OBE准则下CDIO在实验室建设中的探索

阎 群, 李 擎, 崔家瑞, 柯红岩, 杨 旭, 董 洁

(1. 北京科技大学 自动化学院, 北京 100083；2. 北京科技大学 资产管理处, 北京 100083)

OBE准则下CDIO在实验室建设中的探索

阎 群1, 李 擎1, 崔家瑞1, 柯红岩2, 杨 旭1, 董 洁1

(1. 北京科技大学 自动化学院, 北京 100083；2. 北京科技大学 资产管理处, 北京 100083)

结合中国工程教育的“成果导向教育”(OBE)理念,充分借鉴CDIO工程教育模式,建立了自动化专业实验室。根据OBE的逆向设计原则,设计开发了实验设备和实验内容,加强了实验设备和实验内容的针对性和科学性,基于CDIO理念,将实验实践教学环节分为C-D-I-O 4个环节,强化了学生的动手实践能力和创新能力的培养；在OBE持续改进原则的基础上,建立了实验室的可持续发展模式,并总结了实验室建设中取得的成果。

OBE； CDIO； 实验室建设； 自动化专业实验室

在国家对创新型人才和复合型高级工程技术人才需求大幅增长的形势下,如何培养学生解决复杂工程问题的能力和创新意识已成为全国高校面临的首要问题。教育部开展了诸如卓越工程师教育培养计划[1-4]、CDIO特色专业建设[5-6]、中国工程教育专业认证等多项工程教育改革项目,在不同的程度上着重强调培养学生解决工程实际问题的能力。CDIO工程教育模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程技术,培养学生的工程实践能力和创新能力。而实验室是学生完成实践能力和创新能力培养的重要场所,对提高学生的综合素质、培养学生的实践创新能力具有不可替代的重要作用。我校自动化专业在2009年获批“国家级CDIO特色专业”并于2012年通过验收,2009年获批北京市高等学校实验教学示范中心建设并于2014年通过验收,2013年获批“卓越工程师教育培养计划”,2014年申请工程教育专业认证并于2015年顺利通过,2016年成功申请了北京高等学校示范性校内创新实践基地。历经5年多的探索与实践,自动化专业完成了实践能力和创新意识培养体系的重新构建与实施，以及专业实验室建设,并取得了一系列成果。

1 自动化专业人才培养定位

1.1 人才培养中的复杂工程问题界定

根据工程认证专家意见,结合我校人才培养定位、自动化专业培养目标和行业特色,对符合我校自动化专业的“复杂工程问题”进行了如下界定:

(1) 必须是来源于自动化专业领域的工程实际问题；

(2) 具有非线性、时变性、随机性、不确定性，含有已知和未知干扰,无法用经典方法建立被控对象数学模型的问题；

(3) 必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决的问题；

(4) 存在一定的约束,技术指标要求多,且有可能相互冲突的问题；

(5) 涉及多门课程,无法用单一课程的理论和知识解决的问题。

1.2 解决复杂工程问题需具有的能力

对于以上复杂工程问题,需具有以下几方面的综合能力才能加以解决,具体包含:

(1) 通过观察提出问题的能力；

(2) 通过深入调查、查阅文献,进而独立分析问题的能力；

(3) 综合运用多种理论和技术进行工程设计的能力；

(4) 运用多种技术工具进行工程实践的能力；

(5) 利用多种工具团队协作与交流的能力。

此外,需在工程设计和工程实践过程中体现个人的创新意识。

2 实验实践内容的反向设计

OBE(成果导向教育)是指教学设计和教学实施的目标是学生取得的学习成果[7-9]。OBE评价体系的关键步骤如图1所示。

图1 OBE评价体系的关键步骤

根据1.1节中界定的我校自动化专业复杂工程问题标准,确定应该开设哪些实验实践类课程,即哪些课程需开设实验、哪些课程需配有课程设计、需开设什么实训项目,并确定每一门实验、课程设计、实训所占学时,以及具体的实验内容。经过工程教育认证OBE反向设计后,确定:实验实践类课程比例超过总学时的20%,验证性实验由原来的60%缩减为20%,综合设计性实验由40%增加到60%,并新增了20%的创新性实验,而且每年随着主流技术的更新,适时调整优化一部分实验内容。如2014年,工程教育专业认证提出了解决复杂工程问题的能力后[10-12],本专业在“自动化生产线实训”增加了“基于网络的多容水箱串级控制”和“运动控制系统设计”，优化调整了“转速和电流双闭环双极性PWM调速系统”。

3 基于CDIO的实验室建设

在反向设计的基础上,引入了CDIO模式,即构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运行(operation)4个环节。目的是让学生身临其境了解企业解决工程实际问题的流程与方法,建设流程如图2所示。

图2 OBE准则下实验室建设流程图

3.1 基于CDIO的实验设备研制

在听取企业专家和生产厂商建议的基础上,由专业教师和实验人员共同完成配套实验装置的设计开发,其间充分考虑设备的实用性、先进性、可扩展性,在提出设备的功能、硬件平台、软件平台、系统接口、二次开发环境等要求后,由生产厂商加工完成。目前已设计开发“多质量体弹性扭转控制系统”“基于DSP+FPGA的数字化现代交流调速系统”等配套实验装置15余种、合计100余套。近5年获校级实验技术成果奖特等奖、一等奖和二等奖各1项。2014年11月“大学生电子设计竞赛及学生课外科技创新培训平台”参加第三届高等学校实验教学仪器设备评选活动获得了优秀奖,并受邀展出(见图3)。同时,授权发明专利2项、实用新型专利5项、软件著作权8项。此外,根据实验内容编写了配套实验、实践、实训教材和讲义,目前已正式出版《嵌入式Linux编程与实践教程》等教材6部、《DSP原理与应用实验》等校内讲义5本,已交付冶金工业出版社《工业自动化生产线实训教程》等书稿3部。在2014年北京市高等学校实验教学示范中心验收中,专家认为我校的实验项目和教材建设非常有特色,并在“特色项目”评价中给出了满分10分。

图3 大学生电子设计竞赛及学生课外科技创新培训平台

3.2 联合实验室建设

为了进一步强化学生的工程能力,本专业与自动化主流企业建立了联合实验室,如与TI公司建立了MCU联合实验室，与NI公司建立了虚拟仪器联合实验室，与亚控公司建立了组态王联合实验室,并在相关单位设立了培训基地等。

3.3 成绩激励型实验室开放

在实际的教学过程中,将实验内容中具有较大难度、综合性强的选作任务安排到课外,让学生利用实验室开放时间完成,该部分考评成绩占综合成绩的20%,如“电机及其运动控制”中的基于DSP或FPGA的交流矢量控制系统调速,“自动化生产线实训”课程的水平双容水箱双调速器液位解耦控制等实验内容，都通过实验室开放完成。

该模式充分调动了学生的积极性,学生参与实验实践项目的主动性越来越强,选做实验项目参与比例明显增加,动手能力提升较快。近2年来,实验室开放学时由以前的1 000人时/年大幅跃升为现在的4 000人时/年。

3.4 配套管理制度的制定

为了进一步激发教师工作的积极性,学院层面制定了一系列配套管理制度，如“北京科技大学自动化学院教师工作量考核办法”将实验室开放计入了教学量,“北京科技大学自动化学院实验室开放管理办法”制定了实验室开放流程及预约办法，“自动化学院关于鼓励教师开展教学科研工作的规定”将论文、专利、自制装置、设备二次开发等按不同等级进行教学量折算,并给予相应的奖励。这些制度的实施,在很大程度上提高了教师的工作热情,进而使整个实验室建设和实验实践类课程教学效果迈上了一个新的台阶。

4 建设成效检验

近5年我校自动化专业学生学科竞赛省部级以上获奖超过了150项、SRTP项目获国家级奖项10余项、学生授权专利13项、软件著作权7项,就业率达98%,用人单位反馈我校毕业生综合竞争力排名为前10%。

4.1 在校学生的评估与测试

经过实验内容的改革和考核机制的调整,在很大程度上提高了学生的学习兴趣,学生参与实验实践项目的主动性越来越强,选做实验项目参与比例明显增加,动手能力提升较快。近2年,实验室开放学时由以前的1 000人时/年大幅跃升为现在的4 000人时/年。

工程教育认证专家组在2015年10月进校考查期间,通过观摩学生实验课和在校生座谈与测试,认为绝大多数学生已经具备了解决复杂工程问题的能力,处于国内领先水平。

4.2 科技竞赛获奖

据不完全统计,近5年共获得国家级奖项100余项、省部级奖项150余项。其中,获全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛、全国大学生“西门子杯”工业自动化挑战赛、全国大学生机器人大赛、全国智能设计大赛、全国大学生计算机博弈大赛等全国性竞赛特等奖10余项、一等奖30余项、省部级一等奖68项。如图4所示,在校学生省部级以上学科竞赛的获奖比例达到本专业学生总数的32.97%。

4.3 大学生SRTP创新创业与研究成果

在校学生参与大学生SRTP科技创新创业项目的参与度大大提高,达到了65%,在验收后,国家级获奖10项、北京市级获奖15项,基于SRTP成果注册了“北京满井智信科技发展有限责任公司”等科技公司,孵化出了北京科技大学自动化学院“教师业绩考核系统”“EI/SCI论文检索与认领系统”等许多优秀成果。近5年,授权与SRTP项目紧密相关的专利15项、软件著作权7项、发表论文12篇。

4.4 毕业就业率及就业质量

本专业本科生就业率和就业质量有了显著提高,就业率达到了98%,就业领域主要分布在国家电网公司、华为、宝钢、三一重工、国家建设银行、搜狗、爱奇艺、西门子、ABB等国内外知名企业。近3年用人单位的调查问卷及2015年工程教育专业认证时用人单位座谈,均认为我校毕业生综合竞争力位于同届入职员工的前10%。

图4 在校学生科技竞赛获奖统计

4.5 实验室建设的示范作用

2014年德国工程师协会、日本高知工科大学等国外科研机构和高校参观了我院CDIO实验室。在2015年第二届全国自动化专业“卓越工程师教育培养计划”经验交流暨工作研讨会上,教育部教学指导委员会秘书长、清华大学自动化系张佐教授多次表扬了我校自动化专业在培养解决复杂工程问题能力方面的工作,包括培养体系的构建和CDIO教学模式的实施。之后,许多高校慕名参观我院的北京市高等学校教学示范中心或了解我院的工程教育专业认证情况。主要有电子科技大学自动化工程学院雷霖教授、中国石油大学(华东)信息与控制工程学院王宇红教授、河北工业大学控制科学与工程学院杨鹏教授、北京信息科技大学自动化院张奇志教授、华北理工大学张瑞成教授、北方工业大学电气与控制工程学院孙德辉教授、南通大学电气工程学院堵俊教授、内蒙古科技大学信息工程学院崔桂梅教授、北京邮电大学世纪学院周晓光教授等。

5 结语

以培养学生解决复杂工程问题能力为核心,通过抽取3种工程教育理念中共有的特征,并在充分考虑了企业需求的基础上,结合我校人才培养定位和自动化专业特色,构建了我校自动化专业实验室和实践能力与创新意识培养体系。首先,确定了什么是我校自动化专业的复杂工程问题和解决复杂工程问题能力的特征。然后,基于OBE原则和“卓越工程师教育培养计划”的能力支撑矩阵,设计了实验实践类课程体系和实验实践内容,并在此基础上自主研发了配套实验装置和教材。在教学实施过程中,则引入了CDIO教学模式和现代化教学手段和方法,并提出了成绩激励型实验室开放策略。通过上述的实验室建设和改革,学生解决复杂工程问题的能力明显增强。

虽然取得了一些成绩,但随着国家对高素质复合型工程人才需求的快速增长,我校将结合当前国际国内的工程前沿问题,不断优化更新实验室建设理念和“面向解决复杂问题的自动化专业实践能力培养体系”,进一步提高我校自动化专业毕业生的核心竞争力。

References)

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Exploration on CDIO in laboratory construction under OBE criteria

Yan Qun1, Li Qing1, Cui Jiarui1, Ke Hongyan2, Yang Xu1,Dong Jie1

(1. School of Automation, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Administration of Assets Management, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Combined with the idea of OBE (Outcome-based Education) in Chinese engineering education, and by fully drawing on CDIO (Conceive, Design, Implement and Operation) engineering education mode, a laboratory for Automation majors is established. According to the principle of OBE’s reverse design, the experimental equipment and experimental content are designed and developed so that they can be more scientific and targeted. Based on the idea of CDIO, the experimental and practical teaching process is divided into the four sections of C-D-I-O, which has enhanced the training of the students’ hands-on practical ability and innovative ability. On the basis of OBE continuous improvement principle, the substainable development mode for the laboratory is established, and the achievements in the laboratory construction are summarized.

CDIO; laboratory construction; laboratory for Automation major

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.058

2017-02-14 修改日期：2016-02-27

北京市高等教育教学改革面上项目(2014-ms028)；北京市视频共建课项目(GJ201506)；中央高校基本科研业务费实验室专项(FRF-OT-012SY)；北京科技大学教育教学改革与研究重点项目(JG2014Z01)

阎群(1970—),女,陕西华县,博士,讲师,主要从事电工电子技术实验、自动化生产线实训、电动汽车与新能源控制系统、智能控制等方面的教学与研究工作.E-mail：elec_experiment@163.com

G482

B

1002-4956(2017)08-0231-04