工程教育專業認證背景下現代控制工程之“金課”建設

肖會芹　孔玲爽　楊興果　周文權　周維龍　趙凱輝

［摘 要］文章基于工程教育專業認證背景，遵循“以學生為中心”的教育理念和“金課”的建設標準，分別從教學內容及教學資源、教學形式和考核方式三方面探討現代控制工程“金課”建設思路：在整合優化教學內容的基礎上，構建以控制工程案例為主線的教學資源，提升課程的高階性；采用模塊集中授課、親歷實踐調研以及控制專題研討等多種教學形式，強化課程的創新性；加大過程性考核成績比重，提高課程的挑戰度。

［關鍵詞］工程教育專業認證；“金課”；現代控制工程；控制工程案例

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）06-0015-03

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度[1]，倡導以學生為中心的教育理念，并且要求聚焦學生復雜工程問題解決能力的培養[2]，對課程建設和教學過程有著較高的要求。課程建設是工程教育專業認證的基礎。2018年6月，時任教育部部長陳寶生提出“金課”的概念，要求打造具有高階性、創新性和挑戰度的課程[3]。“金課”建設與工程教育專業認證都是高等教育改革的重要方向，二者可以有機結合，其共同的目的就是培養高水平的符合社會需要的新工科人才。工程教育專業認證“以學生為中心”的教育理念為“金課”建設指明了方向。將“金課”建設與工程教育專業認證有機結合，綜合考慮，可以最大限度實現培養專業人才的目標[4]。

湖南工業大學（以下簡稱我校）自動化專業每年招生人數約200多人，旨在培養能在自動化及相關專業工程領域從事科研、開發和管理工作的應用型高級技術人才。現代控制工程是我校自動化專業理論核心課程中的綜合建設課程，其教學目標為：使學生在熟悉自動控制理論方法特點和先進性的基礎上，具有電氣、機械、包裝自動化等控制系統的建模能力，并能夠運用時域法、頻域法、狀態空間法等方法對其運動過程、穩定性、能控性和能觀性進行分析，在此基礎上，對控制系統進行校正設計以及極點配置，掌握觀測器等的綜合設計方法，培養學生分析與解決自動化領域復雜工程問題的基本能力，并使學生具有家國情懷、人生目標，以及科研創新、團結協作等精神。

我校自動化專業2019年入選首批國家級一流本科專業建設點，2021年通過工程教育專業認證，2008年被評為國家級特色專業，為我校自動化專業現代控制工程課程建設和發展提供了契機。工程教育專業認證背景下，如何提升課程的高階性、創新性和挑戰度，將現代控制工程課程打造成“金課”？本文擬結合近年來自動化專業控制理論課程群教學的方法、措施，給出一些思路。

一、整合優化教學內容及建設教學資源，提升課程的高階性

現代控制工程是我校自動化專業近年來課程體系重塑下課程改革的產物，是控制理論核心課程中的綜合建設課程，是對傳統三門控制類基礎課程（自動控制原理、現代控制理論以及計算機控制系統）進行整合后開設的課程，旨在進一步培養學生解決復雜工程問題的能力。為了提升課程的高階性，我校自動化專業在整合優化傳統控制知識的基礎上，積極開發和建設能夠融合知識、能力和素質教育的各種教學資源。

整合優化教學內容的主導思想是對現代控制工程的分散知識點進行統一梳理，對有交叉以及過時的內容進行合并、精簡與刪除，重點突出“系統”的概念和“反饋”的控制思想，以“控制系統的數學模型—控制系統的分析—控制系統的設計”為主線設計優化該課程授課內容，具體整合優化方案如圖1所示。

在“控制系統的數學模型”這一部分內容中，主要包括三種數學模型：傳遞函數模型、脈沖傳遞函數模型和狀態空間模型。這三種經典的控制系統模型能夠將系統外部和內部的數學關系描述清楚。

在“控制系統的分析”這一部分內容中，經典控制的時域分析、頻域分析以及現代控制的狀態空間分析為主要精簡保留的內容，經典控制的根軌跡分析安排學生課下自學。

在“控制系統的設計”這一部分內容中，保留自動控制原理中線性定常連續系統的校正和計算機控制系統的采樣控制系統的校正的內容。此外，在現代控制理論和計算機控制系統中均涉及狀態反饋、極點配置和觀測器設計的內容，新的內容整合優化方案將這兩門傳統課程的該部分內容合并在一起，分別從連續系統和離散系統的角度進行整合優化。

經過以上的整合優化，現代控制工程課程內容更加系統化、條理化了。

在教學內容整合優化的基礎上實現其最佳教學效果、提升課程的高階性是“金課”建設的一個重要方面。為了提升學生解決復雜工程問題的能力，現代控制工程的教學設計分為理論環節和實踐環節，并采用模塊化設計，將每個環節分解為4個教學模塊，每一個模塊采用的教學資源不盡相同。教學模塊設計與對應教學資源使用情況如圖2所示。

根據各模塊不同教學資源的需求，教師在選用指定經典教材的基礎上，補充以控制工程案例為主線的教學資源。我校自動化專業每年春秋兩季的畢業設計作品展案例、電子設計競賽作品案例、包裝自動化控制工程案例以及科研案例等素材中不乏優秀的實例作品，如果能吸納其先進的設計理念為課程所用，則更能體現理論知識的實踐應用價值。除此之外，為了全方位培育人才，課程全程融入思政元素。思政資源來自思政課程、各類專業相關宣傳片和紀錄片。

由上可見，在教學資源建設中增加大量的控制工程案例，這于課程而言，更容易突出“系統”和“反饋”的核心概念，于工程教育專業認證而言，更易于培養學生解決復雜工程問題的能力。各種優秀翔實的實時控制案例，尤其是豐富的行業背景突出的包裝自動化控制工程案例資源，一方面使得我校自動化專業特色更加鮮明，另一方面也更有助于體現“金課”高階性的要求。

二、采用以學生為中心的教學形式，強化課程的創新性

課程教學遵循“以學生為中心”的教育理念，采用模塊集中授課、親歷實踐調研、控制專題研討三種形式。整個教學過程由專業教師、思政教師以及學生共同參與，具體組織實施如下：

（一）模塊集中授課

模塊集中授課旨在使學生破解難點、掌握重點，同時適時切入思政元素，培養具有家國情懷、人生目標以及科研創新、團結協作等精神的新工科人才。教學設計中的理論環節主要采用此教學形式。各模塊具體授課知識點、工程能力培養以及思政切入點由專業教師和思政教師共同組織研討。例如，模塊一中的控制系統數學建模知識能夠培養學生對復雜工程問題進行提煉、定義和建模的能力。該部分可以引導學生了解通過表面認清本質的道理，并且其中的數學變換（例如狀態空間表達式的線性變換）也蘊含著誠信、友愛、平等等思政元素。模塊二中的控制系統運動過程、穩定性和能控能觀性分析能夠培養學生應用數學、自然科學和自動化工程科學的基本原理對復雜工程問題進行分析和評價的能力。該模塊中控制系統穩定性、快速性、準確性之間的關系體現事物之間相互制約、對立統一的一面，有助于學生辯證思維能力的培養。模塊三中的控制系統的設計部分能夠提升學生分析和解決自動化領域復雜工程問題的能力。該部分可以將“校正”在控制系統中的重要作用映射到人本身這個特殊系統中：在控制系統偏離預期的時候，通過校正可以使系統穩定；同樣，在人生偏離預期目標時，及時的自我反思校正可以避免誤入歧途。模塊四通過將前沿性的科研案例進行模塊知識分解，聯系模塊一至模塊三知識內容，使得控制理論知識與科研開發案例深度融合，有利于學生工程化思維模式的形成。該部分最能體現社會主義事業需要學科交叉人才、需要具有綜合能力的人才等思政元素。

（二）親歷實踐調研

此教學形式重在提升學生對復雜工程問題解決方案的理解分析、對信息資料的采集歸納以及團隊合作中的交流溝通等綜合能力及素養，主要通過實踐環節實施，采用問題引領和任務驅動機制。每班首先進行分組，5人一組，設定組長1人，組織控制工程案例實踐調研，調研自動化專業畢業設計作品展案例（現場）、電子設計競賽作品案例（現場）以及包裝自動化工程案例（行業展會及工程師網站），調研結果形成PPT，由小組代表以翻轉課堂教學形式將案例穿插于理論及實踐教學中。小組成員團結協作完成課內實踐調研項目。該教學環節能夠從工程教育專業認證中團結協作的角度培養學生的團隊意識。控制工程案例調研任務及安排以具體的工程實際問題作為引導，構建全過程的控制系統綜合訓練項目，聚焦學生復雜工程問題解決能力的培養，從系統建模、機理分析、軟硬件實現、按照明確的需求承擔系統設計基本任務等方面進行任務布置與分配，借此提升學生工程思維能力。這樣就彌補了傳統理論教學強調學科知識的理論性、完整性而忽略工程實踐能力培養的不足，使得理論知識與實踐案例深度融合。在此環節中，學生不僅對各類優秀翔實的控制案例設計理念進行吸納、傳承，而且在此基礎上進行自己創新性的思維開發，同時也為構建系統化的課程實踐控制工程案例庫提供了充足的素材。此環節亦可以體現學生調研結果的探究性和個性化，充分體現課程的創新性。

（三）控制專題研討

此教學形式旨在體現“師生均為教學共同體”的創新教學理念，由教師和小組長共同組織，采用開放式課堂教學，穿插于課程教學設計中理論環節模塊一至模塊三以及實踐環節模塊四。師生共同將課程中的重要知識點及其工程理解與實踐應用歸納為幾個控制專題進行研討。專題研討一般具有針對性和探討性特點。這種教學形式既能吸引學生的注意力，又能促進學生對集中授課知識點的吸收。因此，廣大師生應該充分研究課程授課特點，將理論內容與實踐案例進行科學整合，形成若干個專題，合理安排時間，組織高水平、高質量、高效率的專題研討，從而使得教學效果更佳。在此過程中，學生能夠深刻體會到，教學不是由教師的教和學生的學構成，應該是由師生共同體來完成一門課程的教學。

三、優化考核方式，加大過程性考核成績比重，提高課程的挑戰度

挑戰度是指課程要有一定難度，“金課”提高挑戰度的要求使得學生僅靠期末考試突擊復習就能通過一門課程考核的時代成為過去。挑戰度的要求實際上對教師和學生均提出了新的要求，教師需要花更多的時間和精力去備課、講課，尤其是各個教學環節的設計，要保障學生課上、課下有較多的時間學習和思考，聚焦學生綜合能力的提升。那么如何對學生的綜合能力進行評價？這就要求在各個教學環節實施過程中，不斷進行考核，即增加過程性考核，這樣既能督促學生緊跟各個教學環節，不斷思考、學習，也增加了課程學習的挑戰度和難度。現代控制工程課程考核由“過程性考核+終結性考核”構成。2015級以前，過程性考核（出勤和作業）成績占總成績的30%，期末考試成績占總成績的70%。自2015級開始，過程性考核成績占總成績的50%，期末考試成績占總成績的50%，其中過程性考核成績由平時出勤成績、平時作業成績、專題研討成績以及課內實踐模塊成績構成。過程性考核增加了教師教學的工作量，如平時出勤、提問發言記錄，作業批改，成績登記，翻轉課堂表現評分，課堂及調研視頻錄制等。過程性考核的形式多種多樣，并且貫穿學習的整個過程，通過不斷的考核督促學生不斷學習、思考與進步，提高了學習的廣度、難度和深度以及課程和學業的挑戰度。

四、結語

工程教育專業認證背景下，“金課”建設勢在必行，大學教師只有不斷改進教學內容、更新教育理念、豐富教學資源、改變教學方法，才能真正打造出大學的“金課”。我校在現代控制工程課程建設過程中，契合工程教育專業認證的需求，轉變教學觀念，整合優化教學內容，豐富以控制工程案例為主線的教學資源，提升課程的高階性；持續改進教學手段和方法，采用模塊集中授課、親歷實踐調研、控制專題研討等教學形式，同時輔以問題引領、任務驅動等教學手段，強化課程的創新性；構建更加合理的考核評價方式，不斷提高課程的挑戰度，努力打造特色更為鮮明的“金課”。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 林健. 工程教育認證與工程教育改革和發展[J]. 高等工程教育研究，2015（2）： 10-19.

[2］ 羅勇，劉曉蘭. 工程教育專業認證理念下電子信息類人才培養方案優化：以鄭州大學自動化專業為例[J]. 大學教育，2019（8）： 24-27.

[3］ 郭恒川，趙國增，王勤. 工程教育專業認證背景下的“金課”建設[J]. 教書育人（高教論壇），2020（21）：66-68.

[4］ 李海平，胡志和. 工程教育認證背景下“食品安全監督管理”課程的“金課”建設思路探討[J]. 黑龍江教育（高教研究與評估），2021（2）：34-35.

［責任編輯：周侯辰］