《分布式控制系統》課程的工程化教學模式研究

趙寶永

摘要：在就業壓力逐年增大的形勢下，符合社會和企業需要的工程應用型人才卻嚴重短缺，需要高校不斷強化工程化教學，培養具有較強工程能力的技術人才。本文研究將CDIO工程教育培養模式和方法引入分布式控制系統的課程教學過程中，全面增強學生對課程的系統認識，優化教學大綱內容，并融入工程化教學理念，注重培養學生的工程實踐能力。

關鍵詞：《分布式控制系統》;工程化;教學模式研究

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0135-02

一、背景

近年來，高校畢業生規模逐年加大，就業形勢面臨多重壓力。雖然畢業生人數眾多，但仍存在著“求職難”和“用工荒”并存的尷尬局面。在科學技術日新月異的社會環境中，符合社會和企業急需的工程應用型人才嚴重短缺已成為不爭的事實，成為制約畢業生就業和用人單位招聘的現實矛盾。這就需要高校進一步加大工程應用型人才的培養力度，改進教學模式，不斷強化工程教育理念，根據社會用人需求優化課程教學大綱內容，著力培養學生的工程實踐能力。

目前，高校開始更加重視工程教育，以解決學生工程應用知識面狹窄、學習缺少自主性和創造性、缺乏適應社會生存和成長的團隊合作精神和交流溝通能力等問題，更加注重強化學科教育和工作實踐相結合，培養學生系統深厚的應用技術實踐能力[1]。在20世紀80年代和90年代，為應對工程技術人才短缺和工程教育質量不能適應社會用人需求的問題，眾多國家掀起了工程教育改革的浪潮，CDIO工程教育成為影響最廣泛、接受國家最多的一種教育模式[2]，其獨特的培養模式和方法在高等教育中得到了普遍推廣，收到了很好的教學效果。

在現代工業發展中，分布式控制系統是過程自動控制的一種主流系統，是控制工程師必須掌握的基本技能之一。《分布式控制系統》課程是高校信息類學生的一門專業課，其主要依托于控制論、信息論、系統論的知識體系基礎，內容涵蓋了自動控制原理、計算機控制系統、智能控制技術、通信工程以及工程設計技術等方面的知識，是一門系統性強、理論和實踐體系明晰的課程，教學目標著眼于培養學生的工程設計與應用能力。結合該課程所具有的明顯的工程應用背景，使其更加適用于工程化教學。課程圍繞分布式控制系統的概念、特點、結構、原理，主要講授硬件配置、軟件組態，以及操作、維護、安裝調試等方面的知識，要求學生掌握各類網絡拓撲結構在分布式控制系統中的應用，培養學生利用各類知識掌握分布式控制系統的工程化設計的基本過程。由于該課程具有較強的專業技術性，課程學習的前沿知識面較廣，學生理解理論較難，通過理論學習上升到實踐更加具有挑戰性。傳統的課程講授主要是從計算機控制系統開始，循序介紹硬件結構、軟件組態、控制算法、通信原理等內容，通過實驗對知識進行融會貫通，學生的工程理念難以建立，知識體系框架容易零散，工程能力的培養無法提升到應用實踐層面。

二、工程教育教學理念

工程教育的目的是在學生從事職業前培養其具備較好的工程能力和深厚的技術基礎知識，為學生成為社會所需、實踐能力強的合格工程師提供專門技術、社會意識和創新精神等方面的學習教育。因而對課程進行工程化教學模式的研究具有重要的意義，將有利于對學生進行系統化的工程能力培養和知識體系構建。在工業技術、可持續產品、過程和系統的復雜環境中，知識、能力和態度的結合是加強高效、創業和卓越所必需的必要因素[3]。CDIO（conceive—構思、design—設計、implement—實施、operate—運行）便是2004年由美國馬薩諸塞州劍橋的麻省理工學院、瑞典哥德堡的查爾摩斯工業大學、斯德哥爾摩的皇家理工學院、林雪平的林雪平大學等四所高校在沃倫伯格基金會資助下共同開發和實施的一種全新工程教育理念和實施體系[4]。這種教育模式以CDIO教學大綱和標準為基礎，通過主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式使學生易于學習和獲取工程能力，培養學生的科學與技術知識、終身學習能力、交流和團隊工作能力[3]。“構思”階段主要包括確定顧客需求，考慮技術、企業戰略和有關規章制度、發展理念、技術和商業計劃;“設計”階段集中在創建設計，主要包括計劃、圖紙和描述產品、過程和系統實施方案設計等;“實施”階段指完成從設計方案到產品的轉化過程，包括硬件制造、解碼、軟件編程、測試和驗證，以及設計方案的確認;最后的“運行”階段則主要是用投入實現的產品、過程和系統對前期程序進行評估的過程，為用戶提供預期的價值，包括對系統的維護、改進、回收和淘汰等[1][3]。

三、工程教學模式下的課程設計

CDIO工程教育教學模式沒有固化的規定，但應建立具體的由相互支持的技術領域和個人、人際交往能力以及產品、過程和系統的建造能力等高度交叉的能力所組成的課程計劃，使學生能夠通過現代工程實踐獲得豐富的設計實踐經驗[3]。CDIO教學模式以培養學生的全面發展為核心，教育學生明確如何在社會工作中，圍繞團隊工作環境的變化，構思、設計、實施、運行復雜、高附加值的產品、過程和系統。本文對教學內容組織和工程化教學大綱進行研究設計，從教學導向上解決工程理念在學生實操能力中的根植問題。

1.教學內容組織。在教學內容組織過程中，要著重做好以下四點：一是既要將“分布式控制系統”課程內容與控制論、信息論、系統論等學科基礎理論相銜接，又要將自動控制原理、計算機控制系統、智能控制技術、通信工程以及工程設計技術等先導課程的內容進行橫向與縱向的連貫設計，充分體現CDIO模式中關于集成課程設計的理念。二是選擇精品教材，在進行理論教學過程中，注重加強工程科學基礎知識的講授，拓展工程專業知識內容;同時，結合現代工業技術領域的新理論、新技術、新產品來設計實踐與應用教學內容，并隨著工程技術的發展演變及時更新教學內容[6]。三是開展一體化學習經驗教學，教師在授課過程中要注重培養學生的情商和溝通技能以及工程設計的能力，在生產實習、畢業設計等教學環節中要有意識地聘請企業專家、一線工程師指導學生的學習活動，讓學生充分參與到實踐教學內容的設計中。四是培養學生主動學習，教師在授課過程中要主動營造輕松愉快、積極活躍的課堂教學氛圍，注重發揮教師的主導作用，調動學生學習過程中的積極性，提高學生的學習興趣，鼓勵學生主動學習。endprint

2.工程化教學大綱設計。CDIO工程化教學大綱的設計，應給出4個層次的具體內容：“技術知識與推理”、“個人能力、職業能力和態度”、“人際技能、團隊工作和溝通”、“在企業和社會環境下，系統的構思、設計、實施和運行”[3][5]。

在“技術知識與推理”層面，主要包括相關科學知識、核心工程基礎知識、高級工程基礎知識三方面內容。相關科學知識可細分為計算機文化基礎、計算機控制技術、自動控制理論、控制工程基礎、數據通信技術等。核心工程基礎知識可細分為：體系結構，包括硬件（現場控制站、操作站、冗余技術、系統通訊設備、典型的分布式控制系統構成事例）、軟件（軟件概述、控制層軟件、監督控制軟件、組態軟件、典型分布式控制系統軟件應用分析）;控制算法（PID控制、前饋控制、解耦控制、時滯補償控制、選擇性控制、串級控制、均勻控制、比值控制、推斷控制、順序控制等）;數據通信（基本概念、網絡標準、網絡協議）;性能指標（可靠性、易操作性、可組態性、安全性、提高系統利用率的措施）。高級工程基礎知識可細分為：軟硬件組建（硬件選配、軟件選配）;工程設計（圖形符號和文字符號、工程設計流程、安裝調試與驗收、典型分布式控制系統工程應用）。

在“個人能力、職業能力和態度”層面，研究加強工程推理和解決問題的能力培養方面的設計，通過以換熱器、精餾塔、鍋爐、管式加熱爐、變換爐、薄頁紙生產線、軋鋼過程等實際工程實例為研究對象，以工程分析的方式培養學生發現問題和表述問題的能力，通過模型構建、定性分析等手段，研究解決工程問題的方法。在“人際技能、團隊工作和溝通”層面，結合生產實習、課程設計、畢業設計等環節，引導學生自主建立學習團隊，明確任務分工，選擇一個分布式控制目標對象，通過團隊協作方式，完成對研究對象的分布式控制策略設計。在“在企業和社會環境下，系統的構思、設計、實施和運行”層面，培養學生感悟工程職業目標和角色內涵，增強學生的工程師社會責任感，使學生認識社會企業的運行機制、企業文化、企業戰略規劃等，系統地教授學生如何完成一項工程設計的構思、設計、實施、運行等全過程。

參考文獻：

[1]王坤，羅云林.基于CDIO的《控制理論與工程》課程綜合改革研究[J].教育教學論壇，2014，（48）：114-116.

[2]張慧平，戴波，劉娜，張立新，王鳳全，魏文淵.基于CDIO教育理念的自動化課程的改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2009，31（增刊）：138-141.

[3]克勞雷，等.重新認識工程教育——國際CDIO培養模式與方法[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009.

[4]王碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學院工程教育的經典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究，2009，28（4）：116-119.

[5]劉會英，蓋玉先，徐寧.探索適合我國國情的CDIO工程教育模式[J].實驗室研究與探索，2011，30（7）：106-110.

[6]潘庭龍，沈艷霞.CDIO模式下“運動控制系統”課程教學體系研究[J].中國電力教育，2009，（151）：129-130.endprint