工程教育專業認證下應用型本科教學改革探討
——以“自動控制原理”課程為例

李慶華，楊瑞田，王升旭

（無錫學院自動化學院 江蘇 無錫 214105）

為了適應工程領域人才需求，提高工程教育的質量和效益，與工程領域職業資格制度相銜接，促使我國工程教育人才培養國際化，我國在2005 年開始構建工程教育專業認證體系，并逐步開展專業認證工作。目前已有不少大學的工科專業陸續通過了專業認證，很多應用型高校也正在不斷嘗試教學改革，希望通過專業認證工作，建立高效的工程教育人才培養體系，提高工程教育質量，提高工程教育人才培養對地方與區域產業的適應性，為高校所在地方和區域提供更多的高素質工程技術應用型人才。

在應用型本科高校教學改革的探索過程中，課程改革無疑是最關鍵的也是最難的。本文將針對應用型本科教學的特點和要求，以無錫學院（以下簡稱“我校”）自動化專業開設的“自動控制原理”課程為例，從工程教育“以學生為中心、以成果為導向、持續改進”的三大基本理念出發，在剖析傳統教學不足的基礎上，以提高教學質量、培養及提升學生學習興趣、分析問題與解決問題的能力、解決復雜工程問題的意識與能力為導向，對自動控制原理課程的教學內容、教學模式、教學方法、實踐教學及考核方式等方面進行研究探討，為工程認證背景下的應用型本科課程教學改革提供參考。

1 自動控制原理課程教學現狀及存在的問題

自動控制原理課程是自動化專業最重要的專業核心課程。通過自動控制原理課程的學習，學生既可以掌握自動控制技術的基礎理論和基本方法，又能夠獲得設計、分析控制系統的基本技術和基本技能。該課程不僅是后續專業課程如計算機控制技術、過程控制系統、運動控制等控制類專業課程的理論及方法論基礎，而且關乎學生專業綜合技術知識的實踐融合效果，對于應用型本科自動化專業培養目標的達成至關重要。該課程理論性強、抽象，需要學生有較好的高等數學、復變函數與積分變換的基礎，不易理解，學習難度大。目前我校自動化專業自動控制原理課程的教學學時為56 學時，其中8 個學時為實驗學時，學時偏少。該課程的開展包含課堂理論講授環節及實驗箱模擬仿真驗證實踐環節。學生通過課堂聽課，課后完成習題，簡單地模擬仿真來掌握課程內容。整個教學過程沒有體現“以學生為中心、以成果為導向”的工程教育理念，沒有有效的質量監控和持續改進機制。課程的學習過程中學生沒有建立整體的系統概念，其解決復雜工程問題的意識與能力沒有得到啟發和培養，不能將所學對接到實際工程應用中去，理論與實踐脫節比較嚴重。同時，應用型本科學生中也普遍存在著自主學習動力不足，學習能力與自我管理能力參差不齊的狀況，這很大可能導致教與學兩難的局面，從而導致課程目標難以實現，學生畢業能力要求無法達成。

因此，有效的實施自動控制原理教學改革并不斷持續改進、創新，以實現該課程在專業人才培養體系中的作用，最終使學生達成工程教育專業認證的畢業能力要求，不僅是當前應用型本科自動化專業教學面臨的重要任務，也是非常值得深入探討的課題。

2 教學改革探討

2.1 優化教學內容，以適應應用型本科教學要求

自動控制原理課程理論性強、概念抽象、數學推導與計算繁多，結合無錫學院應用型本科自動化專業培養應用型人才的要求，該課程的教學則需要從應用性出發，同時考慮系統性，使學生在系統思維的前提下，既能學習掌握課程理論內容的精髓，又能從煩瑣的公式推導中解放出來，理論與實踐相結合，形成工程師思維。因此，非常需要教師梳理自動控制原理課程的內容，選擇基本實用的內容進行教學[1]。為使專業課程體系更趨合理，課程組考慮以“系統理念”為主線對課程進行整合，并確保與后續專業課程的銜接和知識點的完整性，增加、壓縮和取消相關課程內容。

關于自動控制的一般概念，內容重點介紹自動控制的概念、反饋控制原理、自動控制系統組成和要求。連續線性定常系統的數學模型、線性系統的時域分析方法、頻域分析法三部分內容為課程最主要的內容[2]。數學模型部分重點講解時域模型的一般求解方法、復數域數學模型——傳遞函數概念與求取、控制系統結構圖的變換與通過信號流圖求取系統的傳遞數。時域分析法部分，在建立系統時間響應性能指標概念的基礎上，典型二階系統的分析是最重要的內容，是教學的重點。系統穩定性分析的代數判據部分重點是會用勞斯判據判別系統穩定性。穩態誤差計算部分，要在理解控制系統穩態誤差概念的基礎上會求解典型信號輸入下系統的穩態誤差。頻域分析法部分，頻率特性的概念理解是后續奈氏圖繪制的基礎，是重點講解內容。典型環節的奈氏圖對系統奈氏圖的繪制幫助不大，此部分少講，典型環節的頻率特性對后續開展伯德圖繪制影響很大，需要多講。系統奈氏圖和伯德圖的繪制是重點講解內容。奈氏判據是分析系統穩定性的圖形判據，需要重點講解，但是從如何應用奈氏判據的角度去剖析，而對于如何得出判據的理論推導部分則不需要過多講解。系統相對穩定性概念的建立需要通過相角裕度、幅值裕度概念來獲得，因此，這部分概念也是學生需要掌握的內容。對于線性系統根軌跡部分，在介紹根軌跡的概念基礎上重點講授常規根軌跡繪制方法，參變量根軌跡部分重點講解向常規根軌跡繪制方法的轉換過程。線性系統校正方法中，從工程應用角度出發，重點介紹基于伯德圖的串聯校正方法。

2.2 創建多維度的分層教學模式，提高學生學習興趣，提升教學質量

為貫徹工程教育“以學生為中心”的理念，在專業核心課中培養學生解決復雜工程問題的意識，同時，結合前述課程教學現狀，考慮應用型本科高校學生學情特點，從時間、空間、教學手段等維度進行改革，創建多維度的分層教學模式。

從時間和空間維度增加課前預習環節任務，并對預習任務進行難度分層；豐富課后作業形式，對于不同訴求的學生體現難度、廣度差異。課前預習環節，主要是在新課開始的前一周通過“超星學習通”平臺向學生推送下一次課自動控制系統所需數學基礎的知識視頻、自控系統基本概念的講解視頻、示例講解視頻、系統綜合與設計的示例視頻等，并說明難度屬于基本內容還是擴展內容，學生可在課堂之外的時間根據興趣預習并完成預習后的題目。對于課后作業，可根據學生的情況分梯度進行布置，為體現難度和廣度分為必做部分和選做部分，必做部分是必須完成，選做部分自主完成。課后作業除了完成教材或講義要求的習題，增加綜合性的大作業。我校自動控制應用技術實驗室現有“電機伺服控制系統”自控原理實驗臺20 套，數學模型和時域分析方法教學內容完成后，可針對電機伺服實驗系統開展開環速度系統建模、速度控制和位置控制閉環系統時域特性研究綜合內容；根軌跡法、頻域分析法和校正方法的教學內容完成后，可開展控制系統校正設計的綜合內容，要求學生以2―3 人團隊的形式開展綜合性作業，一個團隊提交一份大報告。

從教學手段維度兼顧傳統教學手段的優點同時引入計算機仿真輔助教學。課堂教學中，對于理論性系統性較強的課程，為了加強學生對理論的理解，必要的粉筆板書還是很有效果的。然而，圖文并茂的PPT 課件也是很必要的。提前準備好的課件可以減少不必要的書寫時間，同時對于一些實際的示例或理論的講解，圖形和必要的文字，或者動圖，既形象又準確，使學生印象深刻。因此，傳統板書教學與現代的多媒體教學恰當結合，更能有效提高課堂教學效果。根據課堂教學內容的不同，增加課堂討論和課堂小測驗。比如校正設計部分，可以開展關于使系統既能跟蹤輸入信號又能抑制噪聲擾動信號的多種校正方法的討論，增強學生們對已學內容理解的同時提高學生對課堂學習的興趣。課堂小測驗的開展一方面可以及時檢驗學生課堂學習的效果，同時也在沒有額外占用課堂時間的情況下進行了考勤，掌握了學生課堂出勤的情況。除此之外，在課堂教學中使用MATLAB/SIMULINK 仿真軟件，側重對模擬實驗不易實現的教學內容進行仿真演示，并布置一定的綜合性課后仿真作業，一方面提高學生學習興趣，培養其建模、仿真、編程能力；另一方面，培養學生的獨立思考能力和自主學習能力。

在課堂之外，為滿足學生的差異化學習訴求，錄制易錯習題講解視頻，重點工程案例講解視頻、課程實驗講解視頻等短視頻，通過“超星學習通”平臺發送給學生，供學生即時學、按需學、重復學。同時，根據課程進度開展課外測驗2―3 次，要求學生獨立完成測驗。通過測驗成績，并結合課堂學習情況，了解學生學習的真實成效。對于成績不理想、學習有困難的少數學生進行單獨輔導，幫助這些學生提高學習成績。多維度分層教學、單獨輔導等課外教學過程充分體現了定制化教學，關注每位學生的學習達成，從而促進課程目標的達成。

2.3 啟發式教學法與實例式教學法有機結合，打造“以學生為中心”的課堂

自動控制原理課程理論多、方法多、圖形多、數學推導多，教師想教好學生往往是有難度的。傳統的以教師為主，學生為輔的填鴨式教學，教師是課堂的主角，學生一直是被動地接受知識，不能體現“以學生為中心”的工程教育理念，也不能取得很好的教學效果。開始一門新的專業課程總要解決“這門專業課程是講什么內容？有什么用？”這兩個問題。我們可以找到合理的切入點，比如數控車床如何按預定的程序自動地切削工件？校園中京東無人駕駛快遞車為什么會按預定的路線自動行駛？對大家熟悉的應用領域或科技感較強的生活實例進行設疑，進而抓住學生的好奇心，讓學生了解課程能解決什么問題？課程目標是什么？在專業中的意義是什么？后面的學習要求是什么？等問題，從而在后面的學習中可以主動地學、有目的地學。因此在啟發式課堂教學中，教師合理設疑，帶動學生主動釋疑，是調動學生主動思考、調節課堂教學氣氛的有效方法。

教師針對教學內容，通過選擇合適的工程應用實例，賦予理論物理意義，在引證時結合啟發式教學法，合理設疑，引導學生討論和分析，形成自主學習、探究性學習及合作學習的課堂氛圍。學生通過對工程實例的學習，對理論有了準確的理解，對于后面理論的應用也就有了較好的基礎。而啟發式教學，通過合理設疑，引導學生主動發問，主動思考，學生興趣濃郁，課堂變成學生為主、教師為輔的課堂。啟發式教學與實例教學有機結合，可以很好地體現“以學生為中心”的理念，培養學生解決復雜工程問題的意識，提高教學效果。

2.4 改革實踐環節，體現應用型本科院校辦學特色

對于應用型本科院校而言，實踐教學是達成畢業生畢業能力目標最有效的途徑，最體現應用型本科院校的辦學特色和“以畢業出口為導向”的工程教育理念。目前我校自控原理課程實踐環節為實驗箱模擬仿真完成對典型環節、典型二階系統時域特性、三階系統穩定性、頻率特性等內容的驗證，在一定程度上鍛煉學生動手操作的技能和分析問題的能力。但是，缺乏對理論與工程實踐融合的綜合實踐能力、自主實踐能力、創新能力等多方面能力的培養。

基于我校目前的實驗條件并結合未來課程實踐的發展方向，建立“實驗箱模擬基礎性實驗+MATLAB仿真綜合性設計實驗+基于實際電機系統的研究性實驗”的實驗教學模式。具體為通過我校自動控制應用技術實驗室的MATLAB仿真平臺增加控制系統的綜合性設計實驗，基于自動控制應用技術實驗室現有的實際的電機對象開發研究性實驗，如速度與位置系統校正PID 參數整定、頻域法校正實驗等。課堂之外，鼓勵教師帶領學生踴躍參加大學生學科競賽（比如全國大學生智能汽車競賽、西門子杯智能制造挑戰賽）和大學生創新訓練計劃等，培養學生的創新意識與自主實踐能力。除此之外，我校與無錫知名企業——無錫信捷電氣股份有限公司、無錫新松機器人自動化有限公司等共建有產教融合實習實訓基地，學生可以到企業參加實訓，了解實際生產過程場景、生產過程中相關控制問題的解決方案，也可進入企業導師團隊學習、參與項目開發與課題研究，從而開闊視野，提高綜合實踐與應用創新的能力。

2.5 改革考核方式，加強過程考核，促進課程目標達成

目前我校自動控制原理課程的考核采用了結構評分，分期末考核（占60%）和平時成績（占40%）兩部分，存在一些問題。平時成績考核方面問題相對突出，比如平時成績結構組成不科學，學生出勤在平時成績中比重過高；平時成績平均化，平時成績在課程結束后給出，沒有學生平時成績的積分過程，對學生學習過程的約束力不夠。此外，平時成績反饋存在滯后性，學生難以及時和持續地優化自身學習行為，對學生學習過程的正確引導力度不夠[3]；教師理念沒有轉變，教學實際過程中沒有切實進行過程考核，過程考核不透明不公開，學生與教師的互動少，教師對學生學情掌握不夠準確。

為了全面系統反應教學過程中學生的學習情況與教師的教學成效，并及時形成對教學的反饋和正作用，需要強化對過程的考核，同時由于工程認證的需要，應規范期末考核。改革后，期末考核在課程考核中的占比不變（60%）。期末試卷要嚴格按照課程大綱的要求命題，各內容分數比例要能匹配課程大綱要求的各課程目標的占比，題型要減少機械記憶性題型，以計算、分析、綜合、設計題目為主，重點考核學生分析問題、解決問題的能力，以及解決復雜工程問題的意識。因此，期末試卷的命題需經課題組多次研討后出題，教學基層組織同時對試卷進行全面審核把關。平時成績在課程考核中的占比也不變（40%），但改變平時成績的結構，由課前預習得分、課堂出勤、課堂回答問題（占10%），課程作業（習題作業和大作業各占5%），期中測試（占10%），實驗（占10%）環節構成。其中，課程作業、期中測試環節是評價教師教學效果的主要來源和重要依據，教師可以據此了解教學過程中學生的學習效果，一方面用于優化整體教學，另一方面對少部分掉隊的學生進行幫扶。實驗環節改變以往僅憑實驗報告定實驗成績的習慣，從實驗的預習、操作、實驗報告的撰寫等三個過程全流程考核學生，實現對學生實踐、分析、應用、創新、文檔處理能力的全方位考核。同時，堅持每周實時評估學生平時成績，并在下一周的第一次課前通過“超星學習通”平臺發布給學生，讓學生可以及時看到自己學習行為的數據，及時優化自己的學習行為。通過以上方式解決平時成績結構不合理、平均化、反饋不及時、考核不公開不透明的問題，從而真正落實過程考核，形成對教學的實時跟蹤與質量監控，促進課程目標的達成。

3 結語

工程教育背景下，各應用型本科高校都在努力探索如何通過教學改革來提高工程人才的培養質量，以適應地方與區域對高素質工程應用型人才的需求。自動控制原理課程作為應用型本科自動化專業的核心課程，是后續控制工程實踐的基礎，本文針對無錫學院自動化專業的自動控制原理課程教學現狀，從工程教育專業認證的三大理念出發，對該課程的教學內容、教學模式、教學方法、實踐教學及課程考核方式等教學環節進行了探討，并提出了一系列切實可行的課程教學改革思路。通過教學改革，旨在培養與提高學生的學習能力、分析、綜合、自主實踐與創新能力，解決復雜工程問題的意識，為高素質技術應用型人才的培養提供支撐。