基于CDIO的测控工程专业课程设计教学模式探索

李小锋 江浩 孙伟 张胜修 樊红东

摘  要：为了满足测控工程专业学员岗位任职需求，对课程设计实践教学进行改革探索。结合CDIO工程教育理念，分析了测控工程专业实践教学的特点与现状，提出以人才需求为导向，以项目驱动为核心，以学员能力培养为根本的教学理念。结合CDIO教学模式，从教学内容设计、教学实施和考核评价等方面对控制系统类综合课程设计教学进行探索与改革。实践表明，CDIO教学模式可提高学员的学习兴趣、实践动手能力、创新能力和团队协作精神，为综合课程设计教学改革提供了借鉴。

关键词：测控工程;CDIO模式;课程设计;教学改革

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）07-0107-04

Abstract： In order to meet the post requirements of students majoring in test and control engineering， the reform of practical teaching of course design was explored. Combining with CDIO engineering education concept， this paper analyses the characteristics and current situation of the practical teaching of the test and control engineering specialty， and puts forward the teaching philosophy of taking the talent demand as the guide， taking the project as the core and the students' ability training as the foundation. Combined with the CDIO teaching mode， this paper explores and reforms the control system-based comprehensive course design teaching from the aspects of teaching content design， teaching implementation and evaluation. Practice shows that the CDIO teaching mode can improve students' interest in learning， practical ability， innovative ability and team spirit， and provide a reference for teaching reform of the comprehensive course design.

Keywords： test and control engineering; CDIO mode; course design; teaching reform

测控工程专业是精密机械、光学、电子技术、计算机技术多学科互相融合形成的综合型专业[1]，具有专业口径宽，涉及知识面广、工程实践性强等特点，实践教学是该专业本科教学不可或缺的组成部分[2]，是培养学员工程实践能力、团队协作、创新精神和科技素养的重要环节，也是提高学员岗位任职和综合能力的主要途径。控制系统类综合课程设计是火箭军工程大学测控工程专业重要的实践教学环节，该课程以电子技术、自动控制原理和现代控制理论为基础，综合利用惯性导航、光电探测、目标信号获取与处理、计算机控制等知识进行控制系统综合设计，在夯实学员专业基础、强化实践动手能力、培养学员综合运用所学专业知识解决实际工程问题的能力等方面发挥着重要作用。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，构思-设计-实施-运行）工程教育模式[3-5]继承和发展了歐美多年工程教育改革的经验和理念，提出了系统的能力培养、全面的实施指导以及结果检验的标准，该理念以项目为载体，让学生以主动的、实践的、课程间的有机联系的方式学习工程的理论、技术和经验。CDIO理念倡导“基于项目教育和学习”、“做中学”的教学方法，该理念不仅重视知识积累，更为重视提高学生的实践能力、创新能力和团队合作意识[6-8]，与控制系统类综合课程设计的教学目标十分贴近，具有较强的可操作性和指导性，按照CDIO理念开展控制系统类综合课程设计实践教学模式将有助于提高学员的工程实践能力、团队协作、创新精神和科学素养[9，10]。因此，我们结合火箭军工程大学测控工程专业实践教学改革，基于CDIO理念，将项目驱动思路融入实践教学，对控制系统类综合课程设计在教学理念、教学内容、教学模式和考核评价等方面进行了探索与实践。

一、测控工程专业实践教学存在问题

为了突出专业特色，结合部队岗位任职需求，我校在测控工程专业实践课程设置及教学内容等方面进行了不断的探索和创新，取得了显著的成效。但在前期测控工程专业实践课程教学实施过程中仍存在一些问题，具体表现在：

（一）实践课程内容设置系统性、设计性、综合性不强

以往测控工程专业实践课程之间内容联系不够紧密，相关性不强，缺乏系统的整体性观念;实践内容偏重电子技术实训，忽视了与专业方向的有效结合，项目缺乏设计性、综合性内容的设计与指导，导致部分实践课程只能帮助学员熟悉各课程理论知识，难以实现对学员综合实践能力的培养。

（二）组织形式和课堂教学模式单一

实践教学组织形式相对固定，主要以指导教员为中心，课堂讲授为主体，完成大纲设定的教学内容和课时，教学模式以教员先讲解基本原理和方法，学员在规定时间内完成规定的实践内容为主，导致实践教学过程缺乏互动、引导和交流，学员大多处于被动的接收与执行，不利于发挥学员的创造性思维和自主创新能力。

（三）学员工程素养与创新能力偏弱

实践教学实施过程中，学员基本按照指导书给定的步骤顺序执行，学员关注更多的是功能的实现，而对性能指标要求、设计的规范性等工程和应用背景不够重视;由于缺乏团队协作意识和科研创新能力的引导，导致部分学员在面对具体实际问题时，往往感觉无从下手，不能灵活运用先修课程的相关知识来解决工程实际问题，无法按时完成设计任务。

（四）考核方式不够完善，难以实现有效的过程控制

以往实践教学的成绩评定以任课教员为评价主体，受师资力量限制，指导教员难以对每位学员的具体表现进行过程评价，通常以终结性评价为主，缺乏对学员实践学习全过程和综合能力的评价，评价结果具有随机性，难以实现评价对教学的引导和督促作用。

二、基于CDIO模式的控制系统类综合课程设计教学改革

控制系统类综合课程设计是我校测控工程专业除毕业设计外，一门较大的综合性实践课程，是电子技术、计算机技术、控制理论等专业基础课程的深化和融合，具有很强的实践性和应用型，特别符合CDIO理念倡导的“基于项目的教育和学习”和“做中学”工程教育模式。针对测控工程专业实践教学存在的主要问题，结合CDIO教育理念，开展控制系统类综合课程设计教学改革，对于培养学员创新精神，不断提高工程实践能力和岗位任职能力具有重要的现实意义。

（一）基于CDIO的教学理念构建

火箭军工程大学测控工程专业培养的是面向武器系统测试与控制技术的专门人才，控制系统类综合课程设计既是对学员前期理论和实践教学效果的检验，也是对学员综合运用所学知识，解决实际工程问题能力的培养。因此在教学理念上应突出部队人才需求和专业特色，在CDIO工程教育模式的指引下，以项目为载体，以夯实学员专业基础、培养学员综合素质与创新能力为目的，促进岗位任职能力的全面提高。基于此，构建我校测控工程专业控制系统类综合课程设计教学理念如下：

1. 以人才需求为导向，突出工程实践能力的培养。通过课程设计，采用学员探究为主，教员启发为辅的方式，进一步培养学员综合运用专业理论知识分析解决实际工程问题的能力，通过系统性的培训，增强工程实践创新能力。

2. 以项目驱动为核心，促进团队协作意识培养。教学采取项目驱动，分组实施，各组成员根据个人专长进行合理分工，教员引导学员分析问题、互相讨论、互相启发、互相促进，并最终解决问题，共同完成课程设计任务，提高学员团队协作意识和沟通协调能力。

3. 以提高岗位任职能力为根本，激发学员探索与创新精神。教学以导航、制导与控制理论、计算机技术为基础，持续引入新理论、新技术、新方法，兼顾先进性与科学性，突出专业特色和武器系统应用背景，激发学生的探索与创新精神，促进岗位任职能力的提升。

（二）基于CDIO的教学内容设计

控制系统类综合课程设计的教学内容设计是否合理，直接影响到课程设计的教学效果。在教学内容设计上，应符合教学要求，结合CDIO工程教育理念，突出专业特色，确保具有工程性、先进性、课程性、综合性等特点。在内容设计时，一是从工程实际及科研项目中选取有代表性的控制系统设计问题，经过合理简化，形成一些具有工程实践背景的创新型设计题目;二是结合学科竞赛，提取具有代表性的竞赛型设计题目;三是结合学科前沿，教员引导鼓励学员根据自己的想法拟定一些学科前沿及自主命题型设计项目，激发学员兴趣和创造性。在知识层面上，各类型选题应覆盖电子技术、导航制导与控制、计算机测控等关键知识要素，由浅入深，循序渐进。设计层面上每个题目应有所偏重，具有一定的区分度，切实提高学员分析问题、解决问题的能力，以及自主创新、团队协作沟通能力。结合学员实际，基于实验室教学条件，设计的选题如表1所示。

表1 教学内容项目设计

（三）基于CDIO的教学过程实施

控制系统类综合课程设计是一门综合性课程，具有较强的工程实践性，特别符合CDIO工程教育理念倡导的“做中学”和“基于项目教育和学习”。教學中以任务为核心，采用项目驱动方式，以自动控制理论和现代控制方法为基础，以控制系统设计的一般流程和方法为核心，按照方案构思、系统分析、原理设计、计算机仿真、系统组装、调试、运行、测试等流程组织实施，具体流程如图1所示。此外，将以往2周集中完成的课程设计教学，改为5周，每周4课时，除集中授课外，指导教员在每周固定一个下午在实验室集中答疑。同时，为提高教学效率，每名指导教员只负责2-3个题目，以便与学员就相关题目进行深入讨论指导。

图1 基于CDIO的课程设计教学实施流程

下面以“C51智能小车实验系统设计”为例，介绍基于CDIO理念的教学实施过程。

题目：C51智能小车实验系统设计

设计任务：设计并制作一个能往返于起跑线与终点线之间的电动小车，允许对现有车模进行合理改装，传感器位置与数量自定，不允许使用人工遥控（包括有线和无线遥控）。跑道设计如图2所示，宽度0.5m。表面贴有白纸，两侧设有挡板，挡板与地面垂直，高度不低于20cm。在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽的黑线，各段长度如图2所示。

基本要求：（1）车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点后停留10s，然后开始自动返回起跑线（允许倒车返回），往返时间力求最短（从小车上电开始计时）;（2）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线的偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线之间距离作为偏差的测量值）;（3）D-E之间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8s，但不允许停车。

发挥部分：（1）自动记录、显示往返时间、行驶距离（记录显示装置要求装在车上）;（2）其他特色与创新。

图2 智能小车跑道顶视图

这是一个综合性较强的控制系统设计课题，在整个教学实施过程中，教学组遵循“构思-设计-实施-运行”的CDIO工程教育理念，突出专业特色，注重理论与实际的统一和新理论、新技术的应用，强调学员的工程实践能力、创新能力、团队协作精神和沟通协调能力的培养，具体的实施步骤如下：

1. 构思阶段

在课程设计开课之前，组织教学双方见面会，发布题目，明确控制系统类综合课程设计教学要求。学员选定课程设计题目后，根据个人意愿组队，参考学科竞赛模式，形成每组3人的课程设计小组，并按照兴趣和专长明确具体分工。在C51智能小车项目选定后，指导教员组织1次理论授课（2课时），强调以工程观念来规划整个设计过程，重点明确设计要求、设计方法、设计流程和注意事项，对现有车模进行概要介绍，包括单片机最小系统、光电传感器、电机驱动电路与调速原理、光电码盘测速原理、键盘与显示电路以及电源模块等电路，学员利用课余时间查阅资料，组内讨论交流后完成系统方案的初步设计，并与指导教员讨论，优化完善设计方案。此过程主要培养学员自主学习意识，时间约为1周。

2. 设计阶段

根据系统设计方案和各模块电路原理，学员利用Proteus、Keil等软件完成硬件原理图设计和软件程序设计，并借助软件进行仿真测试和参数调整，指导教员随堂组织核查、交流互动与辅导答疑，此过程采用学员探究为主，教员启发为辅的模式，教学双方互相讨论、互相启发、互相促进，主要培养学员自主创新能力和团队协作精神，时间约为1周。

3. 实施阶段

学员按照设计方案，领取C51智能小车各主要模块，并根据设计原理图进行组改装，选取元器件调试各模块功能，并组合形成完整的工程系统，主要包括C51智能小车布局、焊接、组装调试。此过程主要培养学员工程实践能力、创新能力、团队协作精神与沟通协调能力，时间约为2周。

4. 运行阶段

学员将设计的C51智能小车在实际跑道上进行测试，项目小组讨论构思，根据测试结果撰写总结报告，认真分析课程设计中遇到的问题及解决的办法，总结设计过程，准备进行项目答辩，此过程主要培养学员初步科技论文写作能力、科研探索精神和工作总结能力，时间约为1周。

（四）基于CDIO的考核评价机制

CDIO模式应用在控制系統类综合课程设计中，能够从学习态度、知识、能力、团队协作、创新能力等多个方面对学员的专业知识、实践能力、综合素质和创新意识进行评价。为克服单纯以成果为考核手段的片面性，控制系统类综合课程设计考核评价由平时表现、作品展示、总结报告、答辩等环节构成，采用全过程考核，进行综合评价，评价内容和标准如表2所示。具体考核方式如下：

1. 平时表现

主要考察学员考勤、学习态度和课堂纪律，考勤采用随堂不定期点名的形式，保证学员能够全程到课;学习态度主要包括学员对课程设计重视程度、独立解决问题态度及能力等;各项目指导教员要严肃课堂纪律，严格要求学员不做和课程设计无关的事情。对设计过程中问题解决较好、有一定创新性、表现突出的学员可适当提高平时成绩。

2. 作品展示

作品展示是课程设计任务是否完成的重要标志，其成绩主要由设计小组提交的成果（作品、现场测试等）决定，主要考察学员的实践能力、创新能力和团队协作精神。

3. 总结报告

总结报告是对控制系统类综合课程设计的全面总结，是学员最终成绩的一项重要指标，课程设计结束后指导教员根据各设计小组提交的总结报告给出相应成绩，主要考察学员知识水平、科技论文写作能力、查阅资料能力、分析解决问题以及工作总结能力等。

4. 答辩

课程设计结束后1周内，教学组按照选题分组组织所有学员进行项目答辩，主要考察学员工作总结和表达能力、沟通协作能力，学员以PPT形式详细阐述课题的设计思想、设计过程、接受教员现场提问并进行作品展示。

控制系统类综合课程设计最终考核采用学员互评与教员评价相结合的综合考核方式，其中互评成绩主要考核每位学员在整个课程设计过程中所作的努力与贡献大小，由各设计小组内部讨论评定，答辩前经各成员确认后提交指导教员，教员评价成绩由指导教员和答辩评委依据表2评定。

三、结束语

本文提出的CDIO工程教育模式下的控制系统类综合课程设计教学改革，突出了测控工程专业特色，细化和规范了课程设计实施过程。通过近几年的实践表明，在“构思-设计-实施-运行”的过程中，CDIO教学模式进一步提升了测控工程专业实践教学水平，充分调动了学员的主观能动性，提高了学员综合运用所学知识解决实际问题的能力以及团队协作精神、沟通协调能力，培养了学员严谨求实的工作态度和勇于探索的创新精神，为学员适应岗位任职需求奠定了良好的基础。

参考文献：

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