂教學法。

實例：“電梯邏輯控制系統設計”一課。教師課堂上進行簡單的講解，然后出題目讓學生按照以前講過的工程設計的步驟內容進行設計。

題目要求：設計某電梯控制系統。已知：電梯有10層，額定載重1500kg，轎廂自重1000kg，需要電梯運行速度2m/s。（設計內容包括：電力拖動系統、電氣控制系統）

要求4人一組，以組為單位來完成，時間是1周。學生利用課下時間來設計完成。完成后每組要在課上進行講解，如圖2所示。學生講解完后，再通過教師點評、學生問學生、學生問教師三種形式的討論，加深對系統設計的理解。

（三）基于CDIO的生命周期模型設計控制系統

在課程的最后布置一份大作業，要求學生按照工程設計的思路設計控制系統，但是由于真實的工程設計涉及內容太多，所以要求學生按照“構思一設計一實施一運行”的方式（即CDIO模式）設計控制系統。CDIO模式基本包含了實際工程設計中應該涵括的所有理念。表3是按照CDIO模式設計的控制系統的生命周期模型，但并不是嚴格按照順序列出的設計內容，因為很多產品或者系統的設計都是螺旋式開發的，需要很多任務進行大量的迭代，圖2所示的這些工作則都必須進行。圖2是學生講解自己按照CDIO模式設計的控制系統。

（四）將MATLAB應用于課堂分析

在進行某些控制理論的講解時，為了更加形象理解參數的變化對于系統的影響，將MATLAB直接應用于課堂教學，采用現場演示的方式，進行系統分析。

實例：在研究控制系統工程設計中擾動通道和前向通道的時間常數、放大倍數以及延遲時間對控制系統的影響時，設計了如圖3所示的仿真模型。在改變Kf、Tf、Tf、Ko、To以及π。的值后就可以通過輸出曲線觀察時間常數、放大倍數以及延遲時間對控制系統的影響。例如圖4就是Tf對輸出的影響情況。

（五）考核方式和實踐環節

科學設計考核內容，考核內容要能夠體現課程培養目標的相關要求，并且能夠反映不同學生的學習情況。題型既要有評價學生較低層次知識記憶、一般理解能力的填空、選擇、簡答等題型，又要有評價較高層次理解力、歸納總結和綜合應用能力的分析、設計題型。期末試卷中，盡量以能力考核為主，弱化純記憶性的內容，分析、設計型題目占總分的70%以上。未來計劃采取開卷考試的形式，考試內容為按照工程設計思路設計指定的控制系統。

實踐環節主要是依據實驗室現有的電梯系統、過程控制系統、伺服控制系統、變頻控制系統開展實驗教學，學生自己設計整個控制系統、編制程序、調試、設計上位機監控系統，并結合理論課內容進行相互驗證。如圖5所示，學生在進行實驗，并且要將自己設計的內容進行講解。

（六）校企合作

校企合作共建實驗室，提高學生的工程能力。根據行業特點和企業需求，將民航特色的裝置、系統引入實驗室，并根據行業、企業的需求結合課程設置相關的實驗內容，讓學生在校園內就可以近距離接觸行業、了解行業，使教學做到有的放矢。我校與廣州白云空港設備技術發展有限公司共建機場地面設備校企合作實驗室，充分利用企業的設備優勢、生產條件和成熟的研發技術為學生提供良好的實驗條件以及校外實訓基地。圖6是學生到企業實踐以及企業贈送的實驗設備。

（七）教學反饋

以學校“三回路”質量監控體系為基礎，健全課程質量監控機制。除此以外借助問卷星對學生每章結束后的學習情況進行調查，如圖7所示。通過調查可以實現兩個目的：一是讓學生了解自己對該章知識的掌握情況，有哪些不足的地方需要加強;二是讓任課教師掌握學生的總體情況。

綜上，整個自動控制系統工程設計的總體教學思路如圖8所示。

四、總結

通過近兩年的教學改革實踐，學生對該門課程的興趣明顯增大，教學效果也有了很大的提升，尤其是在分組講解上，學生表現出了濃厚的興趣，基本每年都有2～3組學生表現很優秀。總之，教學方法多種多樣，但核心都是以學生為中心，目的在于充分調動學生的積極性，培養學生主動發現問題、解決問題的能力。