應用技術型自動化專業理論類課程群改革思考

裘君 劉毅華 崔家林 馬龍華

[摘? ? ? ? ? ?要]? 目前我國高等教育改革中普通高等院校向應用技術型本科轉型是一項重要工作，但當前的本科教學還是參照學術型、研究型本科培養模式和教學內容，不能滿足培養應用型工程技術人才和管理人才的需求。課題組通過應用技術型自動化專業理論類課程群的改革和建設，從課程、教材、平臺、實訓等方面來構建該類專業學生必須具備的基本理論知識領域和知識點，從而提高學習自覺性和興趣，使學生掌握相關基本理論知識和解決實際問題的能力，是十分必要也是十分有意義的事情。

[關? ? 鍵? ?詞]? 應用技術型;課程群;控制類課程

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）40-0090-02

一、引言

當前，轉型發展是我國高等教育改革的重要方向，普通高等院校向應用技術型本科轉型是其主要內容[1]。應用技術型本科主要是培養應用型工程技術人才和管理人才，因此需要以培養學生技術應用能力為主線來設計培養方案，以“應用”或“職業”教育為主旨構建教學內容體系。但是，當前的本科教學，基本上都參照學術型、研究型本科培養模式和教學內容，形成了企事業單位亟須應用技術型人才，而大學本科培養出來的“技術人才”又不受企事業單位歡迎的局面[2，3]。

自動化專業是一個具有較強理論基礎的工科專業，理論類課程（包括“信號分析與處理”“自動控制原理”“現代控制理論”“智能控制技術”“系統工程導論”等）在專業知識體系中占有重要地位，但是當前應用技術型本科的該類課程從內容到教學方法基本上都是學術型本科的壓縮型或簡易版，使學生感覺理論類課程難學，以致學習無興趣、不想學或應付一下考試。所以應用技術型自動化專業亟待解決理論類課程的教學內容、教學方法等，使學生真正掌握自動化專業基本理論知識以及應用理論知識解決實際問題的能力，為后續課程的學習及畢業后從事自動化領域的技術開發、技術創新奠定基礎[4-6]。

課題組通過參與教育部自動化教指委的“應用技術型本科自動化專業理論類課程群建設”研究課題，將原先重理論分析、重數學推導、輕課程間銜接的自動化理論類課程群進行改革，通過構建課程群知識結構，引入案例化教學方法，搭建多課程融合的實踐實驗平臺等方式，對自動化專業的理論類課程進行了改革，通過以下幾個方面試圖將自動化專業理論類課程群進行改進和改善。

二、開展相關的研究工作

（一）對自動化專業理論課程知識點進行梳理和整合

信號分析與處理、自動控制原理、現代控制理論三門課程是自動化專業偏理論的專業基礎課和專業課，大多采用分別開課方式，教師在教學過程中比較強調各門課程的理論性、系統性，較少考慮幾門課程間的知識銜接、關聯性，而且各門課程內容陳舊，內容過多，偏重理論，有較多的數學推導，較少結合實際等。絕大部分學生感覺這些課程的學習過程中經常出現知識點難以理解、學了不知道怎么用，還存在有些內容在多門課程中重復教學等問題，降低了學生的學習興趣。

我們首先通過統一梳理這幾門課程的內容，解決了應用技術型自動化本科學生應掌握的知識要點，通過討論各課程大綱，厘清各課程的關系，以精簡理論內容、加強與實踐結合為指導思想，通盤考慮信號、系統以及控制之間的緊密相關性。信號分析與處理、自動控制原理、現代控制理論三門課程具有共同的數學基礎——傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換;信號和系統是一個事物的兩個方面，它們息息相關、密不可分，從某種意義上，系統是為了達到特定目的對信號進行處理、變換的器件、裝置、設備及其組合，而信號是系統要處理、加工和變換的對象，控制則探討自動化領域中的特定系統——自動控制系統的特性。因此，這三門課程具有共同的基礎、相互緊密的關系以及共同的研究方法。

在上述認識的基礎上，將三門課的主要內容進行了梳理并按照“知識領域—知識單元—知識點”的結構對三門課程的內容重新整合，努力克服了課程知識體系中內容陳舊、內容過多、多深重疊等缺陷，構建出新的知識結構體系。

（二）教材建設

教材是課程知識結構的載體，組織出版適用的教材是落實教育改革的重要環節。課程團隊在對上述課程知識點進行梳理的基礎上，根據其知識結構的特點，將上述三門課程的內容通過整合編寫成一本信號、系統與控制新教材，它既能體現三門課程知識內容的有機聯系和緊密相關性，又完全契合教指委“自動化專業課程體系改革與建設”的大幅度減少專業基礎課課時的指導思想。

（三）課程實驗平臺建設

現階段自動化專業理論課程實踐環節由于受到實驗場所、實驗設備、實驗經費等的限制，通常以驗證性的實驗為主，采用MATLAB仿真或簡單的RCL電路通過慢掃描示波器觀察系統的響應曲線。由于沒有具體的實際對象，不利于學生對理論類課程的學習興趣和創新能力的培養。

課程團隊從信號處理課程、控制理論類課程內容出發，進行了課程實驗平臺的探討。課程實驗平臺包括計算機仿真、實物驗證和半物理仿真三個部分。在計算機仿真方面利用MATLAB工具箱進行理論和算法驗證;在實物驗證方面利用傳統實驗系統進行系統驗證，同時引入高級的雙螺旋飛行實驗平臺進行實驗設計;在半物理仿真方面，項目組基于Matlab Coder、Simulink Coder和Embedded Coder[7，8]，利用Embedded Coder和Matlab Coder設計相關模塊，然后結合MATLAB和Simulink進行控制方案搭建，隨后借助Simulink Coder自動將搭建的控制程序生成C代碼并下載到FRDM-KL25Z開發套件上執行，可以實現例如電機轉速閉環PID控制、伺服電機隨動系統、溫度閉環PID控制實驗等。

（四）學科競賽實訓實踐建設

以學生學科競賽驅動的課外實踐環節對提高學生的專業知識綜合運用能力、學生的實際動手能力、應用理論知識分析問題和解決問題的能力具有獨特的促進作用。課程團隊將自動化專業理論課程群的建設與學生的學科競賽有機結合，通過組織學生參加浙江省大學生機器人大賽、全國大學生智能汽車競賽等學科競賽來促進課程群的實踐教學改革，以競賽培養學生的創新能力，以競賽來提高教師的實踐教學意識。

三、主要觀點

通過對應用技術型自動化專業理論類課程群的改革，取得如下主要觀點。

（一）需要加強課程融合和整合

對于應用技術型自動化本科專業，應該制訂有別于研究型本科、以培養學生技術應用能力為主線的教學方案，特別是理論類課程要突出重點知識，克服內容陳舊、內容過多、多課重復等缺陷，構建新的知識結構體系。

（二）需要進行配套教材建設

新的知識結構要建立在新的教材基礎上。我們在對上述課程知識點進行梳理的基礎上，將信號分析與處理、自動控制原理、現代控制理論三門課程內容整合成一本新教材信號、系統與控制。教材力求突出基本概念、原理、方法，淡化數學推導;通過引入案例化、Matlab及Simulink工具等教學方式和教學工具，提高學生學習理論類課程的自覺性和興趣，使學生真正掌握自動化專業基本理論知識以及應用理論知識解決實際問題的能力，同時大幅度減少專業基礎課教學課時。

（三）需要加強實驗建設和實踐教學

實驗建設和實踐教學是提高學生理解理論知識、應用理論知識、解決實際問題能力的重要環節。我們從新教材的內容出發，設計了基于MATLAB的FRDM-KL25Z嵌入式“信號、系統與控制”課程實驗平臺[9，10]，該平臺充分利用MATLAB仿真軟件強大的科學計算功能和FRDM-KL25Z嵌入式平臺的多功能擴展能力，實現對控制理論原理的快速驗證，并且具有實驗環境搭建成本低、易操作、可靈活升級等特點，學生上手速度快，能夠了解控制理論原理和實際應用的關聯性。項目組還積極組織學生參加相關的學科競賽，通過學科競賽促進理論類課程群的實踐教學活動，培養學生的實踐能力和創新能力。

四、結論

通過應用技術型自動化專業理論類課程群的建設，包括改進教學方法和建設與實踐應用緊密結合的實驗平臺，較好地構建該類專業學生必須具備的基本理論知識領域和知識點，提高了學生學習理論類課程的自覺性和興趣，使學生真正掌握自動化專業基本理論知識以及應用理論知識解決實際問題的能力，為后續課程的學習及畢業后從事自動化領域的技術開發、技術創新奠定基礎。

參考文獻：

[1]劉光平，鄒麗新，王巖巖.應用型本科高校精品課程建設與實現：以“單片機及接口技術”課程為例[J].教育教學論壇，2021（23）：141-144.

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[9]徐捷，丁學明.基于Matlab與STM32的電機控制代碼自動生成[J].電子科技，2017，30（4）：148-151.

[10]裘君，陳婉君，楊蘊菡.基于Matlab產品族的溫濕度采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2016， 16（9）：73-77.

編輯 魯翠紅