“自動控制原理”課程的CDIO模式探索與應用＊

莫曉瑾 ， 蔣英鈺

（1.武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050；2.長江師范學院，重慶 408100）

自動控制技術是廣泛運用于生產過程自動化、工廠自動化、機器人技術、綜合管理工程、航天工程、軍事技術等領域中的關鍵技術，是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術，對過程實現檢測、控制、優化、調度、管理和決策，從而提高生產效率，降低生產成本，確保安全等目的的綜合性技術。“自動控制原理”是電氣自動化技術專業的核心課程，學生在學習自動控制理論過程中需要與實踐相結合，進而達到更佳學習效果。在實驗教學中引入CDIO教育模式，通過設置以實際工程為對象的實驗內容，將不同的專業課程知識進行系統的整合，全面提高學生的專業素質，同時培養學生的創新能力和溝通協調能力，為走向工作崗位打下堅實基礎。

1 課程特點及授課現狀

“自動控制原理”屬于一門理論和實踐結合比較顯著的學科，對于數學、物理等基礎知識的要求較高，是很多學生比較“頭疼”的學科。傳統教學方式多以課堂教學為主，且采用多媒體講解，導致原本晦澀難懂的原理更加難以形象具體呈現給學生，部分學生產生厭學情緒，難以掌握所學內容。在這種教學模式下可能會出現兩種情況：1）成為數學課堂，在不同模型和算法的數學推理及證明過程中，并且易陷入無窮的數學推導過程而忽略培養學生工程實際應用分析問題及解決問題的能力；2）變為軟件應用課，基本原理的證明推導不講，實踐多采用MATLAB軟件驗證教材及習題答案，卻忽略培養學生基本數理分析及推導能力的目標，面對實際復雜的工程問題，缺少靈活思考、發現問題、解決問題的能力。此外，由于課程教學中的內容過多、課時過少、師資不足等，導致難以達到預期學習效果?？傮w來看，在“自動控制原理”課程中過度依賴于傳統教學方法無法提升教學質量，難以吸引學生學習興趣，不能充分挖掘學生潛能，因此，不利于課程內容的掌握。綜合考慮到上述問題，應該通過教學改革對現有的教學模式進行優化，解決課程教學中存在的以上核心問題。

2 引入CDIO工程教育理念

為了提高教學的質量，為我國現代化建設培養更多的高素質人才，需要對當前的教學模式進行改革。在教育改革過程中應該結合國內教學現狀來創新教學理念和教學模式，積極學習國際上比較先進的教學理念，例如可以將CDIO工程教育模式引入到教學過程中。

CDIO是2001年由美國麻省理工學院聯合瑞典的查爾姆斯技術大學、林克平大學以及皇家技術學院等3所高校，共同開發的一種全新工程教育理念和實施體系。CDIO是英文單詞“構思”(Conceive)、“設計”（Design）、“實施”(Implement)、“運行”(Operate)的縮寫。其中，“構思”包括顧客需求分析，技術、企業戰略和規章制度設計，發展理念、技術程序和商業計劃制訂；“設計”包括工程計劃、圖紙設計以及實施方案設計等；“實施”特指將設計方案轉化為產品的過程，包括制造、解碼、測試以及設計方案的確認；“運行”則主要是通過投入實施的產品對前期程序進行評估的過程，包括對系統的修訂、改進和淘汰等[1]。構思屬于CDIO模式的首個階段，屬于整個模式實施效果的基礎，旨在于指導學生獲取到解決問題的基本路徑[2]；設計階段指的是學生將所學的理論知識應用到項目設計中，在此過程中可以提高自身的動手能力和創新能力，對于學生實踐能力會產生重要影響；實現和運行階段則有助于培養學生的管理能力和協作能力。

一體化課程需要基于典型工作任務來對課程進行設計與開發，依據工作過程順序來設計對應的教學活動，在教學過程中注重學生的主體地位，致力于培養學生的綜合職業能力，嚴格依據相關標準開展教學活動，同時注重對教學模式以及教學理念進行創新，鼓勵學生動手實踐，真正將所學知識應用到實際工作中。因此，一體化課程的學習載體是實際的工作任務，而項目是CDIO工程教育的主線，二者核心思想是相互統一的。這正符合當前新工科背景下應用型專業人才，以及高職技術技能型人才的培養目標。

3 建構CDIO課程模式及應用

根據CDIO工程教學理念，把項目作為教學單元，基于項目式教學活動為學生提供實踐的機會，注重提升學生的創新意識和創新能力。通過項目的實施有助于增強學生的興趣，促使其積極參與到項目活動中，強化自身的創新實踐能力，形成較系統的工程設計理念和科學研究思維。根據建構主義學習理論和認知同化理論，在教學內容設計上遵從循序漸進原則，注重局部和整體的有機統一，緊密結合學情分析實際情況，以及依據本?，F有的教學設施資源來進行設計。采取知識的銜接以螺旋上升層層遞進的結構來組合學習的內容，將“自動控制原理”課程中傳遞函數及狀態方程、時域分析、頻域分析、系統穩定分析、系統性能校正五個部分的內容分解成5個知識模塊，并通過具體的項目來吸引學生參與，引導學生將所學理論知識應用到實際項目中。具體的課程項目設計如表1所示。

表1 課程項目設計

在構思階段主要結合“自動控制原理”課程在實際生產中的應用進行設計，注重實踐與專業理論的緊密結合，采用現有的實驗平臺為學生提供真實的實踐場景。教師在此階段需要注重對學生的引導，讓學生主動參與到項目中，對于遇到的問題先自行分析和解決，對于解決不了的問題則由教師指導解答。采用這種方式充分發揮了學生的主體地位，能夠促進學生積極思考、動手實踐，從而培養學生的創新能力。

1）設計階段。教師依據學情，通過對項目的分析，圍繞問題創設情境，引導學生進行理解和分析，自行設計對應的方案，然后分組討論并驗證。對于學生存在的問題教師及時解答，鼓勵學生自己思考和設計，動手驗證自己的猜想，同時加強成員之間溝通、探討分析問題能力，最后解決問題。

2）項目實施過程。對每組的設計方案進行相關分析，鼓勵學生不斷測試，驗證設計的可行性，從而教導學生體驗項目的開發過程就是持續創新的過程，針對自己的假設進行驗證，分析存在的不足問題?；谶@種方式有助于培養學生的創造性思維。同時，在項目的實施過程中體會團隊合作的重要性，認識到任何一個環節出現錯誤，都會影響到最后的結果[3]。

3）項目評價。結合項目中的知識點以及重難點，考核項目結果。通過知識能力水平掌握程度、團隊溝通協作、個人演示匯報能力等方面設計評價表，形成自評、小組互評、教師評價的綜合評價方式。教師也可通過評價過程和結果查漏補缺，總結教學實施過程中可優化改進的問題[4-6]。

4 結束語

通過將上述教學模式應用到實際教學過程中，工作任務與授課內容的有效結合使得學生積極參與到項目中，有助于調動學生學習的興趣，強化其分析問題和解決問題的能力，將所學專業知識真正應用到動手實踐中。在該模式下，學生的創新意識和創新能力將會得到提升，同時在與同學以及教師溝通交流的過程中培養了協作能力。在長期的課程建設與教學實踐中，引入CDIO工程教育模式成效明顯，“自動控制原理”課程已經具備了相對穩定成熟的教學模式和合理有效的教學體系，彌補了傳統教學模式中存在的不足問題，真正實現了理論知識與動手實踐的結合，在此過程中形成了多種類型的教學項目、可操作的評價體系，為日后教學提供了支持。通過有效組織與實施，強化了過程考核管理，推進和提升了課程質量和教學效果。隨著自動控制技術的持續發展，“自動控制原理”課程內容也應與時俱進，教學項目資源的進一步設計開發與建設、項目體系的系統性研究、項目實施過程的合理組織與優化，以及對職業素養重視度的提升都將進一步推進課程教學改革的深化。