“自動(dòng)控制原理”課程的CDIO模式探索與應(yīng)用＊

莫曉瑾 ， 蔣英鈺

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院，重慶 408100）

自動(dòng)控制技術(shù)是廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、綜合管理工程、航天工程、軍事技術(shù)等領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，是一種運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其它信息技術(shù)，對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，確保安全等目的的綜合性技術(shù)。“自動(dòng)控制原理”是電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的核心課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論過(guò)程中需要與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)而達(dá)到更佳學(xué)習(xí)效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入CDIO教育模式，通過(guò)設(shè)置以實(shí)際工程為對(duì)象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將不同的專業(yè)課程知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的整合，全面提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和溝通協(xié)調(diào)能力，為走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 課程特點(diǎn)及授課現(xiàn)狀

“自動(dòng)控制原理”屬于一門(mén)理論和實(shí)踐結(jié)合比較顯著的學(xué)科，對(duì)于數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識(shí)的要求較高，是很多學(xué)生比較“頭疼”的學(xué)科。傳統(tǒng)教學(xué)方式多以課堂教學(xué)為主，且采用多媒體講解，導(dǎo)致原本晦澀難懂的原理更加難以形象具體呈現(xiàn)給學(xué)生，部分學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，難以掌握所學(xué)內(nèi)容。在這種教學(xué)模式下可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1）成為數(shù)學(xué)課堂，在不同模型和算法的數(shù)學(xué)推理及證明過(guò)程中，并且易陷入無(wú)窮的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程而忽略培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)際應(yīng)用分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力；2）變?yōu)檐浖?yīng)用課，基本原理的證明推導(dǎo)不講，實(shí)踐多采用MATLAB軟件驗(yàn)證教材及習(xí)題答案，卻忽略培養(yǎng)學(xué)生基本數(shù)理分析及推導(dǎo)能力的目標(biāo)，面對(duì)實(shí)際復(fù)雜的工程問(wèn)題，缺少靈活思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。此外，由于課程教學(xué)中的內(nèi)容過(guò)多、課時(shí)過(guò)少、師資不足等，導(dǎo)致難以達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)效果。總體來(lái)看，在“自動(dòng)控制原理”課程中過(guò)度依賴于傳統(tǒng)教學(xué)方法無(wú)法提升教學(xué)質(zhì)量，難以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不能充分挖掘?qū)W生潛能，因此，不利于課程內(nèi)容的掌握。綜合考慮到上述問(wèn)題，應(yīng)該通過(guò)教學(xué)改革對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行優(yōu)化，解決課程教學(xué)中存在的以上核心問(wèn)題。

2 引入CDIO工程教育理念

為了提高教學(xué)的質(zhì)量，為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)更多的高素質(zhì)人才，需要對(duì)當(dāng)前的教學(xué)模式進(jìn)行改革。在教育改革過(guò)程中應(yīng)該結(jié)合國(guó)內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀來(lái)創(chuàng)新教學(xué)理念和教學(xué)模式，積極學(xué)習(xí)國(guó)際上比較先進(jìn)的教學(xué)理念，例如可以將CDIO工程教育模式引入到教學(xué)過(guò)程中。

CDIO是2001年由美國(guó)麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典的查爾姆斯技術(shù)大學(xué)、林克平大學(xué)以及皇家技術(shù)學(xué)院等3所高校，共同開(kāi)發(fā)的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系。CDIO是英文單詞“構(gòu)思”(Conceive)、“設(shè)計(jì)”（Design）、“實(shí)施”(Implement)、“運(yùn)行”(Operate)的縮寫(xiě)。其中，“構(gòu)思”包括顧客需求分析，技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和規(guī)章制度設(shè)計(jì)，發(fā)展理念、技術(shù)程序和商業(yè)計(jì)劃制訂；“設(shè)計(jì)”包括工程計(jì)劃、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)以及實(shí)施方案設(shè)計(jì)等；“實(shí)施”特指將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程，包括制造、解碼、測(cè)試以及設(shè)計(jì)方案的確認(rèn)；“運(yùn)行”則主要是通過(guò)投入實(shí)施的產(chǎn)品對(duì)前期程序進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程，包括對(duì)系統(tǒng)的修訂、改進(jìn)和淘汰等[1]。構(gòu)思屬于CDIO模式的首個(gè)階段，屬于整個(gè)模式實(shí)施效果的基礎(chǔ)，旨在于指導(dǎo)學(xué)生獲取到解決問(wèn)題的基本路徑[2]；設(shè)計(jì)階段指的是學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，在此過(guò)程中可以提高自身的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力會(huì)產(chǎn)生重要影響；實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行階段則有助于培養(yǎng)學(xué)生的管理能力和協(xié)作能力。

一體化課程需要基于典型工作任務(wù)來(lái)對(duì)課程進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，依據(jù)工作過(guò)程順序來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，在教學(xué)過(guò)程中注重學(xué)生的主體地位，致力于培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)注重對(duì)教學(xué)模式以及教學(xué)理念進(jìn)行創(chuàng)新，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，真正將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中。因此，一體化課程的學(xué)習(xí)載體是實(shí)際的工作任務(wù)，而項(xiàng)目是CDIO工程教育的主線，二者核心思想是相互統(tǒng)一的。這正符合當(dāng)前新工科背景下應(yīng)用型專業(yè)人才，以及高職技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 建構(gòu)CDIO課程模式及應(yīng)用

根據(jù)CDIO工程教學(xué)理念，把項(xiàng)目作為教學(xué)單元，基于項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)為學(xué)生提供實(shí)踐的機(jī)會(huì)，注重提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施有助于增強(qiáng)學(xué)生的興趣，促使其積極參與到項(xiàng)目活動(dòng)中，強(qiáng)化自身的創(chuàng)新實(shí)踐能力，形成較系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)理念和科學(xué)研究思維。根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和認(rèn)知同化理論，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上遵從循序漸進(jìn)原則，注重局部和整體的有機(jī)統(tǒng)一，緊密結(jié)合學(xué)情分析實(shí)際情況，以及依據(jù)本校現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)施資源來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采取知識(shí)的銜接以螺旋上升層層遞進(jìn)的結(jié)構(gòu)來(lái)組合學(xué)習(xí)的內(nèi)容，將“自動(dòng)控制原理”課程中傳遞函數(shù)及狀態(tài)方程、時(shí)域分析、頻域分析、系統(tǒng)穩(wěn)定分析、系統(tǒng)性能校正五個(gè)部分的內(nèi)容分解成5個(gè)知識(shí)模塊，并通過(guò)具體的項(xiàng)目來(lái)吸引學(xué)生參與，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。具體的課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在構(gòu)思階段主要結(jié)合“自動(dòng)控制原理”課程在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，注重實(shí)踐與專業(yè)理論的緊密結(jié)合，采用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供真實(shí)的實(shí)踐場(chǎng)景。教師在此階段需要注重對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，讓學(xué)生主動(dòng)參與到項(xiàng)目中，對(duì)于遇到的問(wèn)題先自行分析和解決，對(duì)于解決不了的問(wèn)題則由教師指導(dǎo)解答。采用這種方式充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，能夠促進(jìn)學(xué)生積極思考、動(dòng)手實(shí)踐，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1）設(shè)計(jì)階段。教師依據(jù)學(xué)情，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的分析，圍繞問(wèn)題創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理解和分析，自行設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的方案，然后分組討論并驗(yàn)證。對(duì)于學(xué)生存在的問(wèn)題教師及時(shí)解答，鼓勵(lì)學(xué)生自己思考和設(shè)計(jì)，動(dòng)手驗(yàn)證自己的猜想，同時(shí)加強(qiáng)成員之間溝通、探討分析問(wèn)題能力，最后解決問(wèn)題。

2）項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。對(duì)每組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相關(guān)分析，鼓勵(lì)學(xué)生不斷測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，從而教導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程就是持續(xù)創(chuàng)新的過(guò)程，針對(duì)自己的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，分析存在的不足問(wèn)題。基于這種方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。同時(shí)，在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中體會(huì)團(tuán)隊(duì)合作的重要性，認(rèn)識(shí)到任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，都會(huì)影響到最后的結(jié)果[3]。

3）項(xiàng)目評(píng)價(jià)。結(jié)合項(xiàng)目中的知識(shí)點(diǎn)以及重難點(diǎn)，考核項(xiàng)目結(jié)果。通過(guò)知識(shí)能力水平掌握程度、團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作、個(gè)人演示匯報(bào)能力等方面設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)表，形成自評(píng)、小組互評(píng)、教師評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)方式。教師也可通過(guò)評(píng)價(jià)過(guò)程和結(jié)果查漏補(bǔ)缺，總結(jié)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中可優(yōu)化改進(jìn)的問(wèn)題[4-6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將上述教學(xué)模式應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，工作任務(wù)與授課內(nèi)容的有效結(jié)合使得學(xué)生積極參與到項(xiàng)目中，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，強(qiáng)化其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，將所學(xué)專業(yè)知識(shí)真正應(yīng)用到動(dòng)手實(shí)踐中。在該模式下，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力將會(huì)得到提升，同時(shí)在與同學(xué)以及教師溝通交流的過(guò)程中培養(yǎng)了協(xié)作能力。在長(zhǎng)期的課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐中，引入CDIO工程教育模式成效明顯，“自動(dòng)控制原理”課程已經(jīng)具備了相對(duì)穩(wěn)定成熟的教學(xué)模式和合理有效的教學(xué)體系，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的不足問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與動(dòng)手實(shí)踐的結(jié)合，在此過(guò)程中形成了多種類(lèi)型的教學(xué)項(xiàng)目、可操作的評(píng)價(jià)體系，為日后教學(xué)提供了支持。通過(guò)有效組織與實(shí)施，強(qiáng)化了過(guò)程考核管理，推進(jìn)和提升了課程質(zhì)量和教學(xué)效果。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，“自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，教學(xué)項(xiàng)目資源的進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與建設(shè)、項(xiàng)目體系的系統(tǒng)性研究、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的合理組織與優(yōu)化，以及對(duì)職業(yè)素養(yǎng)重視度的提升都將進(jìn)一步推進(jìn)課程教學(xué)改革的深化。