工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下控制類課程群體系構(gòu)建與實(shí)踐

魯春燕 李 煒 劉微容 王志文 蔣棟年

工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下控制類課程群體系構(gòu)建與實(shí)踐

魯春燕1,2,3李 煒1,2,3劉微容1,2,3王志文1,2,3蔣棟年1,2,3

（1. 蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2. 甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；3. 蘭州理工大學(xué)電氣與控制工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州 730050）

依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合蘭州理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式，探討控制類課程群體系構(gòu)建與實(shí)踐。圍繞畢業(yè)要求能力達(dá)成，首先構(gòu)建“控制理論與工程實(shí)踐”課程群，明確各課程對(duì)畢業(yè)要求能力達(dá)成的支撐關(guān)系；進(jìn)而制定更新課程群能力型課程目標(biāo)；最后重組優(yōu)化課程群教學(xué)內(nèi)容，有機(jī)融合課程群所承載的知識(shí)、能力與素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維能力。實(shí)踐證明，“控制理論與工程實(shí)踐”課程群對(duì)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生能力的提升收效顯著，對(duì)其他工程類專業(yè)核心課程群的構(gòu)建與實(shí)施有一定的示范與推廣意義。

工程教育專業(yè)認(rèn)證；控制理論與工程實(shí)踐；課程群；構(gòu)建

0 引言

2016年6月中國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國(guó)工程教育認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)了國(guó)際“實(shí)質(zhì)等效性”。當(dāng)前，工程教育專業(yè)認(rèn)證已成為各大高校一流本科專業(yè)建設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)，成為新一輪高等教育改革的熱點(diǎn)[1-6]。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，高校在工程專業(yè)人才培養(yǎng)中應(yīng)秉承“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”的工程教育理念，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)人才培養(yǎng)思維，探索多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式，重構(gòu)專業(yè)課程體系，提升工程人才的綜合創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問(wèn)題的應(yīng)用型工程技術(shù)人才[7]。

課程體系及課程是人才培養(yǎng)的主要載體，是專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心內(nèi)容，關(guān)系到人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)[8]。傳統(tǒng)的課程建設(shè)僅考慮單門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)效果，容易造成資源的重復(fù)建設(shè)和浪費(fèi)[9]。課程群建設(shè)是以多門(mén)相互關(guān)聯(lián)課程為基礎(chǔ)，更關(guān)注課程之間的綜合發(fā)展和整體效率，采用結(jié)構(gòu)體系化改革方式，對(duì)各門(mén)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等進(jìn)行一體化重整優(yōu)化，為學(xué)生的知識(shí)能力結(jié)構(gòu)塑造和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力保障，是進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要支撐。

自2015年以來(lái)，蘭州理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)貫徹工程教育理念，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，通過(guò)重構(gòu)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，變革課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，補(bǔ)足閉環(huán)評(píng)價(jià)方法，探索建立起了基于成果導(dǎo)向教育（outcome based education, OBE）的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)新模式[10]。在此背景下，“控制理論與工程實(shí)踐”課程群教學(xué)團(tuán)隊(duì)先后從課程體系、目標(biāo)、內(nèi)容等方面開(kāi)展了有效的探索與實(shí)踐，為自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)積累了不少成功的經(jīng)驗(yàn)。

1 課程群體系構(gòu)建

1.1 課程群概況

我?！翱刂评碚撆c工程實(shí)踐”課程群包括自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、過(guò)程控制基礎(chǔ)+過(guò)程控制綜合訓(xùn)練及控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真，共計(jì)4門(mén)課程、5個(gè)獨(dú)立開(kāi)設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)，該課程群是我?！凹t柳特色”國(guó)家一流自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)與專業(yè)方向的核心支撐課程。

1.2 構(gòu)建能力導(dǎo)向的“6443”課程群體系

圍繞我校自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成，貫徹工程教育OBE理念，按照循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)原則，采用課程群支撐方式，以現(xiàn)代控制系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化的能力為核心，構(gòu)建“6個(gè)畢業(yè)要求-4類系統(tǒng)-4門(mén)課程-3種模式”能力導(dǎo)向協(xié)同遞進(jìn)培養(yǎng)的“6443”課程群體系如圖1所示。具體包括：工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)6個(gè)畢業(yè)要求；單輸入單輸出控制系統(tǒng)（single input single output control system, SISO-CS）、多輸入多輸出控制系統(tǒng)（multiple input multiple output control system, MIMO-CS）、數(shù)字孿生控制系統(tǒng)（digital twin control system, DT- CS）、實(shí)際復(fù)雜工程控制系統(tǒng)（engineering control system, E-CS）4類控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、控制系統(tǒng)仿真、過(guò)程控制基礎(chǔ)4門(mén)理論課程；模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)字仿真、綜合訓(xùn)練3種實(shí)踐模式。

圖1 “6443”課程群體系

其中：學(xué)科基礎(chǔ)課“自動(dòng)控制原理”，理論授課66學(xué)時(shí)+模擬實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)+仿真實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)，著重解決單輸入單輸出控制系統(tǒng)的原理、建模、分析與綜合的問(wèn)題；專業(yè)核心課“現(xiàn)代控制理論“，理論授課36學(xué)時(shí)+模擬實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，著重解決多輸入多輸出控制系統(tǒng)的原理、建模、分析與綜合的問(wèn)題；專業(yè)必修課“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”，理論授課16學(xué)時(shí)+項(xiàng)目仿真實(shí)踐16學(xué)時(shí)，著重解決學(xué)生利用現(xiàn)代工具仿真模擬設(shè)計(jì)各類數(shù)字孿生控制系統(tǒng)的問(wèn)題；專業(yè)核心課“過(guò)程控制基礎(chǔ)+過(guò)程控制綜合訓(xùn)練”，理論授課48學(xué)時(shí)+工程系統(tǒng)訓(xùn)練2周，著重解決流程工業(yè)復(fù)雜工程控制系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、優(yōu)化等問(wèn)題。同時(shí)，在課程群思政建設(shè)中，堅(jiān)持知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)相結(jié)合，挖掘梳理各門(mén)課程的思政元素，分別從核心價(jià)值、師德風(fēng)范、工程倫理等方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，緊密融合課程專業(yè)知識(shí)教育與思想政治教育，將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體，充分發(fā)揮各門(mén)課程的育人功能。

1.3 構(gòu)建課程群對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

“6443”課程體系中4門(mén)課程5個(gè)環(huán)節(jié)著眼于不同層面的系統(tǒng)，依據(jù)“核心支撐、交叉互補(bǔ)、分層遞進(jìn)”的原則，構(gòu)建課程群對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系見(jiàn)表1，該課程體系不僅為自動(dòng)化工程實(shí)踐提供了堅(jiān)實(shí)的理論框架和知識(shí)體系，更確保了學(xué)生在復(fù)雜控制工程問(wèn)題的模型建立、系統(tǒng)分析、算法設(shè)計(jì)和深入研究等方面能力的有效達(dá)成。

表1 “控制理論與工程實(shí)踐”課程群對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

注：☆表示核心支撐，√表示交叉互補(bǔ)。

2 課程群教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)

為確保畢業(yè)要求與課程群之間的支撐關(guān)系達(dá)成，教學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)真梳理產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求，依據(jù)“理解-應(yīng)用-分析-評(píng)價(jià)-創(chuàng)新”循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)原則，制定更新了課程群17條能力型課程目標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 “控制理論與工程實(shí)踐”課程群各門(mén)課程的課程目標(biāo)

從表2所列課程群課程目標(biāo)可以看出，相較于傳統(tǒng)的知識(shí)型課程目標(biāo)，新的課程群課程目標(biāo)將原來(lái)籠統(tǒng)模糊的知識(shí)型目標(biāo)提升為具體準(zhǔn)確的能力型目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)傳授到能力培養(yǎng)和素質(zhì)固化的轉(zhuǎn)變，不僅強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握與理解，更為重要的是強(qiáng)化應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為課程教學(xué)過(guò)程與改革和達(dá)成情況評(píng)價(jià)指明了方向，也為學(xué)生確立了明確的能力目標(biāo)。

3 課程群內(nèi)容重組優(yōu)化

依據(jù)新的課程目標(biāo)，為確?！?443”課程體系能力目標(biāo)達(dá)成，教學(xué)團(tuán)隊(duì)保留重構(gòu)“機(jī)理-建模-分析-設(shè)計(jì)”等9個(gè)能力型經(jīng)典模塊，有效整合4類系統(tǒng)的冗余教學(xué)內(nèi)容，堅(jiān)決擯棄不符合技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展要求的陳舊內(nèi)容，動(dòng)態(tài)增補(bǔ)符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求的前沿性和時(shí)代性現(xiàn)代控制技術(shù)內(nèi)容，合理增加課程內(nèi)容難度，適度拓展課程內(nèi)容深度，有意識(shí)地延續(xù)、交叉、遞進(jìn)培養(yǎng)和練就解決復(fù)雜控制工程問(wèn)題的能力和高階思維能力。課程群主要內(nèi)容重組與優(yōu)化見(jiàn)表3。

在課程群中冗余的教學(xué)內(nèi)容方面，比如：①響應(yīng)曲線建模法，“自動(dòng)控制原理”僅在一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中，以逆向引導(dǎo)的方式予以建模應(yīng)用，重點(diǎn)由“過(guò)程控制基礎(chǔ)+過(guò)程控制訓(xùn)練”從理論方法到工程系統(tǒng)予以深度完成；②復(fù)雜系統(tǒng)解耦，“現(xiàn)代控制理論”重點(diǎn)解決理論方法層面的對(duì)角解耦、前饋解耦等問(wèn)題，更為實(shí)用的變量匹配解耦則由“過(guò)程控制基礎(chǔ)”完成。課程群內(nèi)容的優(yōu)化融合與整合，既保證了經(jīng)典內(nèi)容的精良保留，也為先進(jìn)內(nèi)容的引入留余了空間。

在前沿性和時(shí)代性現(xiàn)代控制技術(shù)內(nèi)容的補(bǔ)充方面，比如：①“自動(dòng)控制原理”引入了系列工程案例“計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器”和魯棒比例積分微分（proportional integral derivative, PID）控制；②“現(xiàn)代控制理論”延伸了最優(yōu)控制與估計(jì)的思想；③“過(guò)程控制基礎(chǔ)”拓展了推理控制、預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制方法；④“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”則擴(kuò)充了新工具箱的使用，尤其是陸續(xù)增補(bǔ)了人工智能、大數(shù)據(jù)與信息物理系統(tǒng)深度融合的新理論、新技術(shù)與新 方法。

表3 “控制理論與工程實(shí)踐”課程群主要內(nèi)容重組與優(yōu)化

4 實(shí)踐效果

經(jīng)過(guò)6年的探索與實(shí)踐，課程群各課程目標(biāo)與畢業(yè)要求達(dá)成情況一致，表明學(xué)生均能有效達(dá)成所要求的能力，并呈持續(xù)上升態(tài)勢(shì)。由于遞進(jìn)培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題所需的系統(tǒng)原理、數(shù)學(xué)建模、性能分析、綜合優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)方式、測(cè)試手段、仿真工具、調(diào)試技能及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的能力，使學(xué)生在多種學(xué)科競(jìng)賽中成績(jī)突出（“西門(mén)子”杯中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽、“AB杯”全國(guó)大學(xué)生自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用大賽中先后獲得全國(guó)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)6項(xiàng)、二等獎(jiǎng)7項(xiàng)、其他分賽區(qū)一、二等獎(jiǎng)達(dá)40余項(xiàng)），得到了在校生和畢業(yè)生的一致好評(píng)。各課程近三年目標(biāo)達(dá)成情況如圖2～圖6所示。以“自動(dòng)控制原理”課程為例，觀察圖2可以看出，各課程目標(biāo)均能達(dá)成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生相應(yīng)能力的培養(yǎng)。同時(shí)，各課程目標(biāo)達(dá)成情況不均衡，2019秋與2018秋相比，課程目標(biāo)1、2達(dá)成情況明顯上升，2019秋該課程成績(jī)達(dá)到近幾年最好狀態(tài)，雖是持續(xù)改進(jìn)有了成效，但考題類型與以往相似度高也是值得反思的因素。因此，在2020秋考試題目類型調(diào)整中，針對(duì)課程目標(biāo)5（控制器設(shè)計(jì)與優(yōu)化）的題目做了明顯變化，故而課程目標(biāo)5由2019年的0.694下降至0.589，下降了0.105，致使其勉強(qiáng)達(dá)成，這也印證了反思的合理性，同時(shí)也更真實(shí)地反映出學(xué)生課程能力目標(biāo)達(dá)成情況，在一定程度上避免了由于試題同質(zhì)化，僅憑“記憶性知識(shí)”產(chǎn)生的課程能力目標(biāo)達(dá)成情況的虛假性。

通過(guò)橫向?qū)Ρ葓D2中的5個(gè)課程目標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，課程目標(biāo)2、4、5達(dá)成情況較低，尤其是課程目標(biāo)5，因此在今后的教學(xué)過(guò)程中，課程組將持續(xù)豐富線上教學(xué)資源，提高線上自主學(xué)習(xí)的實(shí)效性，提高自主學(xué)習(xí)內(nèi)容的針對(duì)性，強(qiáng)化線下課堂重點(diǎn)講解內(nèi)容，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)模式；針對(duì)課程目標(biāo)5，加強(qiáng)內(nèi)容講解的深入淺出、強(qiáng)化模擬實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證，綜合教學(xué)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)該目標(biāo)的支撐和能力達(dá)成；加強(qiáng)學(xué)情分析，重點(diǎn)關(guān)注各教學(xué)班級(jí)暫時(shí)落后學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以期實(shí)現(xiàn)整體達(dá)成目標(biāo)；在課程結(jié)束后，將每位同學(xué)的課程目標(biāo)達(dá)成情況計(jì)算結(jié)果反饋至學(xué)生本人，以指導(dǎo)學(xué)生有針對(duì)性地對(duì)自身能力進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

圖2 “自動(dòng)控制原理”近三年目標(biāo)達(dá)成情況

圖3 “現(xiàn)代控制理論”近三年目標(biāo)達(dá)成情況

課程群建設(shè)過(guò)程中，“自動(dòng)控制原理”課程先后成為校級(jí)雙語(yǔ)與混合等教學(xué)示范課程、甘肅省精品資源共享課程、甘肅省本科一流課程，并被推薦申報(bào)國(guó)家一流課程，“現(xiàn)代控制理論”課程遴選為省級(jí)一流課程，其余課程均進(jìn)入校級(jí)本科一流或重點(diǎn)課程，課程群建設(shè)水平在學(xué)校乃至省內(nèi)、國(guó)內(nèi)均產(chǎn)生了較大的影響，示范意義強(qiáng)。

圖4 “過(guò)程控制基礎(chǔ)”近三年目標(biāo)達(dá)成情況

圖5 “過(guò)程控制綜合訓(xùn)練”近三年目標(biāo)達(dá)成情況

圖6 “控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”近三年目標(biāo)達(dá)成情況

5 結(jié)論

本文圍繞蘭州理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成，構(gòu)建工程教育專業(yè)背景下“控制理論與工程實(shí)踐”課程群的OBE教學(xué)體系，探索形成層次遞進(jìn)、交叉融合、協(xié)同優(yōu)化的能力導(dǎo)向“6443”體系結(jié)構(gòu)，有機(jī)融合課程間知識(shí)、能力與素質(zhì)目標(biāo)，重組內(nèi)容精良、技術(shù)先進(jìn)的課程內(nèi)容，優(yōu)化控制理論知識(shí)結(jié)構(gòu)，遞進(jìn)協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維能力，提高自動(dòng)化專業(yè)教育質(zhì)量，增強(qiáng)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。

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Construction and practice of control curriculum group system under the background of engineering education certification

LU Chunyan1,2,3LI Wei1,2,3LIU Weirong1,2,3WANG Zhiwen1,2,3JIANG Dongnian1,2,3

(1. College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050; 2. Key Laboratory of Gansu Advanced Control for Industrial Processes, Lanzhou 730050;3. National Demonstration Center for Experimental Electrical and Control Engineering Education, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)

According to the professional certification standard of engineering education and the talent training mode of Automation major in Lanzhou University of Technology, the construction and practice of control curriculum group system is discussed in this paper. Firstly, the course group of “control theory and engineering practice” is constructed around the achievement of graduation required ability, and the supporting relationship of each course to the achievement of graduation required ability is determined. Secondly, the ability-based course objectives are formulated and updated for the control technology curriculum group. Finally, the teaching content of the course group is reorganized and optimized, and the knowledge, ability and quality carried by the course group are organically integrated to develop students’ advanced thinking ability and comprehensive ability of solving complex problems. Practice has proved that the course group of “control theory and engineering practice” has achieved remarkable results in improving the ability of students majoring in automation, and has certain demonstration and promotion significance for the construction and implementation of other core courses of engineering majors.

engineering education certification; control theory and engineering practice; curriculum group; construction

教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教改研究項(xiàng)目（2019A18）

甘肅省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量提高項(xiàng)目（甘教高函[2021]16號(hào)）

甘肅省2020年省級(jí)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（甘教高函[2020]47號(hào)）

蘭州理工大學(xué)紅柳一流課程建設(shè)項(xiàng)目（蘭理工發(fā)[2019]213號(hào)）

蘭州理工大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目（GJ2021C-10）

2022-06-29

2022-08-31

魯春燕（1976—），女，寧夏中寧人，副教授，主要從事控制理論與控制工程方面的研究工作。