工程教育专业认证背景下的《自动控制原理》课程教学改革研究

杨光仪　李然　于乐　周永勤

摘  要：工程教育专业认证的主要理念，是以全体学生为中心，以成果为导向的教育模式。文章以哈尔滨理工大学电气与电子工程学院开设《自动控制原理》课程为例，提出了明确课程目标、整合教学内容、多元化教学方法、细化考核环节、加强持续改进等措施，更好地启发学生的思维，培养学生的创新能力和工程实践能力，从而改善教学效果。

关键词：工程教育;自动控制;专业认证;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）15-0113-03

Abstract： The main concept of engineering education professional certification is a result-oriented education mode centered on all students. This paper takes the course of "Automatic Control Principles" from the School of Electrical and Electronic Engineering of Harbin University of Science and Technology as an example， and proposes measures to clarify the objectives of the course， integrate teaching content， diversify teaching methods， concrete the assessment， and strengthen continuous improvement. Better inspire students' thinking， cultivate students' innovative ability and engineering practice ability， thus improving teaching effect.

Keywords： engineering education; automatic control; professional certification; teaching reform

中国的高等教育发展已有近百年的历史，工程教育体系结构已经较为完备，学科门类也相对全面。工程教育专业认证工作的开展，对我国的工程教育质量的提升具有非比寻常的意义。在培养创新、实用型人才的中国教育大环境下，具有认证资质的高校工科毕业生，在赴海外就业与深造时会享受与其他成员国学生平等的待遇，对我国高教改革与高素质人才的培养具有相当重要的作用[1]。在我国的一部分高校中，工程教育专业认证已经被当做本科教学质量的评价基准[2，3]。哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业的工程教育专业认证工作于2018年向前推进了一大步。 本专业所开设的《自动控制原理》课程具有知识容量多，理论极具抽象性的特点，课程自身要求体现数学以及自然科学在电气工程专业中的应用能力培养。因此，如何符合我国工程教育专业认证的要求，通过何种方式提高学生的实践创新能力等，是本课程教学过程中需要研究与思考的重点[4]。

一、本专业自动控制原理课程特点及教学情况

《自动控制原理》是我校电气学院所有学生必修的一门专业基础课程，需要高等数学、电路、模拟电子技术、电机学等课程作为前期基础，且上述各门课程联系紧密同时涉及到多学科交叉。教学中包括了大量的理论推导过程，主要以经典控制理论为主，讲解了线性定常系统单输入单输出情况下的负反馈控制的理论及分析方法，包括了时域，复域和频域内的动态、稳态性能及稳定性的分析，并以计算机软件，如MATLAB等，进行辅助分析。目前本校电气工程及其自动化专业的自动控制原理课程主要存在以下几个问题：

（一）教学大纲内容老化，与实际联系较少

目前自动控制原理课程的教材内容主要以经典控制理论、计算机控制系统、现代控制理论和MATLAB在控制系统分析、设计和仿真中的应用等为学习主线。经典控制理论是以往教材中的重点，而近几年的教材当中[5]， 现代控制理论因其对数学模型要求的一般性，其所占的比重越来越大。本课程的教学大纲中，对于频率特性法中关于PID控制器的内容、计算机控制系统、现代控制理论以及基于MATLAB的系统分析、设计与仿真内容涉及很少。另外，对于目前与本专业非常相关的电力、新能源领域，如电力电子装置中控制问题、风光发电及储能的控制系统，新能源汽车整车与汽车电子控制系统等，均没有相应的介绍。随着计算机性能的不断提升，很多先进的控制理论已经成功的应用于工业制造过程中[6，7]，而课程中对于控制系统在工业中的实际应用也几乎没有详细的讲解。当前的大纲内容无法反映自动控制行业最新的学术动态、新成就、新经验、新问题。这从一定程度上阻碍了学生对于教学内容更好地理解，对于学生提高实践能力形成了障碍。因此，以成果为导向的教学大纲改革势在必行。

（二）教学手段匮乏、课堂效果较差

自动控制原理课程需要的前修基礎课程较多，课程新概念多、涉及知识面广，教学内容中还包含大量的公式推导，响应波形分析等，即便使用多媒体教学，也会使教师教学难度增大，降低学生听课效果。学生在听课的时候将大部分时间用于记笔记，并以最终成绩为目标，与老师交流、讨论的机会较少，限制了其自主学习能力的培养。教师讲课时也都把完成教学任务作为目标，重点不是很突出，教学过程相对单一。这种教学方法无法体现以学生为中心的工程教育专业认证的教学指导思想。尤其基础薄弱的学生更难以跟上教学节奏，课堂也成为了“填鸭式”的灌输知识、复制知识的过程，使其失去对该门课程的学习兴趣。很显然，目前的教学方法和教学效果只能勉强满足现代大学的工程教育要求。课程小组需要对该课程提出改进措施，构建新形势下符合工程教育专业认证要求的自动控制原理教育体系，重点对当前的教学模式和考核方法进行革新，加强与工程及实践的联系，把学生由“被动接受”转变为“主动学习”，旨在到预期的教学水平。

（三）实践环节薄弱、实验内容较少

自动控制原理课中的实践环节是学习本门课程知识的重要环节，是将理论与实际联系，消化并理解教学内容的重要手段，也是对课堂教学的一种延伸。当前，自动控制原理课程的实践教学环节投入不足， 实验设备以自动控制原理实验箱为主，设备型号陈旧且不能保证人手一台，实验得出的控制精度也很难达到课程要求，且仅涉及经典控制理论部分，无法支撑日后的教学大纲改革需求。由于自动控制原理在工业应用场合必须结合控制对象的输出响应进行分析[8]，而自动控制原理教学实验中验证性和演示性的实验居多，学生根据自己兴趣选择实验对象来设计控制器，并针对实验结果进行控制器参数调节的机会并不多。最终导致了学生只能通过指导书的内容进行单一的实验，而操作能力、创新能力得不到锻炼，难以调动学习积极性。因此教学中的实践环节亟待改革与创新。

二、工程认证背景下的《自动控制原理》教学改革

随着认证工作的全面展开，面向工程教育的新一轮的专业与课程改革也在不断强化和加深。下面从确定课程教学能力要求、优化课程体系、改进授课方法、加强持续改进等方面入手，阐述如何在专业认证背景下，关注学生的应用与创新能力，构建针对工程教育专业认证的自动控制原理教学方式，目的是改革现有的工程人才培养方式。

（一）确定课程教学能力要求，完成教学大纲的修订

工程专业教育认证的重点是以学生为中心，以成果为导向所进行的教学设计[9]。在明确课程中要具体培养的能力的前提下，解决传统教学中只注重传授专业知识的问题。在课堂教学上，通过加入分组讨论、观点辩论以及翻转等方式[10]，培养学生的沟通与协作等能力。教师应该在备课时进行充分的调研和思考，通过本门课的教学环节，主要培养社会需求学生的哪些基本综合素质。课堂的教学内容要紧密服从社会需求，以培养学生的能力为引导，以工程认证的培养目标为方向，以社会和业界的需求为目标。唯有贯彻执行能力、目标和需求的导向，将学生视为中心点，才能从根本上培养出实践能力强、适应社会需要的合格的毕业生。建议针对专业性较强的课程，可在学校财政能力允许的情况下，聘请企业技术人员参与部分教学活动，包括技术报告以及人文素养讲座等。

课程组教师开会研讨，依据我校电气专业最新的培养方案，紧密结合工程教育认证的基本要求对教学大纲进行修订，确定了满足毕业要求的课程目标。学生通过课上理论学习和实验操作后应掌握如下技能：（1）能够应用自控原理的基础理论对电气工程领域的自动控制系统进行正确的描述;（2）对自控系统进行数学建模后，能够利用时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法，通过对模型的分析判断系统稳定性、暂态和稳态性能;（3）能够利用性能指标来评价自动控制系统的性能，并通过补偿网络改善系统性能;（4）能够设计符合系统性能指标的实验方案并搭建实验系统;（5）能够通过安全的实验过程获取实验数据;（6）能够正确的分析和处理实验数据，给出实验结论并提出改进的系统设计方法;（7）能够借助计算机软件构建控制系统仿真模型，进行仿真实验，对系统性能进行预判。

每个课程目标都有特定的毕业要求指标点与之相对应，如课程目标2对应“能够针对电力电子系统建立合适的数学模型，并进行推导、求解和分析，得出有意义的结果”这一毕业要求指标点。如此一来就可以将分析、解决问题、对于系统评价方法的设计、仿真技术和实验能力融入到教学大纲的各个部分，从而实现课程目标对于毕业要求指标点的支撑。

（二）优化课程体系，整合教学內容

课堂教学改革需要结合专业认证中毕业要求的复杂工程问题进行能力的综合培养。在专业认证所给出的毕业要求中，解决复杂的工程问题是重点也是难点，更是工程教育认证在本科教育中的突出特点。复杂的工程问题本身就交叉学科和社会综合知识，包含分析、计算、合作、沟通、交流、文化等多个能力的综合培养。上述知识要求我们在课堂教学中，尽量采用案例教学和小组合作的竞争方式，并尽量接近实际工程的情况，以全面的锻炼本科生的能力。

依照前面所述的大纲分解出的课程目标，重新整合自动控制原理的教学内容，使其与毕业要求指标点一一对应。如，目标（1）对应控制系统的基本概念、基本原理、控制方式、自动控制系统的分类、自动控制系统基本要求;目标（2）对应系统微分方程的建立与求解;传递函数的定义和性质;系统方框图的等效变换与简化;系统动态和问题性能指标计算;系统稳定性分析;利用根轨迹分析系统的稳态和动态性能;系统频率特性，奈氏曲线、伯德图的绘制;目标（3）（4）对应常用的校正装置及其特性; 基本校正方法; 系统性能改善的方法;目标（5）（6）对应实验项目;目标（7）对应计算机仿真软件在控制系统仿真中的应用。

（三）多元化教学方法，完善考核标准

课堂教学环节要体现出以学生为中心的能力的综合培养。课堂教学改革应当眼于提升课堂的教学质量，应该从教师一味的讲解，学生被动的接受，逐步向着师生都作为课堂主体，以交流互动为主的课堂氛围进行转变。通过设定活泼轻松的教学方式，充分调动学生听课的积极性，使学生学会自主学习，懂得思考并学会在实践当中不断的学习和提升自己。只有这样，学生的能力才能可以得到培养和提高，才能够激发学生的创新创造力。授课教师应该更注重专业知识的传授，向更加注重学生学习和思辨能力的方向进行培养。授课的内容从基于课本的教学向基于工程案例的教学方向发展。建议我校教师的授课课堂从以固定班级为主的学生群体，向着针对所有想学习该门课程的学生的开放课堂进行转变。这样一来，学生可以自主选择自己喜欢的老师，更能激发学生融入课堂教学活动的积极性。

将学生能力的培养作为课程考核的主要目标，将学生对知识的掌握情况及应用能力的检查作为方向。课程组研讨得出，最终成绩包括期末成绩、随堂测验、实验环节、课后作业、出勤情况、课上提问等多项综合标准，有针对性的采用不同的考核方式。如目标（7）和（2）对比，目标（7）中计算机仿真只通过课后作业的形式进行考查，而目标（2）则通过课后作业、随堂测验、期末成绩等多种方式进行考查，同时制定了相应的评分细则，考增加了课上提问的成绩比重，考查学生的总结归纳与分析能力。对于期末成绩部分，课程组应在保密的原则下建立题库，讨论新的期末试卷提醒以及出题方式，并逐年对题库进行更新。

（四）计算课程目标达成度，建立持续改进机制

工程教育专业认证中的课程目标是课上教学活动的基本点，课程目标达成度则是对课程教学质量的评价，可以视为教师获取教学质量反馈信息的一种重要手段。课程目标达成度具体是指教师根据教学的内容涉及考核标准后，在教学环节中所得到的教学目标占总体目标的百分比，也可理解为一种程度。根据课程特点来设计课程目标达成度，其评价包含课程分目标和总目标达成度这两种。

分析近三年自动控制原理课程目标达成度，建立持续改进课程小组，由课程组负责人直接担任组长，督促组员的持续改进工作过程，提出持续改进的方案。平时成绩的持续改进机制如下：参考近三年各届学生学习情况，按月统计学生平时成绩中的各项考核指标，如发现问题必须及时作出调整，并由专人记录问题。期末成绩考核机制：具体化分析期末考试试卷，分块统计得分情况，并将最终的统计结果用于本课程的成绩分析中，也可以用于下一轮次课程的持续改进当中。

结合前面计算的目标达成度及总达成度，通过分析和研究学生对于该课程的学习情况，具体的提出持续改进意见。如果某项目标达成度没有达到预期，而总达成度及其他指标点都达到理想值，足以说明学生的整体掌握情况已经达到了专业认证的要求，较好地掌握了基本的概念和理论，并能够正确进行实验设计和操纵，同时还可以正确使用仿真软件对控制系统进行预研。

最后有必要对其中没有达到目标的项目提出持续改进措施，在下一轮次的教学环节中重点增强这一部分内容的讲授，由浅入深的增加课上的例题和课后作业。安排附加的课时进行答疑、辅导，增加互动讨论环节，组织学生成立学习小组并与理解困难的同学进行一对一的辅导。

三、结束语

通过在工程教育专业认证背景下的《自动控制原理》課程教学模式改革，促进教师对本门课程的教学理念，提高本门课的教学质量和教学效果，更好地启发学生思维，激发学生学习兴趣，将“成果为导向、学生为中心、持续改进”的教学理念深入到教学和实践中去。以自动控制原理发展的前沿技术为起点， 以提升学生实践能力和创新意识为目标， 以适应新时期人才培养要求为前提， 秉承以上三个原则，使自动控制原理课程教学改革向着正确的方向持续推进。

参考文献：

[1]李华新，谭敏生.工程教育认证背景下计算机专业人才培养探索与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2018（11）：87-88.

[2]马发顺，尚增振，张坤朋，等.工程教育专业认证标准对应用型本科教学的指导作用研究[J].当代畜牧，2018，413（09）：40-43.

[3]蒋赢，胡鹏.工程教育专业认证背景下电气工程专业课堂教学改革研究[J].中国新通信，2016，18（16）：132.

[4]肖义平.基于工程专业认证背景下电气工程专业教学改革探索[J].教育教学论坛，2014（28）：34-35.

[5]赵龙.参照工程教育专业认证标准实施应用型本科高校电子信息工程专业教学改革[J].中国电子教育，2018，91（1）：22-25.

[6]Metzler， Mathias， et al. An Explicit Nonlinear MPC Approach to Vehicle Stability Control. Proceedings of The 14th International Symposium on Advanced Vehicle Control. Tsinghua University， 2018.

[7]Wang， Benfei， et al. A MPC-Based Method for Single-Inductor Multiple-Input Single-Output Boost Converter.2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.IEEE，2018.

[8]朱婕，韩芳.MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析[J].山东工业技术，2018（10）：203.

[9]初红艳，程强，昝涛，等.基于成果导向与学生中心的教学设计及学习效果评价[J].教育教学论坛，2018，367（25）：10-14.

[10]王先耀，黄纯文.翻转课堂下的学生主动参与课堂活动探析[J]. 教育现代化，2017（37）：51-52.