自動化專業“四位一體”的實踐教學體系構建研究

劉小河，馬 潔，管 萍，付興建，劉麗華

(北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192)

自動化專業屬于電子信息與電氣信息學科專業群，作為當今發展較快和在校生最多的本科工科專業之一，其學生培養質量對發展我國現代電子信息與自動化技術、實現我國信息化帶動工業化的發展戰略將發揮十分重要的作用。隨著我國高等教育的發展，部分地方高等教育已經開始從大眾化向普及化轉化。面向地方區域經濟發展、面向行業應用培養高素質應用型人才，是地方高校本科人才培養的首要任務。隨著我國高等教育大眾化進程的推進,部分發達地區，例如北京、上海等，高等教育開始進入普及化的發展過程。生源的變化使得過去以精英教育為主導的高等教育人才培養模式已經不能適應目前應用型人才的培養要求[1-3]。

如何在高等教育從大眾化進入普及化的背景下探索地方高校應用型人才的培養模式與體系，無疑具有十分重要的現實意義。因此，對地方高校自動化專業應用型人才培養體系進行研究和探索，是當前需要重點研究的課題之一[4-5]。

1 首都高校自動化專業實踐教學概況

對于首都地區來說，北京市屬高校的生源質量較前些年發生了很大變化[6]。學生的擇業需求也從學術型、工程研發型為主開始向技術服務、銷售服務型轉變。最近幾年就業形勢嚴峻，用人單位對應屆畢業生的實踐能力要求越來越高。因此在強調理論教學的同時，實踐教學的地位顯得越來越重要。但多數市屬高校電氣信息類專業培養模式和體系和重點大學的精英教育模式還沒有明顯區別，這樣，一是會造成很多學生學習吃力，難于高質量完成學習目標；二是知識體系主要圍繞學術型建立，學生對分析知識學習較多，綜合性知識學習較少，不適應企業應用型人才的需要。更為重要的是，教學過程中重視學術體系的完整性，對實踐環節的重要地位沒有給予充分的重視。盡管近年來一再強調要加強實踐環節，但是著力點更多地是在加大實驗學時、加大實踐環節的學分等方面，而對于實踐環節教學體系的研究開展不夠，對于實踐體系在完成學生能力訓練的功能要求研究不夠，對專業實踐體系如何相互配合達到最佳培養結果較少涉及。

近年來，部分高校實驗儀器廠家為了更好推廣相關實驗儀器，對實驗平臺進行了精心設計。其優點是便于教師在實驗平臺上進行實驗教學，但其負面作用也不容忽視。其中最大的問題是驗證性實驗過多的現象還沒有完全克服，而實驗對象過于理想化的現象又有所凸顯。其次，不同課程實驗平臺相互配合也存在一些問題。因此，建立相互配合、有利于學生能力培養與訓練的專業實踐教學體系，就有十分重要的現實意義和應用價值。

2 自動化專業實踐教學存在的問題

目前，自動化專業實踐教學存在的突出問題如下[8]。

2.1 很多實驗課程內容仍然沒有擺脫驗證性為主的格局

很多專業基礎課實驗教學內容往往按理論課程知識點設計實驗內容，這些實驗內容與工程應用距離較遠，學生缺乏學習的積極性和主動性。例如“自動控制原理”課程，很多學校都采用一類標準的控制原理實驗箱，實驗箱采用模擬電子系統來代替工程對象，使學生很難對實際的工程控制建立概念。從實驗內容的安排來看，實驗內容以驗證性為主，例如一階系統、二階系統的動態特性觀察及頻率特性的測量等，實驗內容仍與傳統實驗教學內容相同，這盡管對理解課本知識有一些幫助，但是和工程應用還有很大距離。學生做完了這些實驗，無法對反饋控制的作用產生深刻理解，無法對控制的三大基本問題——穩定性、動態指標、靜態指標如何結合具體的工程設計靈活應用建立概念。這樣，盡管學習了知識，做了實驗，但是不會對工程中遇到的具體問題進行分析與判斷，更難以做出高質量的工程設計。盡管也有設計性實驗內容，但往往把原有實驗指導書內容稍稍改動，要求學生進行一定的理論計算以備實驗對照用，與實際的工程設計要求差別較大，起不到工程設計的訓練作用。

2.2 實驗課程的實驗內容缺乏整體性和系統性

自動化專業的專業基礎課及專業課可以分為若干系列課程，例如控制理論及應用系列課程就包含自動控制原理、現代控制理論、自動控制系統仿真、計算機控制系統、運動控制系統、過程控制、先進控制理論等。每一門課程都有相應的實驗內容，并且有些課程還有課程設計環節，最后還有自動化專業綜合實驗，綜合進行實踐能力的訓練。但是各個實驗內容往往局限于一門課程的范圍，無法將本專業內相互聯系的課程內容貫通起來，使學生學習后對控制系統仍缺乏整體概念，知識能力沒有得到持續鍛煉。

2.3 考核形式單一，要求簡單，缺乏對能力培養效果嚴格要求

各個實驗課程考核內容往往比較簡單，實驗考核形式單一，考核要求不嚴格，學生不夠重視，學生缺乏興趣和成就感。以我校為例，由于實驗考核要求不嚴格，多數以實驗報告或設計報告作為考核的依據。自動化專業學生對實驗課程學習積極性普遍較差，實驗課前幾乎不預習實驗內容，不提前設計電路或編寫實驗程序，實驗課上相當一部分學生照抄班級里部分同學所編寫的程序或電路設計，實驗報告抄襲情況比較嚴重，認真完成實驗的學生較少。綜合實驗由于設備臺套數的限制，只有少數學生認真進行設計后在設備上調試，多數學生扮演了被動觀看的角色。因此，實驗教學對學生實踐能力特別是創新能力和自學能力培養效果不佳。

2.4 大學生課外科技創新活動和課內實踐環節結合不夠

近些年國家和地方教育主管部門十分重視通過大學生科技活動來提高學生的實踐能力和創新能力，學校也盡力創造條件讓更多的學生參與到大學生各類科技競賽活動及創新項目中來。應當說在這些活動中培養了一批動手能力較強的學生，取得不少成績。但是這些活動往往和課內實踐環節結合不夠，參與活動的學生數量偏少，很多學生不能將課堂所學知識靈活應用到大學生課外創新活動中去，不會利用專業基本實踐技能帶動提升課外科技活動的水平，使得課外科技活動的效果受到影響。個別學生甚至脫離專業學習來進行課外科技活動，既影響了課內學習，也不能在科技活動中取得應有的成績，這是應該給予正確引導的。

由于以上幾點原因，必須進行實踐教學體系的整體化改革和構建，以提高實踐教學的效果。

3 “四位一體”實踐教學體系的構建

3.1 實踐教學體系構建的目標

實踐教學體系構建的目標是：以培養具有創新意識的專業應用型人才為出發點，進行工程教育實踐教學體系改革與實踐[8-9]。構建思路是：“以電工和控制理論為基礎，以計算機為核心，強電與弱電相結合，元件和系統相結合”，結合應用型自動化本科專業人才培養的目標要求，以我校“電氣與電機”、“控制理論及應用”等系列課程實際情況，從實踐教學體系、實驗室建設、課程實驗、仿真實驗和綜合實驗、課程設計、大學生課外科技活動等諸多方面進行系統的一體化改革，使系列課程實驗前后銜接合理，知識能力培養螺旋式上升，課程建設相互配合。力求創建一套課內實踐教學和課外科技實踐活動一體化的新體系。

3.2 建立課程實驗、計算機仿真設計、課程設計、課外科技創新活動“四位一體”的實踐教學體系

根據上述實踐教學體系構建的目標，在實踐教學上，嘗試建立課程實驗(基礎、綜合、高級綜合)、計算機仿真設計、課程設計、課外科技創新活動“四位一體”的實踐教學體系。

3.2.1 課程實驗

在課程實驗方面，對課程內容和實驗教學安排進行精心設計，注意前后課程實驗教學內容、知識和能力的銜接、深化，認真總結實驗課教學和集中實踐教學環節實施兩輪的經驗，精選實驗課練習題和實踐環節專題，特別注重強化基本技能和動手能力上的培養。注重計算機仿真在實踐環節中的作用，將計算機仿真作為聯系理論和實驗、聯系各個實驗和實踐環節的紐帶。精心設計課程設計內容，使課程設計在專業實驗基礎上對綜合能力訓練起到重要作用。注重將課外科技創新活動與課內實驗和實踐環節有機結合，課內實驗和實踐環節為課外科技活動提供堅實基礎，課外科技活動為課內實驗和實踐環節提供生動案例，兩者相互促進。

課程實驗是實踐教學體系的基礎，在多年的探索實踐中，我們將自動化專業課程實驗分為以下幾類：

(1) 基礎實驗。基礎實驗包含自動化專業核心專業基礎課的實驗，例如自動控制原理實驗、電機與拖動原理實驗、電力電子技術實驗等。這些基礎性實驗對課程的依附性比較大，實驗的主要目的是通過基礎性實驗，熟悉自動化專業所涉及控制器設計、能量變換、執行及機電能量轉換等部件或設備的設計、使用、特性測量、調試及故障排除方法，為后續專業綜合實驗打下牢固基礎。

(2) 綜合性實驗。綜合性實驗包含電力拖動自動控制系統、過程控制、運動控制綜合實驗。這些實驗往往包含一個復雜系統，需要綜合運用基本實驗所培養的能力和專業基礎知識才能順利完成一個實驗任務，這些實驗可以為學生進行畢業設計所需實踐活動打下堅實基礎。

(3) 高級綜合研究性實驗。高級綜合研究性實驗包含控制系統半實物仿真、倒立擺控制、機器人控制等。這些實驗需要學生具備堅實的計算機(單片機或DSP)軟硬件知識，利用先進控制理論知識進行高級綜合研究性實驗，實驗內容具有挑戰性，需要學生靈活利用所學知識進行實驗設計、制訂實驗方案、檢驗實驗結果，對學生的能力培養具有很大益處。

在課程實驗體系的構建中，注意將基本的控制理論概念和方法(例如PID控制)在各個層次實驗中反復應用，體現螺旋式上升認識過程。

3.2.2 計算相仿真

計算機仿真是實驗教學體系中一個重要的環節和紐帶。我們除了在自動控制仿真實驗中系統介紹在Matlab環境下的控制系統仿真實驗外，還從基礎實驗開始，就將計算機仿真作為學生實驗的必要工具。在自動控制原理、電機與拖動基礎、過程控制、運動控制等課程綜合實驗及課程設計中，采用Matlab作為工具進行必要仿真，作為實驗的前期準備。這可以使學生對模型的重要性體會更深，真正實現自主設計。到了課外科技創新活動時，多數參與的學生達到熟練使用計算機仿真，將仿真作為進行相關設計的工具

3.2.3 課程設計

課程設計是專業實踐中的重要環節。我們在計算機控制系統、過程控制、運動控制均安排集中1 周時間的控制類課程設計，和綜合型課程實驗密切配合。進一步明確先進的課程內容設計和合理的教學安排，注意前后實驗教學內容、知識點與課程設計的銜接、深化，注意理論、實踐教學的相互配合，實施兩輪驅動。

3.2.4 課外科技創新活動

課外科技創新活動是實踐教學體系設計中提升創新能力、自主學習和設計能力的重要組成部分。我們將學科競賽和課外科技活動同傳統實踐課程相滲透相結合，實現理論課程和實踐環節一體化設計，探索實踐教學新模式。例如，將智能汽車競賽、機器人競賽等與控制原理類相關課程的理論與實踐密切結合起來，將這些系統的設計問題引入課堂上以豐富教學內容。為了使廣大學生都能參與，要將學生分類對待，對于競賽和課外科技活動的內容學生可以根據興趣和自身能力自選或在教師指導下選擇。所有學生分組分任務，動手能力弱的學生必須完成最初調研和整體設計部分，包括資料整理、方案論證和軟硬件初步設計，實踐能力強的學生通過層層選拔進入到最后硬件實現和軟件調試階段，這部分學生才需要實驗室的軟硬件資源。使多數學生都能參與到實際系統的設計中來，從而可鍛煉學生的自學能力和實踐能力，又能較好地解決實驗室資源緊張的問題。

總之，要建立課程實驗、計算機仿真設計、課程設計、課外科技創新活動“四位一體”的實踐教學體系，就要以課程實驗為基礎，以計算機仿真為紐帶，以課程設計為重點，以課外學科競賽和科技活動為補充，在基本能力方面反復訓練，在知識使用、能力訓練方面注意相互配合，使能力培養過程螺旋式上升，達到學生實踐能力獲得根本提高的目的。

4 實踐效果

幾年來，我校自動化專業控制理論系列課程教學團隊致力于實踐教學體系改革研究，做了許多工作，取得一定效果。“控制理論及應用”系列課程教學團隊由理論教學和實踐教學教師組成，研究方向屬于復雜非線性系統的建模、分析與控制、電機與電器、電力電子技術等學術方向，具體進行非線性系統控制與魯棒控制，智能控制、電機與控制、電力電子系統、系統辨識與故障檢測、工業過程控制等方面的研究。具有一批高水平學科實踐平臺，對專業平臺建設具有很好的引領和提升作用。

在實踐教學改革過程中，我們發揮教學團隊優勢，進行大“自動控制原理”、“電機與控制”系列課程建設和實踐環節改革，對先修、后續課程進行梳理，將控制理論及應用系列課程進行分類建設。其基本思路是“整體構建、閉環監控、強化實踐”，體現了鮮明特色。具體做法是“專業基礎課求精，專業課求新，知識面求廣”。將團隊所涉及課程、實驗及實踐平臺建設成為自動化專業和電氣工程專業的主要支撐，體現應用性、高水平的鮮明特色。爭取更多國家級、省部級和企業合作項目，不斷提高科學研究水平，使科研平臺建設、學科建設、特色專業建設與實踐教學質量提高相輔相成、互相促進、共同提高、持續發展。

經過多年建設，我校自動化專業教學改革方面取得了一些顯著成績：

(1) 由清華大學主持、我校作為主要參加單位之一完成的項目“我國高等教育自動化專業人才培養面臨的新問題與對策研究及實踐”，2009年9月獲第六屆國家教學優秀成果一等獎，2009年3月獲北京市高等教育教學優秀成果一等獎。

(2) 2010年，我院“電機與拖動”被評為北京市精品課程。2011年，“控制理論及應用”系列課程教學團隊被批準為校級優秀教學建設團隊。2009年—2013年，出版教材4部，其中“自動控制原理”為教育部自動化教學指導分委員會牽頭規劃的工程應用型自動化專業系列教材之一。

(3) 完成北京信息科技大學教學教改項目“自動化專業的自動控制系列課程建設研究”，獲2008年度校級教育教學成果二等獎；北京信息科技大學教學教改項目“應用型自動化人才培養模式與體系研究實踐”、 “電機與拖動精品課程建設”，獲2012年度校級教育教學成果二等獎。

(4) 我校自動化專業2008年被評為北京市特色專業建設點，2009年，自動化專業成為國家級特色專業建設點和校級創新人才培養試點專業。2012年又進入全國第二批“卓越工程師”計劃試點高校。

以上課程改革和實踐教學改革的做法和成果曾多次在自動化、電子信息類全國性教學經驗交流會介紹，得到較好反響。

5 結束語

工程教育面臨新的挑戰和發展機遇，現有的教育教學模式必須快速地做出調整，一方面，應該加強專業基礎理論知識的教學，打下牢固的專業理論基礎，使更多的學生有機會進一步深造；另一方面，應該培養一批動手能力強，具有創新意識的應用型人才，使其能夠更好地適應社會的需要。如何突出我校自動化專業的辦學特色、加強專業建設、創建應用型人才培養的控制系列課程理論教學與實踐教學一體化改革與實踐，是我們需要繼續深入研究和探索的課題。

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