工程教育專業認證引導的雙向互動式計算機控制系統課程教學改革

張秦艷，高 欣，姚 燕

（北京郵電大學 人工智能學院，北京 100876）

工程教育認證在我國工科專業中受到越來越多的重視，北京郵電大學自動化專業2020 年入選國家一流本科專業建設點，通過工程教育專業認證勢在必行。

隨著大規模的在線課程闖入人們的視野，高等教育改革迎來了新的機遇和挑戰。清華大學推出的智慧教學工具——雨課堂，將PPT、幕課和微信融為一體，預示著我國高等教育進入了“互聯網+黑板+移動終端”的新階段。

計算機控制系統是北京郵電大學自動化專業本科專業主干課程，開設在自動化專業大學三年級下學期。該課程以模擬電子技術、數字電子技術、自動控制原理、微機原理及接口技術為理論基礎，主要介紹計算機控制領域的基本理論，綜合性、技術性、應用性都很強，是為實現自動化專業人才培養目標的課程建設中關鍵一環。

一、計算機控制系統教學現狀與不足之處

1.在教學內容設計上，與智能控制課程有很多冗余的章節，如模糊控制技術、神經網絡控制技術、基于遺傳算法的控制技術。

2.課堂教學以理論為主，2 學分32 學時的課程，理論占到28 學時，實驗僅為4 學時，理論與實驗的比例為7∶1，而且實驗僅為驗證性實驗，鍛煉不到學生的設計開發能力。

3.該課程一般都是技術性內容講授，與課程思政聯系不緊密，人文素質教育體現不夠。

4.課堂以教師講授為主，教師和學生的互動效果不理想，無法有效調動學生的主動性。

5.教學評價以期末為主，平時∶期中∶期末為2∶1∶7，過程評價體現不夠。

在分析了以上不足之后，我們提出了以下改進方案。

二、課程教學目標設計

過去的課程教學目標只是籠統地概括，針對工程教育專業認證的要求，要按照畢業指標點細化能力培養。設計的新教學目標如下。

計算機控制系統是一門綜合性的應用課程。作為一門專業課，一方面闡述了線性離散系統的數學描述與分析方法，另一方面力圖把數字控制器設計理論與工業生產對象相結合講述設計實例，并基于Matlab 仿真平臺介紹系統分析方法，使學生具有計算機控制系統的設計與開發能力、實驗動手能力、Matlab 仿真工具使用能力和團隊合作精神。

課程目標及能力要求具體如下。

課程目標1：培養學生針對自動化領域復雜工程問題中的特定需求，確定設計目標，運用計算機控制專業知識完成滿足特定指標要求的各單元（部件）（尤其是數字控制器）的設計與開發的能力。

課程目標2：培養學生根據實驗方案采用科學方法構建實驗系統，并安全地開展實驗，正確地觀察、采集、整理實驗數據的能力。

課程目標3：培養學生恰當地選擇專業模擬軟件、并對自動化領域的復雜工程問題進行分析、計算、仿真與綜合設計的能力。

課程目標4：培養學生團隊合作精神或意識，主動與其他學科成員開展有效溝通、合作共事的能力。

三、教學內容改革

（一）整合理論教學內容

刪除與智能控制課程冗余的章節，如模糊控制技術、神經網絡控制技術、基于遺傳算法的控制技術，增加基于極點配置法的控制器設計理論教學內容。修改后的理論教學內容包括計算機控制系統概述、線性離散系統的數學描述與分析、數字PID 控制、數字調節器直接設計方法、基于極點配置法的控制器設計和計算機控制系統的設計，并結合Matlab 仿真把抽象的控制理論形象化呈現出來。課程思維導圖如圖1 所示。

圖1 課程思維導圖

（二）增加實驗課時，改進實驗內容

以往實驗僅有4 學時，為培養學生的實驗動手能力、理論聯系實際能力和實事求是精神，在保證理論內容講解的同時，加強實踐環節，縮減理論課時，增加實驗課時到8 學時，理論與實驗的學時占比變為24∶8。

以往的實驗只有兩個，內容較少。新教學大綱增加兩個實驗，狀態反饋與狀態觀測器實驗和電機調速實驗，四個實驗的設置見表1。并注重Matlab 仿真程序的設計，前三個實驗除了要在實驗臺上完成硬件實驗，還要求運用Matlab 仿真工具設計數字控制器并仿真系統階躍響應曲線、計算性能指標，使學生能理能動，能虛能實。

表1 實驗設置

（三）增添新的教學案例

以往的教學案例安排在最后一章，有兩個。一個是微型計算機控制直流伺服系統設計，涉及到位置環、速度環、電流環三環控制，是典型的PID 控制實例，重點講解了總體控制方案設計、硬件設計（包括微型計算機選擇）、控制算法設計、軟件設計和系統聯調，給學生介紹了完整的控制系統開發流程。另一個是微型計算機溫度控制系統設計，實例的對象是六溫區網帶式連續燒結電阻爐，是有時延的被控對象，控制算法采用的是大林算法。這兩個案例都是比較傳統經典的教學案例。近些年來，隨著計算機控制系統應用越來越廣泛，應用對象也越來越復雜，因而需要推陳出新，本課程精心挑選了基于單片機的四旋翼自主巡線無人機設計和采用極點配置的自動駕駛汽車換道路徑規劃與跟蹤控制。四旋翼飛行器的設計講解了姿態解算、坐標系轉換、四元數求姿態角、PID 調節、梯度下降算法等知識點，并修正了原文獻中的錯誤。自動駕駛汽車換道路徑規劃與跟蹤控制講解了基于三次多項式曲線的路徑規劃算法和基于線性矩陣不等式區域極點配置方法的路徑跟蹤控制策略。這兩個新的案例反映了學科專業先進的核心理論和成果，加深了學生對復雜計算機控制系統概念及特點的理解。通過這四個教學案例，不僅給出了模擬化設計方法、直接設計法、狀態空間法的典型應用，而且給出了工程設計開發的具體流程，對培養學生計算機控制系統的設計與開發能力奠定了基礎。

四、教學方式改革

（一）雨課堂增添了師生互動

雨課堂教學模式打破時空限制，解決師生交互不足問題，整合線上與線下教學資源，讓課前—課中—課后環節的每一項內容都賦予師生全新的體驗，從而有效提升知識吸收和傳授的效率。

本課程采用雨課堂教學，設計了74 道客觀題，提前設置好答案，增加了課上互動環節，打破傳統課堂“滿堂灌”和沉默狀態的方式方法，隨時跟蹤學生的學習狀態，訓練了學生問題解決能力和審辯式思維能力。

（二）引入MOOC 教學，使學生拓展視野

中國MOOC 大學官網是個很好的教學網站，其中有北京交通大學王爽心等老師開設的計算機控制技術，還有東北大學關守平等老師開設的計算機控制系統和北京交通大學張三同等老師開設的同一門課，都是很好的MOOC 資源，我們給學生提供了網站信息，以拓展學生的知識面。

（三）引入研討式教學

本課程采用研討式教學，根據教學內容在第二章給學生布置了經典的英文文獻，設置了5 次研討，由教師提供擴展學習資料、提出研討問題，學生自主探索，在此基礎上展開以小組為單位的研討式教學，倡導“學生為主，教師為輔”的教學理念并真正加以推廣應用。

（四）雨課堂線上提交批改作業

本課程作業采用雨課堂線上提交批改，為專業認證提供充分檔案資料。

五、立德樹人的舉措

習近平總書記曾在全國高校思想政治工作會議上強調，“要更加注重以文化人以文育人”，本課程是典型的工科課程，在深度挖掘課程所蘊含的思想價值和精神內涵基礎上，提出以下立德樹人的舉措。

（一）引導學生尊重客觀事實，樹立實事求是、嚴謹認真的態度和作風

學習科學工程知識本身就是一個求真務實的過程，本課程在課程實驗中要求學生實事求是、嚴謹認真，不能弄虛作假，作為老師要言傳身教，不能應付了事，而要嚴格要求。

（二）注重培養學生自主學習能力、團隊合作精神

為了讓學生了解大師們的科研進取精神和科學路徑，本課程布置了六篇經典英文原著、一本英文教材，通過查詢閱讀文獻，提高了學生的自主學習能力；并讓學生自愿組隊完成閱讀，以培養學生的團隊合作精神和溝通能力。

（三）注重工程倫理教育

本課程給學生推送了五本有關科學倫理、工程倫理的素質拓展資料，學生在報告中列舉了不少違背工程倫理的實例，比如日本排放福島核廢水進入太平洋、薩默林老鼠免疫事件等，觸目驚心。通過學習，學生們體會到“在科技領域內出現損害公共利益、弄虛作假等倫理道德滑坡現象，嚴重腐蝕了科學發展的根基”。

六、考核方式改革

為了強調過程評價，本課程改革了考核評價標準，平時：期中：期末占比由原來的2∶1∶7，改為4∶1∶5。平時由作業、實驗考核變為作業、課堂練習、實驗，占比是1∶1∶2。作業由分析設計題拓展為分析設計題、文獻閱讀題、素質拓展題；課堂練習除了思考題以外，又增加了客觀題。思考題考評學生預習、復習情況，鍛煉學生的口頭表達能力，客觀題考評學生的聽課效果，直接由雨課堂給出分數。

各個考核環節對于課程目標和畢業要求的指標點的貢獻度見表2。

表2 考核方式（平時+期末）和貢獻度

期中和期末考核達成課程目標1 和3，作業和課堂練習達成課程目標1、2、3、4，實驗達成課程目標2、3、4。

七、結束語

教學改革是高等教育賴以生存和發展的生命線，也是提高教育質量和教學水平的關鍵。工程教育專業認證的需求激發了教學改革的動力，本課程從教學內容入手深挖根源，刪減了與其他課程冗余的內容，增加了基于極點配置法的控制器設計理論教學內容和Matlab 仿真實驗，增添了新的教學案例。雨課堂的出現為教學現代化提供了很好的平臺，本課程引入了雨課堂、研討式學習。過程考核促進了考核方式的機制轉變，本課程加大了過程評價占比。據向學生發放的調查問卷統計結果顯示，對教學改革的總體滿意度為88%，獲得了良好的教學效果。