工程教育专业认证背景下的计算机控制技术实践教学

李敏艳 张继勇 杨 鹏

扬州大学水利与能源动力工程学院 江苏扬州 225127

工程教育专业认证是实现工程教育国际化的重要标志，也是我国高等教育改革的重要举措[1]。为配合我院电气工程及其自动化专业的工程教育专业认证申请，支撑培养目标和毕业要求的达成，专业课程教学体系建设尤为重要。因此，在课程中引入新的教学模式，如PBL，CDIO等，更新教学方法，构建多元立体化实践教学模式是当务之急。

1 基于PBL/CDIO的教学模式简介

计算机控制技术是计算机技术与控制技术在工业应用中发展成熟而产生的一门新兴学科。旨在让学生通过软、硬件和控制算法的学习完成计算机控制系统的设计与工程实现。将工程教育专业论证的基本理念应用于课程教学改革中，探索将PBL和CDIO相融合的多元立体化教学模式将有助于提高毕业生解决复杂工程问题的能力和就业竞争力。

PBL教学强调以问题为引导，CDIO教学侧重过程实践[2]。以“项目为导向”组织教学，通过任务驱动，将计算机控制系统的分析方法和设计方法引入教学过程中。以学生为主体，鼓励学生自主学习、团队协作等，运用启发引导、任务引领、问题导向、分组讨论等多种互动式教学方法[3]。可见这种PBL/CDIO相结合的模式在保证实现学习目标的同时，还能不断完善和修正实践过程。

2 PBL/CDIO教学模式的实施

2.1 课程内容与教学进度安排的改革

计算机控制技术教学具有一定的广度和深度。为实现课程的多元立体化教学，其课程体系划分为课堂教学、基础实验、课程设计以及专业综合课程设计4个进程(如图1所示)。这4个进程环环相扣、分层递进。各进程包含的关键问题前后呼应，互相验证。学生在不同阶段采用不同的方法完成案例的实施，从多方面、多角度深入掌握知识点。

2.2 基于PBL/CDIO的实践教学开展进程

2.2.1 基于PBL/CDIO的课堂教学开展

结合授课内容，根据专业特点和工程教育培养方向选择了数字PID控制的参数整定方法、电炉温度控制算法比较及仿真研究等6个案例。案例的提出与课程的重点和难点密切结合，以学生自主学习为中心，将提出问题、分析问题、解决问题、反思与应用等连续递进的过程穿插于理论教学中。同时，借助于校园网中的网络教学平台，学生与教师之间、学生之间可以随时展开交流和讨论。学生通过小组合作的形式开展项目实施，最终以PPT形式进行汇报讨论及总结。这种PBL/CDIO的教学模式收到了良好的教学效果，极大地激发了学生自主学习的积极性，学生的实践创新能力和团队合作精神得到了较好的提升。

图1 计算机控制技术实践教学体系

2.2.2 基于PBL/CDIO的实验教学实施

实验教学是培养学生实践创新能力的一个重要途径。安排了与理论密切关联的数字PID控制、直流电机闭环调速控制系统设计和实现等4个实验。教师通过网络教学平台布置任务，学生做好预习准备。在“TD-ACC+”实验系统上搭建由控制计算机、被控对象和信号源等组成的计算机控制系统，实现相关的控制要求[4]。最终以成果验收和实验报告的形式完成考核。

表1 计算机控制技术相关的4个毕业要求指标点

2.2.3 基于PBL/CDIO的课程设计实施

课程设计是培养工程实践能力的一个综合全面的过程。针对计算机控制系统的特点，选择了位置型/增量型PID、最少拍控制、大林算法、串级控制等8种控制算法，结合电炉温度、水箱液位、直流电机和步进电机4类被控对象，搭建完整的计算机控制系统。课程设计进程分Simulink仿真设计与控制系统搭建两部分[5,6]。仿真设计侧重于对控制算法的理解和巩固，而控制系统搭建侧重于系统的软硬件联调。从报告中可以看出，学生对课程设计的评价非常满意，绝大多数学生掌握了计算机控制系统的设计方法和实施过程。

2.2.4 基于PBL/CDIO的专业综合课程设计的探索

我院电气工程及其自动化专业培养方案课程体系中增设了3周的专业综合课程设计。在控制类课程群基础上设计了基于LabVIEW的水箱液位控制系统等4个项目。它对课程间的知识、方法、问题进行了整合，使之相互照应，渗透互补；同时也促进了课程结构的优化，实现了从课程到后续毕业设计的良好过渡[7]。

3 课程对毕业要求达成度评价

表1为计算机控制技术相关的4个毕业要求指标点，包括问题分析、设计/开发解决方案、研究和使用现代工具4个方面。

分别以2017届电气1301班、2018届电气1401班的计算机控制技术考试成绩作为样本。已知考试成绩总分为100分，其中电气1301班考核支撑毕业要求指标点2.2、指标点3.1、指标点4.3和指标点5.2的成绩分别为25，21，23和31分；电气1401班考核支撑毕业要求指标点2.2、指标点3.1、指标点4.3和指标点5.2的成绩分别为28，23，20和29分。样本中所有学生在各指标点的平均得分见表2。

表2 计算机控制技术支撑毕业要求评价基础数据

已知计算机控制技术对指标点2.2、指标点3.1、指标点4.3和指标点5.2达成度的目标值分别为0.2，0.2，0.2和0.3，则各指标点的评价值=达成目标值×(该指标点的平均得分÷该指标点的考核分值)；达成度=最终评价值÷达成目标值[8]。由此得到计算机控制技术对毕业要求达成度评价结果(见表3)。

表3 计算机控制技术对毕业要求达成度评价表

计算机控制技术课程的各毕业要求评价结果达成度标准设定为“达到0.60为评价合格”。从表3的结果可见，各毕业要求指标点均合格，计算机控制技术课程在教学内容、方法和考核方式等方面合理、恰当。学生对本专业的基础知识掌握较透彻，同时能够较灵活地应用所学基本理论分析和研究问题，并且具有一定的改进能力。但面临复杂工程问题时，学生在建模、仿真预测和综合性设计等方面存在一定缺陷，以后应在课堂和实践环节中加强相关训练，鼓励学生参加各类科技创新实践活动和设计大赛，注重工程思维，最终实现培养目标的达成。