“自動控制原理”課程的CDIO模式探索與應(yīng)用＊

莫曉瑾 ， 蔣英鈺

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050；2.長江師范學(xué)院，重慶 408100）

自動控制技術(shù)是廣泛運用于生產(chǎn)過程自動化、工廠自動化、機器人技術(shù)、綜合管理工程、航天工程、軍事技術(shù)等領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術(shù)，對過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，確保安全等目的的綜合性技術(shù)?！白詣涌刂圃怼笔请姎庾詣踊夹g(shù)專業(yè)的核心課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)自動控制理論過程中需要與實踐相結(jié)合，進而達到更佳學(xué)習(xí)效果。在實驗教學(xué)中引入CDIO教育模式，通過設(shè)置以實際工程為對象的實驗內(nèi)容，將不同的專業(yè)課程知識進行系統(tǒng)的整合，全面提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和溝通協(xié)調(diào)能力，為走向工作崗位打下堅實基礎(chǔ)。

1 課程特點及授課現(xiàn)狀

“自動控制原理”屬于一門理論和實踐結(jié)合比較顯著的學(xué)科，對于數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識的要求較高，是很多學(xué)生比較“頭疼”的學(xué)科。傳統(tǒng)教學(xué)方式多以課堂教學(xué)為主，且采用多媒體講解，導(dǎo)致原本晦澀難懂的原理更加難以形象具體呈現(xiàn)給學(xué)生，部分學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，難以掌握所學(xué)內(nèi)容。在這種教學(xué)模式下可能會出現(xiàn)兩種情況：1）成為數(shù)學(xué)課堂，在不同模型和算法的數(shù)學(xué)推理及證明過程中，并且易陷入無窮的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程而忽略培養(yǎng)學(xué)生工程實際應(yīng)用分析問題及解決問題的能力；2）變?yōu)檐浖?yīng)用課，基本原理的證明推導(dǎo)不講，實踐多采用MATLAB軟件驗證教材及習(xí)題答案，卻忽略培養(yǎng)學(xué)生基本數(shù)理分析及推導(dǎo)能力的目標(biāo)，面對實際復(fù)雜的工程問題，缺少靈活思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。此外，由于課程教學(xué)中的內(nèi)容過多、課時過少、師資不足等，導(dǎo)致難以達到預(yù)期學(xué)習(xí)效果。總體來看，在“自動控制原理”課程中過度依賴于傳統(tǒng)教學(xué)方法無法提升教學(xué)質(zhì)量，難以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不能充分挖掘?qū)W生潛能，因此，不利于課程內(nèi)容的掌握。綜合考慮到上述問題，應(yīng)該通過教學(xué)改革對現(xiàn)有的教學(xué)模式進行優(yōu)化，解決課程教學(xué)中存在的以上核心問題。

2 引入CDIO工程教育理念

為了提高教學(xué)的質(zhì)量，為我國現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)更多的高素質(zhì)人才，需要對當(dāng)前的教學(xué)模式進行改革。在教育改革過程中應(yīng)該結(jié)合國內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀來創(chuàng)新教學(xué)理念和教學(xué)模式，積極學(xué)習(xí)國際上比較先進的教學(xué)理念，例如可以將CDIO工程教育模式引入到教學(xué)過程中。

CDIO是2001年由美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典的查爾姆斯技術(shù)大學(xué)、林克平大學(xué)以及皇家技術(shù)學(xué)院等3所高校，共同開發(fā)的一種全新工程教育理念和實施體系。CDIO是英文單詞“構(gòu)思”(Conceive)、“設(shè)計”（Design）、“實施”(Implement)、“運行”(Operate)的縮寫。其中，“構(gòu)思”包括顧客需求分析，技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和規(guī)章制度設(shè)計，發(fā)展理念、技術(shù)程序和商業(yè)計劃制訂；“設(shè)計”包括工程計劃、圖紙設(shè)計以及實施方案設(shè)計等；“實施”特指將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程，包括制造、解碼、測試以及設(shè)計方案的確認(rèn)；“運行”則主要是通過投入實施的產(chǎn)品對前期程序進行評估的過程，包括對系統(tǒng)的修訂、改進和淘汰等[1]。構(gòu)思屬于CDIO模式的首個階段，屬于整個模式實施效果的基礎(chǔ)，旨在于指導(dǎo)學(xué)生獲取到解決問題的基本路徑[2]；設(shè)計階段指的是學(xué)生將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到項目設(shè)計中，在此過程中可以提高自身的動手能力和創(chuàng)新能力，對于學(xué)生實踐能力會產(chǎn)生重要影響；實現(xiàn)和運行階段則有助于培養(yǎng)學(xué)生的管理能力和協(xié)作能力。

一體化課程需要基于典型工作任務(wù)來對課程進行設(shè)計與開發(fā)，依據(jù)工作過程順序來設(shè)計對應(yīng)的教學(xué)活動，在教學(xué)過程中注重學(xué)生的主體地位，致力于培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展教學(xué)活動，同時注重對教學(xué)模式以及教學(xué)理念進行創(chuàng)新，鼓勵學(xué)生動手實踐，真正將所學(xué)知識應(yīng)用到實際工作中。因此，一體化課程的學(xué)習(xí)載體是實際的工作任務(wù)，而項目是CDIO工程教育的主線，二者核心思想是相互統(tǒng)一的。這正符合當(dāng)前新工科背景下應(yīng)用型專業(yè)人才，以及高職技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 建構(gòu)CDIO課程模式及應(yīng)用

根據(jù)CDIO工程教學(xué)理念，把項目作為教學(xué)單元，基于項目式教學(xué)活動為學(xué)生提供實踐的機會，注重提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。通過項目的實施有助于增強學(xué)生的興趣，促使其積極參與到項目活動中，強化自身的創(chuàng)新實踐能力，形成較系統(tǒng)的工程設(shè)計理念和科學(xué)研究思維。根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和認(rèn)知同化理論，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上遵從循序漸進原則，注重局部和整體的有機統(tǒng)一，緊密結(jié)合學(xué)情分析實際情況，以及依據(jù)本?，F(xiàn)有的教學(xué)設(shè)施資源來進行設(shè)計。采取知識的銜接以螺旋上升層層遞進的結(jié)構(gòu)來組合學(xué)習(xí)的內(nèi)容，將“自動控制原理”課程中傳遞函數(shù)及狀態(tài)方程、時域分析、頻域分析、系統(tǒng)穩(wěn)定分析、系統(tǒng)性能校正五個部分的內(nèi)容分解成5個知識模塊，并通過具體的項目來吸引學(xué)生參與，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用到實際項目中。具體的課程項目設(shè)計如表1所示。

表1 課程項目設(shè)計

在構(gòu)思階段主要結(jié)合“自動控制原理”課程在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用進行設(shè)計，注重實踐與專業(yè)理論的緊密結(jié)合，采用現(xiàn)有的實驗平臺為學(xué)生提供真實的實踐場景。教師在此階段需要注重對學(xué)生的引導(dǎo)，讓學(xué)生主動參與到項目中，對于遇到的問題先自行分析和解決，對于解決不了的問題則由教師指導(dǎo)解答。采用這種方式充分發(fā)揮了學(xué)生的主體地位，能夠促進學(xué)生積極思考、動手實踐，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1）設(shè)計階段。教師依據(jù)學(xué)情，通過對項目的分析，圍繞問題創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生進行理解和分析，自行設(shè)計對應(yīng)的方案，然后分組討論并驗證。對于學(xué)生存在的問題教師及時解答，鼓勵學(xué)生自己思考和設(shè)計，動手驗證自己的猜想，同時加強成員之間溝通、探討分析問題能力，最后解決問題。

2）項目實施過程。對每組的設(shè)計方案進行相關(guān)分析，鼓勵學(xué)生不斷測試，驗證設(shè)計的可行性，從而教導(dǎo)學(xué)生體驗項目的開發(fā)過程就是持續(xù)創(chuàng)新的過程，針對自己的假設(shè)進行驗證，分析存在的不足問題?；谶@種方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。同時，在項目的實施過程中體會團隊合作的重要性，認(rèn)識到任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，都會影響到最后的結(jié)果[3]。

3）項目評價。結(jié)合項目中的知識點以及重難點，考核項目結(jié)果。通過知識能力水平掌握程度、團隊溝通協(xié)作、個人演示匯報能力等方面設(shè)計評價表，形成自評、小組互評、教師評價的綜合評價方式。教師也可通過評價過程和結(jié)果查漏補缺，總結(jié)教學(xué)實施過程中可優(yōu)化改進的問題[4-6]。

4 結(jié)束語

通過將上述教學(xué)模式應(yīng)用到實際教學(xué)過程中，工作任務(wù)與授課內(nèi)容的有效結(jié)合使得學(xué)生積極參與到項目中，有助于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，強化其分析問題和解決問題的能力，將所學(xué)專業(yè)知識真正應(yīng)用到動手實踐中。在該模式下，學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力將會得到提升，同時在與同學(xué)以及教師溝通交流的過程中培養(yǎng)了協(xié)作能力。在長期的課程建設(shè)與教學(xué)實踐中，引入CDIO工程教育模式成效明顯，“自動控制原理”課程已經(jīng)具備了相對穩(wěn)定成熟的教學(xué)模式和合理有效的教學(xué)體系，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的不足問題，真正實現(xiàn)了理論知識與動手實踐的結(jié)合，在此過程中形成了多種類型的教學(xué)項目、可操作的評價體系，為日后教學(xué)提供了支持。通過有效組織與實施，強化了過程考核管理，推進和提升了課程質(zhì)量和教學(xué)效果。隨著自動控制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，“自動控制原理”課程內(nèi)容也應(yīng)與時俱進，教學(xué)項目資源的進一步設(shè)計開發(fā)與建設(shè)、項目體系的系統(tǒng)性研究、項目實施過程的合理組織與優(yōu)化，以及對職業(yè)素養(yǎng)重視度的提升都將進一步推進課程教學(xué)改革的深化。