基于CDIO的控制类课程教学改革探索

魏利胜，郭兴众，陆华才

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖　241000)



基于CDIO的控制类课程教学改革探索

魏利胜，郭兴众，陆华才

(安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖241000)

在工程教育理念下，进一步贯彻落实国家大学生卓越工程师培养计划，提高控制类课程教学质量，围绕“工程实践”型人才培养模式，以安徽工程大学控制类课程建设为例，对理论教学、实验教学等方面的一些经验进行了总结，以探索工程化教学模式，为培养具有创新精神的应用型人才奠定基础。

CDIO；控制类课程；教学策略；培养模式

一　引言

中国工程教育协会自2006年开展工程教育专业认证试点，已初步建立了高校专业工程教育认证体系。[1]其目的是为了保证和提高我国高校工程教育质量、推动工程教育改革、推动工程教育与工业界的联系、促进工程教育国际化，为我国高校工程类学生日后走向世界提供具有国际互认的质量标准“通行证”，也为广大工科学生未来的工程执业提供便利。为适应高校工程教育认证的发展形势，满足工程教育改革深入推进的需要，中国工程教育协会要求学生毕业时能将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于分析复杂工程问题，设计满足特定需求的复杂工程问题解决方案；在培养学生课程体系建设过程中，基础类课程和专业核心课程能体现数学和自然科学在各工程类专业应用能力培养，要求专业核心课程能够体现系统设计和实现能力的培养，实践类课程要求结合各专业工程实际问题，以培养学生的工程意识、团队协作精神以及解决实际问题的能力。[2]

然而，我国当前工程教育形势不容乐观，培养目标、定位趋同培养特色不鲜明，还未形成科学、完善的工程人才培养体系和机制；另外教师队伍缺乏一定工程背景，且在工科大学教师队伍中，80%到90%的教师没有工程经验但具有高学历；此外，各课程体系对培养目标支撑力不强，专业核心课程教学内容与实际联系不紧密，缺乏针对工程应用及创新能力的培养；而且，授课方式不灵活，主要采用传统课堂灌输式教学模式为主，缺乏互动，实践环节的目的、目标不明确，生产实习流于形式。

在教育部公布的2016年工作要点里，明确提出各高校要“坚持中国特色、一流标准，统筹推进世界一流大学和一流学科建设的组织实施”。[3]为此，我校自动化专业组织专家重新修订控制类课程教学大纲和课程体系结构，建立课程群组，优化调整各知识点的学时分配，并提高实践环节内容设置和所占学时比例，引入当前国内外备受关注的CDIO模式，即把“构思(Conceive)——设计(Design)——执行(Implement)——运作(Operate)”作为工程教育的环境背景，构建控制类专业课程体系(如图1所示)，在教学过程中，以课堂和项目相结合的方式进行主动学习，改用启发式的教学模式，增加实际案例讲解，同时聘请企业专家参与实践环节，创建适应新形式发展需要的新课程体系，使学生明确课程教学服务国家战略需要和行业需要，达到预想的学习目标，具有十分重要的意义。

图1　 控制类课程总体系

二　课程教学内容设置

我校自动化专业开设了《自动控制理论》《现代控制理论》《智能控制理论》《控制系统CAD》《计算机控制系统》《电机与运动控制系统》等控制类课程，在各课程教学大纲制定过程中，由教学经验丰富、业务水平高的教师担任组长，组织大家进行调研、讨论，起草培养目标，并聘请企业专家进行评审，充分考虑行业需求，改革教学内容，选配授课老师和实验器材，并依据年度学生考核情况和产业发展，动态调整教学内容；采取培训、引进人才、聘请客座教师等措施，优化师资队伍结构，建立高水平的师资队伍保障体系。鼓励教学效果好的老教师给每一位初次上课的年轻教师进行教学辅导，严格把关各个教学环节，促进教学水平的整体提高。课程教学模式采用学生为中心、社会需求为导向、持续教学改革为手段，目的在于强化学生工程能力和实践创新能力的培养，以期能够主动服务于国家和地方经济建设。[4]为适应我国产业发展和结构调整，教学内容增加实践课时比率，以及与实际工程问题的联系紧密性。在构思和设计阶段，注重理论教学，让学生学会利用系统的眼光思考被控对象，为实践打下厚实基础；在设计和执行阶段，强化仿真能力，结合Matlab软件，对所学理论加以验证；最后，在执行和运作阶段，加深实践动手能力培养，将理论应用到实际系统中。

在理论教学过程中，为了避免过分强调某一门专业课程的完整性和独立性，而忽略了各专业课程之间内容衔接和整体优化，使得学生不能驾驭整个知识体系，严重影响了控制类课程教学效果的提高和专业人才培养的质量，为此有必要对控制类课程体系进行更系统、更深层次的教学改革，按照“系统建模-性能分析-控制器设计”的体系结构制定出理论教学大纲，对各单课程内容按照表1进行组合和整体优化。[5]为强化理论教学对培养目标的支撑力度，增加实际工程问题的联系紧密性，调整离散系统与非线性系统的课时比率，强调学生从控制系统整体角度考虑问题，为日后学习《计算机控制系统》课程奠定基础，让学生掌握采样控制系统中信号采样和复现，A/D与D/A转换及其典型结构图，离散系统描述及其控制方法；理论教学内容从简单到复杂、对象从线性到非线性的循序渐进的过程，避免学生初学时产生厌恶情绪。

同时，教师还要充分利用多媒体和网络公开课等手段对授课内容进行形象化处理，给学生以直观上的感受，启发学生的求知欲，锻炼学生的观察力。教学过程中，为训练学生的创新思维能力，运用任务驱动教学方法，[6]通过对单级倒立摆系统控制任务的分解和讨论，考虑到倒立摆是不稳定、非线性、强耦合系统，其控制方法在军事、航天、工业控制领域中有着广泛的用途，使学生带着真实的任务在探索中学习，进而被消化、吸收，并掌握实际对象“建模——分析——设计——校正”的整个控制过程，验证所学控制理论的实际效果，并撰写详细的实验过程记录。

表1　控制类理论教学内容和课时安排表

通过重新优化课程体系结构和教学内容，适当精简理论教学内容，调整理论学时和实践学时比例，引导学生“学中做、做中学”，培养学生从实践中发现问题、在解决问题时创新能力

三　实验内容设置

在仿真与实践环节，为贯彻落实《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》和《教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》精神，加大培养学生实际动手能力、工程实践能力及开发创新能力的培养力度，强化实践教学环节，对实践内容进行层次化设计，拓展学生的动手能力。针对学生缺少对理论和方法的感性认识，采用导师制形式，课外时间辅导学生对工程训练软件-Matlab和控制系统CAD(教材选用王海英主编：控制系统的MATLAB仿真与设计)的自主学习，巩固学生对控制系统分析的理解力和综合设计能力；同时，引导学生积极参加各类大学生科研实训项目和大学生创新创业计划项目，吸纳有兴趣的学生参与授课教师的科研活动，提高学生科学研究能力和工程实践能力。

一方面，为了让学生更好的理解控制理论类课程的培养目标和熟练的实践操作技能，其实验安排始终贯穿于理论课程教学全过程，仿真和实验体系结构也按照控制系统建模、分析以及设计为主线，最大限度地突出实践技能培养，锻炼学生动手能力和解决问题的能力；[7]同时，为保证实践环节教学质量，教师提前布置实践内容，并要求学生在实践前形成预习报告，培养学生独立完成能力；实践教学过程中全程答疑辅导，并对每位学生实践情况分别记录，以便掌握每位学生的理论学习程度，并反馈给理论授课教师；实践教学环节结束后按照要求上交实践报告，主要包括：实践名称和目的、具体实践内容、所采用的方法及步骤、实践取得的结果及个人心得，在巩固学生的理论知识同时也提高了学生的语言运用能力和撰写能力。

另一方面，自行开发/焊接具有控制系统需要验证的各种典型环节模块、信号发生器模块等，引入工程实例，构建闭环控制系统，如电动机位置反馈控制、计算机恒温箱的加热控制等，使学生加深对知识的理解和灵活运用。同时，组织学生参加“挑战杯”“电子设计”“飞思卡尔”等各类学科竞赛，并为这些学生配备指导教师，提供实践场所和经费支持，并组建博客，将这些同学的经验与其他同学共同分享。同时建构多层次的实践教学平台，强化综合实验室、产学研实习基地建设，按照“基本能力-实践能力-综合能力”的实践教学培养体系，并对新的控制类课程培养方案的实施情况进行跟踪评议，实时反馈信息，并对培养方案进行修改和完善。

最后，在实践体制建设方面，考虑到实践教学体系的建设关系到人才培养的质量，为了实现实践教学与理论教学的有机结合，以能力培养为核心，体现实践教学注重能力、个性及创新意识培养的基本原则，在实践教学体系建设上根据学生不同阶段的学习状况，采用分阶段实验教学体系。鼓励学生积极进入我校与中能鑫龙电器股份有限公司合建的国家大学生创新实践基地，这也为学生开展课外科技创新实践活动提供了一个良好的软硬件环境。

四　结束语

综上，控制类课程作为功课相关专业的专业核心课程，其教学质量影响学生的就业及在该专业方向上的发展。我校控制类教学借鉴国内相关高校成功改革经验，以学生工程实践能力和创新能力培养为焦点，修订教学大纲，将相关课程内容组合优化，充分调动学生学习的能动性，并取得了一定的突破。我校将在现有教学资源基础上，以CDIO模式继续推动控制类课程教学大纲、教学方法的改革，紧密围绕“卓越工程师培养计划”的重点和“工程教育专业认证”的目标，积极寻求自动化专业人才培养中所存在问题的有效解决途径，为培养敢创新的高质量人才不断努力。

[1]龚克. 关于卓越工程师培养的思考与探索[J]. 中国大学教学, 2010,8: 4-5.

[2]林健. 卓越工程师教育培养计划专业培养方案研究[J]. 清华大学教育研究, 2011, 32(2):47-55.

[3]陈珍萍, 黄友锐, 刘淮霞, 唐超礼.自动控制理论课程教学改革[J]. 电气电子教学学报, 2015, 37(4):38-41.

[4]严刚峰. 自动控制理论教学内容组织与教学方法初探[J]. 实验科学与技术, 2015, 13(5):200-202.

[5]刘镇章, 陈从桂, 李东炜. CDIO 自动控制理论课程的探讨[J]. 当代教育理论与实践, 2012, 4(7):49-50.

[6]王立红. 任务驱动法在自动控制理论课程教学中的应用[J]. 辽宁工业大学学报(社会科学版), 2014, 6(6):127-128.

[7]尤文斌, 丁永红. 自动控制理论实验教学研究[J]. 中国教育技术装备, 2011, 231(9):109-110.

Class No.:G642.0Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

Reform of Control Theory Curriculum Teaching Based on CDIO Mode

Wei Lisheng, Guo Xingzhong,Lu Huacai

(School of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000，China)

This paper discussed issues of improving the teaching quality of control theory curriculum and implement the national excellent engineers training plan for undergraduate based on the concept of engineering education . With a brief introduction to the development of national excellent engineers training plan model, this paper probed into the construction of the curriculum group of control theory in Anhui Polytechnic University . Finally, the experience of the course construction such as theory teaching, practice teaching mode is summarized. Through the exploration of engineering education mode, the foundation is laid for training advanced engineers with innovative spirit.

CDIO;curriculum group of control theory;instructional strategy;training mode

魏利胜，博士后，副教授，安徽工程大学。研究方向：控制科学与工程，网络控制系统等。

本文得到安徽省2015省级质量工程项目(项目编号：2015jyxm177)、2015年安徽工程大学校级本科教学质量提升计划重点项目(项目编号：2015jyxm09)以及安徽工程大学本科教学质量提升计划项目(项目编号：2013JCJXZZ03)的资助。

1672-6758(2016)06-0031-3

G642.0

A

郭兴众，硕士，教授，安徽工程大学。研究方向：智能控制，微电网等。

陆华才，博士，教授，安徽工程大学。研究方向：电机与拖动，自动控制理论等。