引入CDIO工程理念的自动控制原理实验教学改革探索与实践

罗玉兰 朱科 易杰 邹林阳

摘 要：本文以CDIO工程教育理念为指导，针对我校自动化类专业自动控制原理实验传统授课模式下存在的问题和课程特点，完善了该课程教学改革的内容，提出了具体课程改革实施方案，构建了面向全过程的课程考核模式。笔者在实际教学过程中做了初步的探索，实践表明该教学模式有助于学生的创新能力和工程意识的培养。

关键词：CDIO理念;自动控制原理实验;教学;改革

中图分类号：G642;TP134  文献标识码：A

“自动控制原理”是自动化、电气工程及其自动化专业重要的专业基础课程，是过程控制、运动控制以及各种智能控制的理论基础[1]。实验作为自动控制原理的重要组成部分，成为控制理论与实际工程之间不可缺少的纽带。新工科背景下，人才培养的要求日益提高，不仅要求教师在理论授课过程中引入工程系统的概念[23]，同时更应该通过实验教学来逐步培养学生将理论知识应用于工程实际的意识，形成系统的观念。CDIO工程理念是国际前沿最先进的教育理念之一，将CDIO工程教育理念融入自动控制原理实验教学中，通过实验整合各科知识，同时在实验课程中重点开设综合型、创新型的工程实践项目类实验内容，着重培养学生综合知识运用能力、工程系统能力和创新能力。

1 教学改革的必要性

我院一直以来自动控制原理实验教学采用的都是模拟实验箱搭配计算机平台的传统教学模式，学生在实验过程中只是简单地按照实验指导书的要求完成实验内容，测得实验结果，对理论课程讲授顺序对理论方法进行验证，使的实验演变成连接导线的“机械性实验”。从近几年的教学效果分析来看，这种实验教学方法教学效果十分不理想，整个过程学生缺乏思考，影响了理论学习的积极性，同时理论与实践的脱节不利于在毕业设计和今后的工作当中将专业知识系统化应用到工程实际项目中去，从而影响了学生的创新能力和工程实践能力的培养。实验项目内容过于简单，大多数都是验证性实验，对于学生没有挑战性，不能激发学习的积极性。实验课程的考核只注重结果不注重过程，实验报告占比高达40%;考核方式较单一，全部是教师评价学生，此种成绩评定方式不利于培养学生发现问题和解决问题的能力。鉴于以上总结的传统教学方面存在的各种不足，提出了引入CDIO工程理念的自动控制原理实验课程教学改革。

2 實验教学内容改革

2.1 递进式的实验项目内容设计

结合CDIO工程教育理念，在自动控制原理实验教学内容和形式上采用由易到难、分阶段项目递进式教学，利于学生对相应理论知识的理解与掌握。我院自动化专业传统实验项目具体内容如表1所示，可知开设的实验项目主要是验证性实验和综合性实验，缺乏创新性实验项目。

课程的最后一个实验采取课程设计的形式开设创新型综合性实验，学生可以根据自我兴趣或较擅长领域自主确定实验项目，或者选择教师提供的往年电子设计竞赛的题目，如智能小车、智能浇灌等控制系统。实验以小组团队的形式开展，小组长根据整个项目设计安排具体小组成员的分工，小组成员要基于项目设计完成以下具体任务：查找项目相关资料、建立系统数学模型、利用Matlab软件对系统进行仿真及对仿真结果进行分析总结、系统整体方案设计、选择系统元器件、编写软件控制程序、设计并搭建硬件电路、最后进行系统联合调试，整个项目设计及制作的每一个步骤都由小组团队独立完成，教师负责指导学生解决遇到的难题。通过这种实验方式培养了小组各成员之间的沟通协作能力，锻炼了学生的知识筛选及整合能力。

2.2 CDIO理念下的教学方法设计

以CDIO工程教育理念为指导，构建一个有效的自动控制原理实验课程教学模式，培养学生达到工程教育要求的应用能力，提高学生的综合素质。实验课程教学由三个阶段组成：前期准备、课堂实施、课后总结拓展，整个教学过程以学生为主体、教师辅助、双方共同积极参与，达到对学生各方面综合能力的培养要求。具体实施方案如图1所示。

2.2.1 课前准备阶段

教师根据相关知识点设计典型案例，选择能激发学生学习兴趣，又能提高学生的综合应用能力的实验项目，同时把握好案例难易程度。在班上选出6位“种子”学生，指导其在课程任务开始前基于Matlab GUI设计自动控制原理虚拟仿真实验平台如图2所示，其他同学在课前自主完成以下任务：运用Matlab编程完成对理论知识的验证、设计合理电路图、探索实验步骤、设计实验数据记录表格等，教师负责指导、解答学生的疑难问题、制定评价标准以及检查学生课前内容完成情况。

2.2.2 课堂实施阶段

课堂上学生先利用课前“种子”学生自行搭建的自控原理虚拟仿真实验平台得出具体参数，利用理论课程学习的知识来分析参数变化对仿真结果的影响，然后再确定系统参数，最后在实验箱上搭建电路实验验证自己设计参数的合理性。实验完成后将仿真结果和实际结果进行对比分析，达到培养学生的程序调试能力和实践动手能力的要求。完成实验后，同学们分组准备PPT展示实验结果，教师进行点评。教师在这个阶段还应该给予学生针对性的指导，在整个实验过程中强调发挥学生的主导作用，让学生自行发现问题、解决问题，鼓励学生多讨论、多动手、加强团体分工协作，培养学生的综合能力。

2.2.3 课后总结拓展阶段

实验结束后学生应独立完成实验报告，并通过实验数据分析总结验证和巩固学习相关理论知识点。教师对整个实验情况进行分析总结，对于学习能力强的学生，教师组织其建立课外科技活动小组和科研学科竞赛小组并教导自主设计创新实验项目，培养学生的创新意识及创新能力。图3是课外科技小组学生自主设计完成的智能浇灌系统实物图，此项目获得了省级大学生创新训练计划项目立项支持。

2.3 CDIO模式下实验成绩评定方式的改革

为落实CDIO教育理念，摈弃了传統单一的实验考核方式，建立了适用于“CDIO模式”的面向全过程的实验课程考核方式，具体考核方式如图4所示。

实验课程考核分为三个部分：实验准备30%、实验情况40%、实验总结30%，另外“种子”学生实验前的虚拟仿真实验平台设计的实现可以折算实验准备阶段的学分比例，学生课外科技活动可折算为相当比例学分，训练项目执行优秀的同学整个课程可以直接给予优秀等级成绩。在小组汇报阶段学生相互之间可以给予评分，从而更好地激发学生自主学习，提高学习的积极性。初次实践后通过问卷调查的方式收集学生关于课程改革的满意度调查，85%的学生表示该教学改革有助于提高学习兴趣，培养专业综合素质。

结语

从培养学生的创新能力、动手能力和综合应用能力出发，将CDIO工程理念融入自动控制原理实验教学，建立了面向全过程的全新实验课程考核模式。创新型实验项目的设置及学生课外科技活动小组和科研学科竞赛的组建，极大地激发了学生的学习兴趣。初步实践表明改革取得了一些成效，在今后的教学过程中，应该更充分地考虑各个学生的专业基础差别设置更合理难度的实验项目内容及进一步改进课程考核方式。

参考文献：

[1]胡寿松.自动控制原理[M].第五版.北京：科学出版社，2007.

[2]顾佩华，包能胜，康全礼.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2006（3）：2440.

[3]熊玲，李忠.新世纪我国高等工程人才需求调查报告[J].现代教育管理，2010（7）：36.

[4]夏静萍，王瑛.自动控制原理实验教学探究[J].实验室研究与探索，2013（2）：184189.

[5]张栋.自动控制原理实验教学改革探索与实践[J].实验室科学，2011（5）：3740.

[6]王秋燕，董海兵.新工科背景下PBL教学法在专业实验课教学中的实践与探索[J].湖北第二师范学院学报，2019（08）：36.

[7]达正花.基于CDIO理念的PLC实验教学探索与实践[J].实验教学，2018（12）：117119.

基金项目：1.湖南省教育厅教研教改项目“基于CDIO工程教育模式的材料物理专业人才培养方案的研究与实践”（湘教通[2015]291号）;2.湖南省大学生创新创业训练计划项目“智能浇灌系统的设计及实现”（S202111528034）;3.湖南工学院校级科研项目“基于LabVIEW的螺旋榨油机膛内温度、压力测控系统设计研究”（2020HY010）

作者简介：罗玉兰（1987— ），女，湖南浏阳人，在职研究生，助教，研究方向：智能传感与控制技术。