工程教育模式下控制理論一體化綜合課程的改革與實踐

任金霞， 王祖麟

（江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西贛州341000）

目前我國高等工科教育較為突出的問題是:現行教育模式仍偏重于學科理論知識傳授,在實踐能力、創(chuàng)新能力的教育和訓練方面還有待提升,畢業(yè)生理論脫離實際、實踐環(huán)節(jié)薄弱、產學脫節(jié)等問題急需改進[1]。從2000年起,CDIO模式在世界上以MIT為首的幾十所大學操作實施,國內2007年華中科技大學提出，當務之急是“培養(yǎng)“實學”創(chuàng)新人才”。2008年在汕頭大學提出了EIP-CDIO工程教育人才培養(yǎng)模式[2]。江西理工大學于2006年起開始進行“3+1”創(chuàng)新教育模式的改革與創(chuàng)新，即“教與學、理論與實踐、學校與企業(yè)緊密結合”＋“全方位素質教育”的人才培養(yǎng)體系[3]，并且在2009年獲批建設學校國家級質量工程“基于三個緊密結合加全面素質教育的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)”，尤其在2011年，成為獲批第二批卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的高校。

“自動化”專業(yè)成功獲批卓越計劃專業(yè)。在這幾年的改革實踐中，江西理工大學自動化專業(yè)的學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力有了很大的提高。

一、控制理論一體化綜合課程教學的提出

控制理論類課程是自動化學科重要的專業(yè)基礎課，涉及較多的專業(yè)基礎課，該類課程的內容結構緊密，概念抽象，計算繁雜，與工程實際聯(lián)系緊密，是學習后續(xù)專業(yè)課的重要基礎，也是學生進一步深造的基礎。長期以來，控制類相關課程的部分內容互相脫節(jié)并且重復講授，理論與實踐脫節(jié)，一定程度上削弱了工程問題和個體能力發(fā)展這兩個方面[5]。

控制理論一體化綜合課程打破傳統(tǒng)的以課程為中心的傳統(tǒng)教學體系，以知識轉化為能力為目標，項目驅動為手段，突出知識融合，用全新的思維對原有課程體系進行優(yōu)化與整合，把《自動化概論》、《自動控制原理》、《現代控制理論》、《智能控制技術》、《系統(tǒng)辯識》、《系統(tǒng)仿真技術》等相關的課程優(yōu)化整合成為自動控制理論一體化綜合課程。該一體化綜合課程培養(yǎng)學生建立起專業(yè)知識與理論的框架，使學生具備建立控制工程項目的模型分析、建模的能力，具備綜合分析和設計自動控制系統(tǒng)的基本能力，具備使用計算機輔助分析和設計自動控制系統(tǒng)的能力，構建項目驅動的能力，進行實物工程設計實踐的能力和創(chuàng)新能力，并為運動控制、過程控制的能力培養(yǎng)提供理論支撐。

二、構建以“項目→能力”為核心，理論與實踐、知識與能力緊密結合的控制理論一體化綜合課程教學體系

按照“面向工程、項目驅動、能力培養(yǎng)、全面發(fā)展”的理念，遵循“科學與工程結合、能力與素質并重”的思想，自動控制理論一體化綜合課程構建以“項目→能力”為核心，理論與實踐、知識與能力緊密結合的教學體系?？刂评碚撜n程的知識框架是系統(tǒng)建模→系統(tǒng)分析→系統(tǒng)設計→系統(tǒng)仿真，教師通過布置項目，把自動控制理論的知識框架和核心知識融合在具體項目中，將所有需要學習和掌握的專業(yè)知識都圍繞項目這個核心展開，并與這個核心融合在一起來組織教學。項目分為一級、二級、三級項目，實現學生基礎層次、綜合層次和應用層次以及創(chuàng)新層次培養(yǎng)的教學體系，階梯式遞進提高學生的實踐能力。通過項目驅動實現理論與實踐、知識與能力緊密結合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力?？刂评碚撘惑w化綜合課程體系如圖1所示。

圖1 控制理論一體化綜合課程體系

（一）控制理論一體化課程知識體系

根據控制理論的系統(tǒng)建模、分析、設計、仿真的知識主線對授課內容進行整體規(guī)劃。建模的方法有機理建模和實驗建模，數學模型有時域模型、復數域模型和頻域模型。建立數學模型后，對系統(tǒng)進行性能分析，對線性系統(tǒng)從時域、頻域及根軌跡方面分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能、能控性和能觀性，對非線性系統(tǒng)采用描述函數法和相平面法進行分析。系統(tǒng)設計分別從頻域和時域的角度對系統(tǒng)進行設計，頻域設計具體采用串聯(lián)校正、反饋校正和復合校正，時域設計采用狀態(tài)反饋、PID控制和智能控制。系統(tǒng)設計好后采用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進行仿真，驗證系統(tǒng)的設計是否滿足要求。系統(tǒng)從建模、分析、設計中每一個步驟都可以通過Matlab/Simulink仿真，直觀性強，容易理解。知識體系如圖2所示。

圖2 控制理論一體化課程知識體系結構圖

（二）項目體系的設計和實施

控制理論一體化綜合課程依據所涉及的專業(yè)知識體系，為學生設計了一級、二級和三級項目，圍繞項目開展教學活動，將學生探索興趣、解決問題的能力和社會責任感的培養(yǎng)，融入項目過程中，讓學生積極地學習、自主地進行知識的建構。一級項目是根據控制理論的知識模塊設計的，深化學生對基礎理論、基礎知識的初步理解，培養(yǎng)最基本的感性認識和技能。二級項目根據控制理論一體化綜合課程的培養(yǎng)目標來設計，運用所學的知識，就一個具體的控制系統(tǒng)完成建模、分析、設計、實現、運用等全過程的訓練，使學生掌握控制理論的知識和研究手段、方法，培養(yǎng)學生項目的組織和管理能力以及溝通能力和團隊意識。三級項目是學生直接參與教師的科研項目和企業(yè)開發(fā)的項目及參加各種大賽，主要是培養(yǎng)學生運用學過的知識解決實際項目中的疑難問題的能力。控制理論一體化項目如表1所示。

在實施的過程中，教師嚴格按照實際工作情境，給出項目要求，引導學生分析項目需求和項目特點，學生查閱資料，制訂合理可行的計劃，自主探究和協(xié)作，完成項目的設計和實現，然后師生共同總結知識點和技能點，最后學生提交報告和作品，進行答辯和教師的評價。整個實施過程分為學生組建團隊、教師引導、小組協(xié)作和公開答辯。

通過項目驅動的實踐，讓學生從解決實際工程問題出發(fā)來進行專業(yè)知識的學習，激發(fā)學生對實際工程問題的興趣，引導他們探索并掌握解決問題的途徑和方法，提高分析設計能力，文檔的編寫能力和組織協(xié)調能力，并積累了項目研發(fā)經驗，為今后到企業(yè)工作打下良好的基礎。

表1 控制理論一體化項目設計

三、教學方法和手段的研究

教學方法與手段是改革成敗的關鍵點之一，也是教師自身能力、功力、水平高低的反映，是提高教學質量的保證。

（一）“啟發(fā)式、問題式、互動式教學”的教學方法

啟發(fā)式、問題式、互動式教學模式可以看作是一種啟發(fā)學生積極參與學習，促進學生發(fā)展的教學模式[7]?？刂评碚撘惑w化課程在教學中注意發(fā)揮學生的主體性和教師的主導性，從工程實際或常見物理系統(tǒng)出發(fā)引出抽象概念，通過向學生提出問題，引起學生對問題探究的興趣，引導學生思考，和學生互相討論，最后得出結果或者結論。比如，圍繞倒立擺系統(tǒng)的控制這個項目，在教學中提出如何控制，可以使倒立擺立起來？引起學生的興趣。然后啟發(fā)學生對倒立擺系統(tǒng)控制首先要對倒立擺系統(tǒng)建立數學模型的思路。什么是數學模型？如何建立控制系統(tǒng)的數學模型？這樣帶著問題教學，學生學習起來目的明確，有利于培養(yǎng)學生的思維能力和分析問題解決問題的能力。課后給學生留一些思考題，要求學生閱讀大量參考書，下次課堂互動討論澄清模糊概念和錯誤理解。這樣加深了學生對所學知識的理解。

（二）項目驅動與“做中學”的教學方法

控制理論課程不僅理論性強，而且實踐性也很強。為了培養(yǎng)學生的工程實踐能力，采用了項目驅動與“做中學”的教學方法。項目驅動以“學生”為中心，學生在工程項目驅動下學習，將教室與實驗室合為一體，學生使用實驗設備進行實驗、邊聽課邊實驗，即做中學，實現教與學、理論與實踐緊密結合。比如圍繞倒立擺控制系統(tǒng)項目組織教學，學習倒立擺系統(tǒng)的性能分析和控制方法等知識時，學生可以在實驗室通過MATLAB仿真觀察倒立擺系統(tǒng)的各種性能，設計出自己的控制方案，做實驗觀察采用不同的控制方法控制的效果。在整個項目的學習過程中，培養(yǎng)了學生的成就感和學習的樂趣，提高了學生的協(xié)作和創(chuàng)新能力，對后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定了良好的基礎。

（三）采用多媒體課件、計算機輔助教學、網絡，全面實施“e-Learning”

控制理論課程很多概念抽象，利用多媒體教學課件，可以形象直觀，易于理解。采用計算機輔助教學，通過高性能仿真軟件的支持（如MATLAB），可以方便地完成復雜計算繪制根軌跡圖和頻率特性圖以及系統(tǒng)的響應，使書本上的理論知識與工程實例有機地聯(lián)系起來。比如在實驗室利用MATLAB仿真觀察用根軌跡方法、頻率特性的方法，分析倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能，提升了教學效果。

充分利用現代網絡技術，全面實施“e-Learning”。通過學院網站、“3+1”創(chuàng)新教育網站、中國數字大學城、中國高等學校教育資源網（cctr.net.cn）、國家精品課程資源網（jingpinke.com）等優(yōu)質教育資源，擴大了學生的全球視野，增強了學生的自主學習與終身學習能力。將課程大綱、授課計劃、教學課件、電子教案等資源全部上網,學生和教師可以通過網站展開師生互動，網上答疑、和討論，鍛煉學生自主學習能力。

（四）課外綜合實踐，學生參與科研活動、創(chuàng)新大賽，提高動手與創(chuàng)新能力

在老師和企業(yè)工程師的指導下，進行各種工程實踐訓練與大學生科技競賽，提高學生的動手與創(chuàng)新能力[8]。組建大學生電子協(xié)會、機器人協(xié)會等社團，每年舉辦全校性的學科競賽，提供一個互相展示和交流的平臺，通過大賽檢驗學習效果。鼓勵并組織學生參加各種電子、機器人、電腦鼠、ROBOCUP大賽和教師的科研活動，使學生充滿成就感，激發(fā)了學習動力。把學習由一個枯燥的過程變成一個充滿樂趣、激發(fā)腦力、鍛煉能力的過程，從而提高了學生的動手能力與創(chuàng)新能力。

四、構建理論考核和實踐考核相結合的評價機制

從一體化課程體系的構建到課程的組織，從項目驅動的的教學到評價，是一個有機整體。由于控制理論一體化課程理論性強，而且實踐性也很強，因此構建理論考核和實踐考核相結合的評價機制，實行考教分離、基于能力的考核模式與激勵機制，培養(yǎng)學生自主學習能力、合作交流能力、工程項目調控能力以及創(chuàng)新思維的教學目標。

理論考核主要考核學生對基本理論及知識點的理解，考核項目主要包括學習態(tài)度、課堂表現、平時作業(yè)、查閱文獻、撰寫報告、考試成績等。該部分占總成績的60%。實踐考核主要考核學生對知識點的應用能力，以其參與過程表現和對項目的貢獻度作為課程的結果。考核項目主要包括工作態(tài)度、工程項目開發(fā)能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作精神、項目成果等幾個方面。該部分占總成績的40%。評價機制全面，改變了過去只重視分數的定式，加強了學生自身能力的考核，學生的積極性和主動性得到了很大的提高。

五、結 語

江西理工大學自動化專業(yè)依托“基于三個緊密結合加全面素質教育的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)”，通過近幾年的教學改革和實踐探索，形成了以“項目→能力”為核心，教與學、理論和實踐緊密結合的控制理論一體化課程體系，多種教學方法并行，尤其是項目驅動的教學，有力的提高了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

[1]張慧平，戴 波.基于CDIO教育理念的自動化課程的改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2009（9）：138-141.

[2]顧佩華，沈民奮.從CDIO到EIP-CDIO:汕頭大學工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-19.

[3]羅嗣海，周立功.就業(yè)與招聘“兩難”困境中實施“3+1”模式的探討[J].中國電力教育雜志，2009(4)：1-3.

[4]李玉鷹.工學結合一體化課程教學設計案例選編[M].北京：外語教學與研究出版社，2011.

[5]鄭長勇.自動控制原理課程教學改革探索與實踐[J].內蒙古農學學報,2009(4):134.

[6]韓 璞，林永君等.自動化專業(yè)卓越工程師課程體系的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（10）：262-271.

[7]羅三桂.現代教學理念下的教學方法改革[J].中國高等教育，2009(6):11-13．

[8]李澤輝.“項目驅動式”教學法的探索與實踐[J].實驗科學與技術，2011（2）：133-134.

[9]李春卉,蘇欣平,周京京.淺談“自動控制原理”教學中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].中國電力教育，2010(22)；105-106.

[10]上海交通大學高教研究所課題組.培養(yǎng)下一代卓越的國際化工程師——“全球工程教育卓越計劃”研究綜述[J].高等工程教育研究，2007(1):24-27．