《分布式控制系统》课程的工程化教学模式研究

赵宝永

摘要：在就业压力逐年增大的形势下，符合社会和企业需要的工程应用型人才却严重短缺，需要高校不断强化工程化教学，培养具有较强工程能力的技术人才。本文研究将CDIO工程教育培养模式和方法引入分布式控制系统的课程教学过程中，全面增强学生对课程的系统认识，优化教学大纲内容，并融入工程化教学理念，注重培养学生的工程实践能力。

关键词：《分布式控制系统》;工程化;教学模式研究

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）22-0135-02

一、背景

近年来，高校毕业生规模逐年加大，就业形势面临多重压力。虽然毕业生人数众多，但仍存在着“求职难”和“用工荒”并存的尴尬局面。在科学技术日新月异的社会环境中，符合社会和企业急需的工程应用型人才严重短缺已成为不争的事实，成为制约毕业生就业和用人单位招聘的现实矛盾。这就需要高校进一步加大工程应用型人才的培养力度，改进教学模式，不断强化工程教育理念，根据社会用人需求优化课程教学大纲内容，着力培养学生的工程实践能力。

目前，高校开始更加重视工程教育，以解决学生工程应用知识面狭窄、学习缺少自主性和创造性、缺乏适应社会生存和成长的团队合作精神和交流沟通能力等问题，更加注重强化学科教育和工作实践相结合，培养学生系统深厚的应用技术实践能力[1]。在20世纪80年代和90年代，为应对工程技术人才短缺和工程教育质量不能适应社会用人需求的问题，众多国家掀起了工程教育改革的浪潮，CDIO工程教育成为影响最广泛、接受国家最多的一种教育模式[2]，其独特的培养模式和方法在高等教育中得到了普遍推广，收到了很好的教学效果。

在现代工业发展中，分布式控制系统是过程自动控制的一种主流系统，是控制工程师必须掌握的基本技能之一。《分布式控制系统》课程是高校信息类学生的一门专业课，其主要依托于控制论、信息论、系统论的知识体系基础，内容涵盖了自动控制原理、计算机控制系统、智能控制技术、通信工程以及工程设计技术等方面的知识，是一门系统性强、理论和实践体系明晰的课程，教学目标着眼于培养学生的工程设计与应用能力。结合该课程所具有的明显的工程应用背景，使其更加适用于工程化教学。课程围绕分布式控制系统的概念、特点、结构、原理，主要讲授硬件配置、软件组态，以及操作、维护、安装调试等方面的知识，要求学生掌握各类网络拓扑结构在分布式控制系统中的应用，培养学生利用各类知识掌握分布式控制系统的工程化设计的基本过程。由于该课程具有较强的专业技术性，课程学习的前沿知识面较广，学生理解理论较难，通过理论学习上升到实践更加具有挑战性。传统的课程讲授主要是从计算机控制系统开始，循序介绍硬件结构、软件组态、控制算法、通信原理等内容，通过实验对知识进行融会贯通，学生的工程理念难以建立，知识体系框架容易零散，工程能力的培养无法提升到应用实践层面。

二、工程教育教学理念

工程教育的目的是在学生从事职业前培养其具备较好的工程能力和深厚的技术基础知识，为学生成为社会所需、实践能力强的合格工程师提供专门技术、社会意识和创新精神等方面的学习教育。因而对课程进行工程化教学模式的研究具有重要的意义，将有利于对学生进行系统化的工程能力培养和知识体系构建。在工业技术、可持续产品、过程和系统的复杂环境中，知识、能力和态度的结合是加强高效、创业和卓越所必需的必要因素[3]。CDIO（conceive—构思、design—设计、implement—实施、operate—运行）便是2004年由美国马萨诸塞州剑桥的麻省理工学院、瑞典哥德堡的查尔摩斯工业大学、斯德哥尔摩的皇家理工学院、林雪平的林雪平大学等四所高校在沃伦伯格基金会资助下共同开发和实施的一种全新工程教育理念和实施体系[4]。这种教育模式以CDIO教学大纲和标准为基础，通过主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式使学生易于学习和获取工程能力，培养学生的科学与技术知识、终身学习能力、交流和团队工作能力[3]。“构思”阶段主要包括确定顾客需求，考虑技术、企业战略和有关规章制度、发展理念、技术和商业计划;“设计”阶段集中在创建设计，主要包括计划、图纸和描述产品、过程和系统实施方案设计等;“实施”阶段指完成从设计方案到产品的转化过程，包括硬件制造、解码、软件编程、测试和验证，以及设计方案的确认;最后的“运行”阶段则主要是用投入实现的产品、过程和系统对前期程序进行评估的过程，为用户提供预期的价值，包括对系统的维护、改进、回收和淘汰等[1][3]。

三、工程教学模式下的课程设计

CDIO工程教育教学模式没有固化的规定，但应建立具体的由相互支持的技术领域和个人、人际交往能力以及产品、过程和系统的建造能力等高度交叉的能力所组成的课程计划，使学生能够通过现代工程实践获得丰富的设计实践经验[3]。CDIO教学模式以培养学生的全面发展为核心，教育学生明确如何在社会工作中，围绕团队工作环境的变化，构思、设计、实施、运行复杂、高附加值的产品、过程和系统。本文对教学内容组织和工程化教学大纲进行研究设计，从教学导向上解决工程理念在学生实操能力中的根植问题。

1.教学内容组织。在教学内容组织过程中，要着重做好以下四点：一是既要将“分布式控制系统”课程内容与控制论、信息论、系统论等学科基础理论相衔接，又要将自动控制原理、计算机控制系统、智能控制技术、通信工程以及工程设计技术等先导课程的内容进行横向与纵向的连贯设计，充分体现CDIO模式中关于集成课程设计的理念。二是选择精品教材，在进行理论教学过程中，注重加强工程科学基础知识的讲授，拓展工程专业知识内容;同时，结合现代工业技术领域的新理论、新技术、新产品来设计实践与应用教学内容，并随着工程技术的发展演变及时更新教学内容[6]。三是开展一体化学习经验教学，教师在授课过程中要注重培养学生的情商和沟通技能以及工程设计的能力，在生产实习、毕业设计等教学环节中要有意识地聘请企业专家、一线工程师指导学生的学习活动，让学生充分参与到实践教学内容的设计中。四是培养学生主动学习，教师在授课过程中要主动营造轻松愉快、积极活跃的课堂教学氛围，注重发挥教师的主导作用，调动学生学习过程中的积极性，提高学生的学习兴趣，鼓励学生主动学习。endprint

2.工程化教学大纲设计。CDIO工程化教学大纲的设计，应给出4个层次的具体内容：“技术知识与推理”、“个人能力、职业能力和态度”、“人际技能、团队工作和沟通”、“在企业和社会环境下，系统的构思、设计、实施和运行”[3][5]。

在“技术知识与推理”层面，主要包括相关科学知识、核心工程基础知识、高级工程基础知识三方面内容。相关科学知识可细分为计算机文化基础、计算机控制技术、自动控制理论、控制工程基础、数据通信技术等。核心工程基础知识可细分为：体系结构，包括硬件（现场控制站、操作站、冗余技术、系统通讯设备、典型的分布式控制系统构成事例）、软件（软件概述、控制层软件、监督控制软件、组态软件、典型分布式控制系统软件应用分析）;控制算法（PID控制、前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、选择性控制、串级控制、均匀控制、比值控制、推断控制、顺序控制等）;数据通信（基本概念、网络标准、网络协议）;性能指标（可靠性、易操作性、可组态性、安全性、提高系统利用率的措施）。高级工程基础知识可细分为：软硬件组建（硬件选配、软件选配）;工程设计（图形符号和文字符号、工程设计流程、安装调试与验收、典型分布式控制系统工程应用）。

在“个人能力、职业能力和态度”层面，研究加强工程推理和解决问题的能力培养方面的设计，通过以换热器、精馏塔、锅炉、管式加热炉、变换炉、薄页纸生产线、轧钢过程等实际工程实例为研究对象，以工程分析的方式培养学生发现问题和表述问题的能力，通过模型构建、定性分析等手段，研究解决工程问题的方法。在“人际技能、团队工作和沟通”层面，结合生产实习、课程设计、毕业设计等环节，引导学生自主建立学习团队，明确任务分工，选择一个分布式控制目标对象，通过团队协作方式，完成对研究对象的分布式控制策略设计。在“在企业和社会环境下，系统的构思、设计、实施和运行”层面，培养学生感悟工程职业目标和角色内涵，增强学生的工程师社会责任感，使学生认识社会企业的运行机制、企业文化、企业战略规划等，系统地教授学生如何完成一项工程设计的构思、设计、实施、运行等全过程。

参考文献：

[1]王坤，罗云林.基于CDIO的《控制理论与工程》课程综合改革研究[J].教育教学论坛，2014，（48）：114-116.

[2]张慧平，戴波，刘娜，张立新，王凤全，魏文渊.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（增刊）：138-141.

[3]克劳雷，等.重新认识工程教育——国际CDIO培养模式与方法[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版社，2009.

[4]王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究，2009，28（4）：116-119.

[5]刘会英，盖玉先，徐宁.探索适合我国国情的CDIO工程教育模式[J].实验室研究与探索，2011，30（7）：106-110.

[6]潘庭龙，沈艳霞.CDIO模式下“运动控制系统”课程教学体系研究[J].中国电力教育，2009，（151）：129-130.endprint