工程教育認證背景下自動控制實驗教學研究

郭 鵬，陳曉雷，仇國慶，蔡 軍，張開碧

（重慶郵電大學自動化學院，重慶 400065）

0 引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。工程教育專業認證的核心就是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價。[1]

工程教育專業認證的理念：（1）以學生中心。強調以學生為中心，圍繞培養目標和畢業要求的達成進行資源配置和教學安排。（2）成果導向。強調專業性教學設計和教學實施以學生接受教育后所得的學習成果為導向，并對照畢業生核心能力和要求，評價專業教育的有效性。（3）持續改進。強調專業必須建立有效的質量監控和持續改進機制，能持續跟蹤改進并用于推動專業人才培養質量不斷提升[2]。因此畢業要求達成度評價作為實施成果導向教育的重要依據。而在工程教育認證的12條畢業要求中，對“復雜工程問題”的識別、分析和解決能力是最重要的能力。

復雜工程問題源自現代工程的多樣性、綜合性、多學科融合等特征。2018版公布的工程教育認證標準中，有8條明確地含有“解決復雜工程問題”的要求，就說明復雜工程問題在專業認證中的重要性。

我校自動化專業于2019年通過工程教育認證。由于歷史的原因，大多數教師還停留在傳統教學方法。即圍繞著“三中心”：“課堂中心”“教材中心”“教師中心”進行教學。傳統的課堂教學模式往往形成了老師單向灌輸、學生被動接受的局面。容易使學生失去學習的興趣[3]。如何落實“以學生為中心”工程教育的基本理念還缺乏深入研究。評估專家在現場考察時指出我校的自動化專業培養學生的在理解復雜工程問題、解決復雜工程問題的能力還缺乏有效地支撐。

1 我校運動控制實驗項目的現狀

“自動控制系統實驗”是我校自動化專業的專業核心實踐類課程，在目前的教學過程中：（1）自動控制系統實驗僅被定位于實踐教學，實驗環節和步驟仍較為簡單，過于強調對基礎理論的理解和驗證，實驗內容的綜合性、復雜性、設計性不足；（2）自動控制系統實驗近年來固定不變，缺乏創新性。

圖1 智能小車控制系統綜合實驗教學平臺設計方案

教學團隊已充分認識到目前教學環節存在的問題，已經進行了以下持續改進方案：根據我校自動化專業的教學特點，結合我校信息學科優勢，借鑒其他高校的經驗，以提高學生處理解決復雜工程問題的綜合能力為背景，搭建了智能小車控制系統綜合實驗教學平臺，開設主要內容為直流電機為控制對象，以單片機為核心搭建硬件平臺，設計控制器，涉及信號檢測、系統辨識、控制系統設計、系統調試等知識等綜合性研究性實驗。后續可指導表現優異的學生參與該方向的課程設計或畢業設計。

2 課程目標

（1）課程目標1：具備自動化專業所需的設計/開發能力和創新意識，在解決自動化工程等領域復雜工程問題時，綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等非技術因素，制定解決方案、設計滿足特定需求的自動化部件或系統。

（2）課程目標2：能夠選擇、使用系統仿真、理論分析、實驗驗證等技術和文獻、數據庫等資源，運用Matlab/Simulink、Proteus、組態軟件等現代工程工具及測試儀表，解決自動化工程等領域復雜工程問題，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。

（3）課程目標3：能夠就自動化工程等領域復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，并具備一定的國際視野，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

表1 課程目標對畢業要求指標點的支撐關系

3 根據課程目標進行任務分解：運用工程原理，經過分析得到解決方案

（1）目標任務——直流電機以光電編碼器為檢測裝置，通過單片機計算控制量，以實現不同參考速度下的轉速調節。

（2）被控對象——必須深入分析直流電機的數學模型才能進行有針對性的控制設計方案。

（3）硬件設計——只有掌握并靈活運用單片機才能完成轉速測量模塊、數據顯示模塊、輸入模塊、電機驅動電路模塊等設計。

（4）軟件設計——在學習掌握C語言及單片機理論的基礎上，與硬件電路相結合，靈活運用編程方法，完成電機轉速測量、數據顯示、控制參數調節等功能設計。

（5）控制設計——在學習掌握自動控制理論的基礎上，通過實驗觀察到直流電機存在的非線性特性，才能深刻理解線性控制器的局限性，設計分段PID或采用模糊控制等非線性控制設計方法，完成較為理想的控制算法設計。

（6）使用現代工具——實驗項目的開發需掌握多種現代工具。開發方面，硬件包括基礎的示波器、信號發生器、直流電機、編碼器，以及嵌入式MCU調試使用的JTAG、BDM，軟件包括Proteus、開發環境Keil、MDK等等；控制算法設計方面包括Matlab/Simulink等。

（7）綜合性——涉及電機學、單片機技術、信號檢測、自動控制理論、電路設計等多方面的理論技術；所需功能及性能要求涉及元器件選型、經費、制版、調試電路等具體問題；對于完成較好的隊伍，后續可考慮結合更為復雜的工程案例作為課程設計或畢業設計選題，如無人機控制、智能車控制、倒立擺控制等。

4 與智能車競賽相結合，采用學科競賽驅動式的案例教學設計

我校從2018年，連續3年承辦了“恩智浦”杯智能車競賽西部賽區的比賽。根據承辦競賽的經驗，結合工程教育論證的基本理念，將智能車競賽引入實驗教學。即教學與競賽相結合，有利于培養學生良好的創新意識。學生參與創新的積極性和主動性是最為關鍵的因素。采用學科競賽驅動式的教學是以“比賽為主線、教師為主導、學生為主體”的教學方法[4]。是一種賽教結合的教學創新思路。通過頂層設計，將課程知識點從上而下分解，生成知識點清單。圍繞這些知識點組織教學。學生在教師的指導下全程參與方案論證、系統設計、動手組裝等，實現的全過程、全員參與的活動。是一種開放式的教學形式。培養學生面對工程復雜問題，獨立思考、分析問題、解決問題的能力，以及協同合作能力等。同時提高其綜合素質，樹立終身學習意識。

在實驗教學中，要求學生，根據“恩智浦”杯智能汽車競賽規則，自主設計控制方案，組裝智能車，根據競賽的規則、要求搭建比賽道路場地。在最短的時間內，完成比賽規定的動作要求為勝。智能車競賽實驗項目的設置，完全符合工程教育論證要求的復雜工程問題諸多指標點，主要包括：硬件設計、電子技術、程序編程、單片機應用、車輛運動學、動力學、信號處理、自動控制、圖像處理、模式識別等。該競賽涉及眾多基礎課程和專業課程，屬本專業各知識點應用的綜合項目。涵蓋了機械、電子、傳感器、計算機控制等多學科交叉與融合的科技創意性比賽，主要實驗項目由道路識別、圖像處理、角度及車速控制等功能模塊組成。

將智能車設計引入控制綜合實驗，作為持續改進環節，其意義在于：

（1）積極培學生的本專業科研工作能力。智能車競速賽主要是根據智能競賽組委會事先制定好的智能競賽的規則，通過學生認真的努力，尋找解決具體問題方案，用時最少，完成競賽的一種方法。在這過程當中，就要求學生面對復雜工程問題，列出問題清單，對各種問題逐—進行細化與分解，促使學生去積極努力地尋找改進提升自己水平的各種方案來提升自己智能車的比賽的速度。競賽過程也就是在一個進行科學問題探索思考及實踐研究解決問題的一個過程，鍛煉培養和充分挖掘發揮了學同學們獨立思考各種問題能力的潛力。

（2）有助于提升實驗項目的教學效果。學校每年都會舉辦全校性的智能車競賽。要求自動化專業的同學都要參加校級及以上比賽。使得每一位學生都有可能夠帶著各種競賽問題走進實驗教學課堂。在課堂中進行討論、探索，加深實驗教學內容的理解，從而掌握知識要的。

（3）培養學生的自學能力。智能車競賽涵蓋了信息技術、傳感技術、電子技術、控制技術和機械等多個學科交叉融合。對自動化專業的學生而言，對智能車設計及控制的知識點較多、完全掌握較為困難，這就要求學生在準備比賽時，查閱相關文獻資料，并掌握理解，培養了學生的自學能力。培養具有自主學習和終身學習的意識，養成終身學習的知識基礎和自主學習的方法。

（4）培養學生的動手能力。智能車比賽實驗項目本身就是一個復雜工程問題，需要自動化專業的學生具備本專業所需的設計/開發能力和創新意識同時，需要綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等非技術因素，制定解決方案、設計滿足特定需求的部件或系統。通過智能車比賽這樣一個復雜過程系統的學習過程，學生從方案設計、動手制作、系統調試，在系統開發過程中，需要結合自己掌握的理論知識的基礎上，及時發現存在的問題，找到解決新方法，不斷地迭代。并且不斷地更新和完善自己的知識體系結構，從而實現創新[5-6]。

（5）培養競爭意識與合作精神。實驗前，組建智能車競賽小組，實驗小組長，根據實驗任務，自上而下進行任務分解，分配至實驗小組成員，成員之間只有加強溝通、互相信任、團結協作，才有可能圓滿完成既定任務。各實驗小組之間又存在競爭關系，要完成實驗項目，取得好的成績，項目組之間免不了要進行競爭。

（6）增長見識和提高綜合素質。學生通過了解車模制作、布局、參數設置及調試等諸多問題，不斷地積累、總結。使得自己的知識不斷地積累，不斷完善。

（7）培養歸納與總結的能力。在實驗完成后，要求撰寫實驗報告。要求學生對比賽的技術做出必要的歸納和總結。陳述清晰地表達個人觀點。

5 結語

本課程改革實踐表明，通過對自動控制系統實驗進行持續教學改進，在提升學生解決“復雜工程問題”能力過程中，綜合考慮了工程知識、經濟管理和社會責任等非技術因素，鍛煉了學生的工程應用能力，提高了本專業學生在經濟、健康、文化、環境和社會責任感等方面的認識。通過實驗課程的改革，自動控制系統實驗有效提高了學生對解決“復雜工程問題”的能力，達到了自動化專業工程教育認證的畢業要求。本專業畢業的學生社會滿意度進一步得到提升。