面向控制工程的教学案例平台建设

周林 刘樾 胡振涛 金勇

摘要：为了增强学生学习的自主性、培养学生的批判思维，弥补工科类案例缺少的困境，为控制工程方向的学生提供案例教学支撑，开展了面向控制工程相关课程设计的教学案例平台建设。结合人才培养的目标导向与科学研究的问题导向，依托教师的国家级科研项目和军民融合项目，建立的案例平台能为控制工程方向的学生培养提供教学和实践资源，并为教学改革提供验证平台。

关键词：控制工程  实践教学  案例平台  教学改革

Abstract： In order to enhance students' learning autonomy， cultivate students' critical thinking， make up for the lack of engineering cases， and provide case teaching support for students majoring in control engineering， a teaching case platform for control engineering-related course design is built. Combined with the goal orientation of talent training and the problem orientation of scientific research， relying on teachers' national scientific research projects and military civilian integration projects， the established case platform can provide teaching and practice resources for students controlling the direction of engineering， and provide a verification platform for teaching reform.

Key Words： Control engineering; Practical teaching; Case platform; Teaching reform

案例指由各種媒体组合表现的有现实指导意义和教学意义的代表性的事件或现象，属于混合性、综合性、知识内容相对完整的“模块式”教学资源[1]。案例平台是针对特定受众群的多个案例的集合。案例教学法起源于美国，是从知识向能力转变的一种行之有效的教学模式，有利于改革传统概念教学，它被国际上很多国家视为一种从理论到实践转换的重要教学方法。在案例教学法中，教师不再仅仅进行填鸭式授课，学生也不再紧随教师的个人思想进行机械记忆，教师与学生之间是引领方向与主动前进的关系，极大提高了课程中的互动性。因此，不管是教师还是学生，都能从中获益颇多。但国内案例教学法的开展与国外相比还没有普及，案例平台资源供应不足、质量欠缺，案例库建设对工科类教学尤为重要。

在传统教学中，学生主要作为听众接受知识，偶尔会准备部分课程内容走上讲堂进行讲解，这种教学模式不利于学生迅速地从研究生学习过渡到实际工作。而在案例教学中，学生主动对手中的案例进行学习，从图书馆资料库或网络平台搜索所需材料，各小组学生之间互帮互助，增加了团队交流协作的能力，通过向教师请教疑难问题能够加深对扩展知识的理解。选择学生自身参与的案例建设点，具有天然的优势，能够降低门槛，更容易让学生消化并领会领域知识，更容易区分业务知识与开发技术，主动查阅资料的训练更容易快速聚焦，从而使其对专业内容理解和掌握得更加深刻。通过对面向控制工程的教学案例库进行建设，能够发展可供教学的案例库的系统性和成熟性，从而提升人才培养质量[2]，为双一流建设提供支持，发展军民融合建设。

1  建设意义

建设面向控制工程的教学案例库，既符合实际军民需求又迎合国际形势发展需要，能够促进专业工程硕士的实践教育开展[3-5]，既为专业学位研究生培养提供教学资源，又为专业学位研究生的高质量培养提供帮助，能够为国家的双一流建设贡献力量，主要具有以下意义。

1.1 提高教师的教学质量和教学水平

案例教学的基础是教师具备丰富的教学与实践经验，越是这样的教师，越能在传统至新兴教学模式中做到平稳过渡并快速转变。案例教学要求教师关注课程领域的前沿动向，及时对现有案例库进行补充与修改。此外，案例教学能调动教师的教育教学改革积极性，丰富教学模式，从而更好地去引领学生与课程的融合。

1.2 增强研究生的学习主动性和学习能力

学生从机械学习课堂中的死知识转变为在教师引导下主动学习原有内容与书本之外的扩展内容，在案例教学中，将所学的理论知识与具体实践的结合，能发挥他们在学习过程中的主导作用，提高学习能力并增强批判思维。

1.3 增强师生互动

案例教学过程中，教师和学生都积极参与，在学习、分析和讨论等环节起着自己的主导作用，加强了师生交流、活跃了教学气氛、强化了学生的实践应用能力培养。

1.4 完善培养体系

目前，专业学位研究生以实践应用能力培养为重点，但工科类面向任务需求案例库的案例源奇缺;研究所、院校的需求任务的第一手资料的获取机会不多;案例数量不足、质量难以保证。通过案例库的建设，可以改革教学模式、丰富教学资源，最终有利于完善工科类研究生培养体系。

2  现状分析

在我国，教育部和人力资源社会保障部在2015年联合发布了《教育部关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》。意见中指出，要发展专业学位研究生教育，深入推进培养模式改革，加快完善体制机制，不断提高教育质量;要求培养单位和全国专业学位研究生教育指导委员会要积极组织有关授课教师在准确把握案例教学实质和基本要求的基础上，致力于案例编写，同时吸收行业、企业骨干以及研究生等共同参与。鼓励教师将编写教学案例与案例的科学研究相结合，编写过程注重理论与实际相结合，开发和形成一大批基于真实情境、符合案例教学要求、与国际接轨的高质量教学案例。将优秀教学案例、教材编写、行业服务等教学、实践、服务成果纳入专业学位教师考核评价体系;专业学位论文应反映研究生综合运用知识技能解决实际问题的能力和水平，可将研究报告、规划设计、产品开发、案例分析、管理方案、发明专利、文学艺术作品等作为主要内容，以论文形式表现;案例教学、实践基地建设等改革试点成效将作为培养单位申请新增专业学位授权点及专业学位授权点定期评估的重要内容。案例教学以其独特的优势必将成为我国专业学位研究生培养的重要方式和发展趋势，所以如何突破案例教学的现有困境就成为亟待解决的重要课题。

本院的专业学位研究生类别为电子信息专业，方向为控制工程，研究生培养的目的是为社会提供技术服务。教师扮演着传授知识和协调技术转化的角色，教师在讲授理论知识的同时，应通过案例教学模式引导学生参与理论与实践的结合活动。目前，案例教学中所用的国内案例库大多来源于中国专业学位案例中心[6]，但案例库种类为会计、公共管理、教育、工商管理、法律等案例，缺少工科类的案例，无法为现有的电子信息类专业学位研究生提供案例教学支撑。

2018年，习近平主持召开中央军民融合发展委员会第二次全体会议时指出：要抓好《关于加强军民融合发展法治建设的意见》贯彻实施，推进军民融合领域立法;通过战略性重大工程有效推动科技创新。通过建立军民融合的科技创新体系，发展军民两用技术，促进军民两个领域的双向技术交流，实现军民双赢。为了响应军民融合国家战略，积极应用信息技术，深入开发、广泛利用信息资源，培养适应军民融合要求的创新人才，因此，在不同任务需求下需要建立案例，为培养人才提供教学参考[7-] [8]。

3  建设内容

案例平台建设结构的实施方案主要由5个部分组成，如图1所示，在此框架下进行建设内容的设计。

以需求为依托，从开发遇到的关键问题入手，开展面向控制工程的教学案例平台建设，建设的主要内容如下。

3.1 需求分析

需求分析就是解决“做什么”的问题，是整个方案建设的开端，解决了这一步，就能对其进行分析与规划，其目的就是将人的需求转换为计算机软件的需求，需求分析的开发过程包括获取需求、确认需求、分析及维护需求、评审需求材料、创建需求。

3.2 概要设计

概要设计也称总体设计，这一阶段能为计算机软件的需求提供大致思路，其开发过程主要包含3个方面。首先是系统构架设计，通过需求框架定义组成系统的通信和数据环境等;其次是软件结构和数据结构的设计，用于定义构造子系统的功能模块、模块接口、模块之间的调用与返回关系，以及数据结构、数据库结构等。通过将系统架构、软件结构和数据结构相结合，可以得到最终的需求。

3.3 详细设计

详细设计就是对上一步骤中的简洁抽象思路具象化，如同在骨架中增添鲜血与肌肉纹理，使原本没有生命的架构富含活力，展现出更加形象完整的形态。这一步将总体设计中的架构与模块作为依据，赋予的局部任务和对外接口，体现出每个部分的算法、流程与状态转换等内容。

3.4 实现与测试

实现就是正式进入编码阶段。为了更好地满足用户需求，工作者要深入掌握专业技能时刻注意用户的想法动向，便于更新软件程序，高效实现。编码过程需注意全面兼容性能等，因此完成后需要进行功能测试。

3.5 运行维护

项目开展之后，当硬件环境发生变化，或在系统软件使用后就进入运行维护阶段。通常以源代码为基本依据、以用户的新需求为主要依据进行，类似于常见的电脑和手机软件的版本更新操作，占据软件生命周期中的绝大部分，只要软件还在投入使用，运行程序修改维护就是必不可少的一个环节。

3.6 实施方案

项目完成之后，系统还不能马上投入使用，因为无法保证后期用户应用的质量效果。为了确保达到良好的开发结果，除了尽可能提高开发质量之外，还要求工作者进行一系列调试、测评与培训等工作，这就是具体的项目实施。

3.7 综合项目1——多源信息融合仿真系统的设计与开发

多源信息融合仿真系统提供了良好的人机交互接口，以及多种融合和滤波算法的选择。该仿真系统主要用于实现同类/异类标量、矢量多传感器量测数据的模拟生成、融合处理及各类融合方法在目标运动状态估计中可行性和有效性的验证，提供一个通过融合异类传感器信息实现目标认知可靠性提升方式的研究平台。

3.8 综合项目2——多源信号处理仿真及测试系统的设计与开发

多源信号处理仿真及测试系统采用双通道高速视频信息采集，多串口协同通信、多线程图像显示及处理等技术搭建，分为一体化对抗和双脉冲引偏两个设备平台。一体化对抗设备平台包括红外图像的获取、显示，威胁目标信息的获取、显示及对威胁目标的近红外和远红外目标干扰等功能。双脉冲引偏设备平台包括原始视频图像的获取、显示，激光告警信息获取、显示及对目标发射激光干扰等功能。

该软件基于C#语言进行编写和开发，具有Windows风格的操作界面，能對现场画面进行实时传输显示，对各个设备运行状态进行实时检测，并将结果清晰、直观地显示在软件主界面上，并且具备历史数据存储等功能。

3.9 综合项目3——机载多加速度计协同量测系统的设计与应用

机载多加速度计协同量测系统分别从硬件、软件上研制空投加速度记录仪和信息处理系统。该系统的记录仪用于测量空投设备在开伞和落地瞬间的冲击力，记录被空投设备在空中的加速度信息，应用于空投装备抗冲击力的测试;同时，信息处理系统用于采集、处理、分析和存储记录仪的信号。

3.10 综合项目4——机载/舰载多传感器智能协同管理系统的设计与应用

机载/舰载多传感器智能协同管理系统是建立一种传感器协同管理仿真软件框架，可方便地进行有针对性的机载传感器协同管理仿真。软件系统功能模块的交互界面主要包括5个部分：任务控制区、模型配置区、数据图形显示区、综合数据区、系统日志显示区。

本系统基于MS Visual C++ 6.0设计并开发了XJTU软件包。软件包包括任务生成仿真平台、目标运动模型、卫星模型、雷达模型和总控模型。所有模型均采用dll方式，用户可用相同接口的dll模型进行更换。

通过以上案例平台的建设，学生可以更了解控制工程专业中理论向实践转化的过程。针对不同的工程任务需求，聚焦的开发重点不同，可以从不同的案例中剥离出相同的理论知识和适用于本专业的开发技术。此外，随着开发项目的积累和提炼，该案例平台可以按照工程任务需求进行不断扩充，使案例平台建设得更加丰富。

4  结论

通过本文的案例平台建设，可以从不同的案例中剥离出相同的理论知识和适用于本专业的开发技术，将理论知识与实践相结合，改革传统教学模式，提高教育教学创新质量，响应国家关于人才培养导向。基于已有项目经验和数据可以建立丰富的案例库，但随着人工智能、物联网、协同等新技术的出现，案例平台建设有必要继续与时代接轨，不断融入新知识和新技术，在应用于本专业的案例教学同时，还对其他创新研修课的教学提供一定借鉴。

参考文献

[1] 谢海斌，尹栋，庄东晔，等.控制学科“人工智能”研究生课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2020，39（10）：177-180，184.

[2] 罗纯.基于学习理论的案例教学策略探析[J].教育教学论坛，2018（13）：149-151.

[3]王家忠，弋景刚，王泽河.案例教学在专业硕士研究生课程中的应用与实践[J].教育教学论坛，2021（25）：100-103.

[4] 吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[5] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[6]李政.职业教育现代学徒制的价值研究[D].上海：华东师范大学，2019.

[7] 沈利民，李海生，王艳飞，等.线上线下混合式实践教学与评价体系构建——以过程装备与控制工程专业“生产实习”为例[J].工业和信息化教育，2021（7）：73-77，89.

[8] 许丹丹，白少元，刘辉利，等.新工科背景下案例式教学法在环境工程类课程教学中的应用研究[J].科教文汇，2021（7）：101-103.

基金项目：河南省“十四五”普通高等教育规划教材立项建设项目（项目编号：CX3010A0950024）

作者简介：周林（1975—），女，博士，副教授，研究方向为系统偏差估计、多源信息融合、传感器管理等。

通讯作者：刘樾（1997—），女，硕士，研究方向为传感器管理、目标跟踪等。E-mail：liuyue@henu.edu.cn。

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