面向“新型工程師”培養的現代控制理論課程改革與實踐

任 彥　劉慧博

內蒙古科技大學信息工程學院　內蒙古包頭　014010

面向“新型工程師”培養的現代控制理論課程改革與實踐

任 彥劉慧博

內蒙古科技大學信息工程學院內蒙古包頭014010

根據“新型工程師”的培養要求，在現代控制理論課程的教學中，注入CDIO教育理念，依托實際工程項目，結合PBL和JTT教學方法，構建創新型理論與實驗教學體系，激發學生的主動學習興趣，培養學生CDIO所要求的多種能力,促進高素質人才的培養。

現代控制理論；“新型工程師”；CDIO；基于問題的探究式教學；及時教學

當今世界，經濟、科技飛速發展，以高新技術為主導的知識經濟的發展，讓我們進入信息化社會。新型的人才成為一種新的戰略資源被世界各國所爭奪，培養新型的人才得到越來越多國家的重視，并將其落實到各項教育改革中[1]。我國教育教學改革也越來越重視新型人才的培養，因此實施創新型教育機制、改革人才培養模式及提高學生綜合素質是我國教育改革有待解決的重要問題[2]。

隨著自動控制技術在整個經濟產業的高速發展及應用，教育部提出在本科教學中要加強學生實踐能力的培養。與此同時，理論基礎的重要性日漸凸顯，這就要求自動化專業的理論教學與時俱進，讓學生在掌握理論基礎的同時，真正做到理論聯系實際，理論應用于實際。

CDIO工程教育理念是當今國際高等工程教育的一種創新模式。CDIO以構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)以及運作(Operate)為主線，以工程項目為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習[3,4]。CDIO模式通過團隊設計和實踐環節的訓練，要求在人才培養的過程中，培養學生扎實的專業理論基礎知識，強化學生工程能力和專業技能的培養，使學生具有卓越型工程師的綜合素質[5]。

基于問題的探究式教學(Problem Based Learning，PBL)[6]和及時教學(Just-in-Time Teaching, JTT)[7]都是激發學生學習的主動性和思維的創新性的有效教學手段。

因此，將CDIO理念融合到教學中，并結合PBL和JTT教學方法，以實際案例為驅動進行教學，這必將促進理論課程與實踐知識的結合，真正實現理論實踐一體化的課程建設目標。

1　教學中普遍存在的問題

現代控制理論課程作為自動控制原理的后續課程和自動化本科的專業基礎課程在我校已開設多年, 同時該課程也是碩士研究生學位課線性系統理論課程的基礎，其重要性不言而喻。

現代控制理論這門課程具有跨學科、概念抽象、公式多、數學推導煩瑣、難以理解等特點，因此在課程的教學工作中往往表現為：重視理論知識的講授，忽略工程方面的應用；內容抽象難懂；實驗教學與實際應用脫節；重視理論知識的學習、輕視實踐、創新能力的培養；強調個人能力的提高、忽視團隊協作精神[8]。國內學校針對該課程存在的問題主要進行了以下幾個方面的改革：教學模式的改革、實驗課建設的改革及考試機制的改革[9,10]。然而，這些改革方法在理論與實踐結合、學生綜合能力培養方面尤顯不足。

綜上可見，現代控制理論課程的教學內容及模式對學生創新能力及工程實踐能力培養方面存在不足，與本校卓越工程師培養計劃相違背。因此，在現代控制理論課程的教學中，如何以理論基礎為依托，實際案例為驅動，培養卓越型工程技術人才是現代控制理論課程作為理論教學所面臨的新問題，也是該門課程改革的重要內容。

2　教學改革解決的問題

課程學習、實際工程訓練及能力培養“三位一體”的教學模式將是理論教學今后的發展趨勢。結合我校本科生的培養定位及我校自動化專業“卓越工程師教育培養計劃”，以“培養工程應用型人才”為視角，充分分析當前社會對人才需求的條件，結合本校生源特色和教學團隊的教學心得，建立了結構化的理論課程教改體系。本次教學改革將解決如下問題。

(1)教學內容是本次改革的基礎。基于CDIO培養理念，分析學生的實際情況，根據課程的內容、新技術的發展及理論與實踐之間的聯系，圍繞實際對象建模、性能分析、控制方法、MATLAB仿真驗證和實際對象控制這一主線選擇典型的實際工程案例，并將實際案例貫穿于整個教學過程中。

(2)學生能力的培養是本次改革的重點。參考CDIO工程教育能力培養大綱的內容，按4個層次的能力培養設計教學內容，提高學生工程應用能力和創新能力，增強學生團隊合作能力和解決問題能力，從理論課教學角度提升學生的實踐、創新能力。

(3)教學模式的改革是本次改革的難點。針對教學內容進行合理調整與改進，以實際案例為導向，以PBL和JTT教學方法為手段，建設網絡資源共享平臺，構建立體化的創新實驗教學體系，推進課程考評改革，激發學生主動學習的動力，培養學生主動學習的興趣。

(4)教師隊伍的建設是本次改革的瓶頸問題。CDIO模式下的現代控制理論課程教學改革也將提升教師工程實踐能力，促進“雙師型”隊伍的培養。同時，也促進教師將理論研究方向的相關內容引入教學，即將科研課題引入教學，凸顯了科研與教學的結合的優勢。

綜上所述,在宮頸癌早期篩查中實施護理干預及健康知識宣教能夠有效改善患者焦慮、抑郁狀態,增強其疾病健康知識掌握和運用能力,具有極高的臨床應用價值。

3　教學改革的實施內容

3.1教學理念及教學目標的正確定位

教學理念是整個教學過程的靈魂和指揮棒，它決定了教學體系中每個環節的構成模式、發展方向、改革方向，因此具有先進意義、創新思維的教學理念能夠形成更加科學、合理的培養模式，更加優化的教學體系，也更有利于創新型人才的培養。此外，教學理念的發展理應與時俱進，要隨著學科發展、專業認知、社會需要的提高而改進。因此，在教育部提出“高等學校本科教學質量與教學改革工程”及“關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見”的背景下，先進的、創新的教學理念顯得尤為重要。

我校自動化專業以培養學生的工程實踐能力和創新素質為目標，基于“大工程”理念構建自動化專業“學以致用、能力為本、就業為上”的人才培養模式[11]?；贑DIO的教學理念正符合培養我校自動化專業本科生的實踐能力與創新能力的發展要求，在這一理念下，合理定位現代控制理論課程教學目標是教學改革行之有效的前提和保障。我?，F代控制理論課程的教學目標是樹立以實際項目案例為載體的教育目標，構建立體化的創新、實驗教學體系，激發學生學習興趣，從理論課的教學層面上，培養學生CDIO所要求具備的多種能力，真正實現理論實踐一體化的教學模式。

3.2以工程項目為導向設計教學內容

數學內容過多、實際問題較少，使得現代制理論課程過于枯燥，無法激發學生對于理論學習的興趣。但是對于課程本身來說，最終目的是讓學生將理論應用于實際，實現理論實際一體化的目標。因此，根據授課內容、學生實際情況，選擇典型的實際控制系統，從實際案例出發，抽象出數學模型，分析研究其運動規律，讓學生主動參加實踐訓練，通過對實際案例的學習與訓練，讓學生真正達到“做中學”。

CDIO 模式下的現代控制理論課程教學體系結構如圖1所示，以工程應用為背景，涵蓋內容豐富，涉及多門基礎知識，是一門綜合型課程。在教學活動中，以相關的基礎專業理論知識為依托，實際案例為載體，在教師的組織下，以學生自主性學習為基礎，引導學生對相關內容進行前期調研，從而激發學生的主動學習熱情。課程實行理論教學與實踐教學教師負責制，實踐教學教師提供教學實驗案例，負責學生的實踐訓練活動，理論教學教師負責從實踐案例中提取系統數學模型、運動特性及控制特性，結合現代控制理論課程的理論內容向學生進行講授；同時將學生分成小組，以小組為單位，按照要求完成實際案例的構思、設計和實施，進行討論、協作學習，以達到對所學知識的融會貫通，從而培養學生的團隊協作能力、提高學生對未知知識的探索能力。

圖1　CDIO模式下的現代控制理論教學體系

3.3以實際案例為依托創新教學模式

以實際項目為依托，將PBL與JTT方法引入到現代控制理論課程的教學中，其結構如圖1虛線框所示，該教學模式通過對設置預習問題、調整教學計劃、進行課堂教學、加深知識理解4個教學環節的研究及實施，達到了激發學生的學習興趣，提高學生分析、解決問題的能力，增強學生對實際項目的認識及分析能力的目的，其核心內容是 “反饋機制”，利用課堂、網絡平臺等有效手段解決學生學習中存在的問題，同時通過網絡平臺，教師和學生可以及時獲得教學效果和學習效果的評價。

(1)通過講解相關工程案例，刺激學生對這門課程的重視和熱情。案例教學的方法可以從《緒論》部分開始，貫穿到整門課程的始終。

(2)設立預習問題。以實際工程案例為導向，整理教學內容，將知識點進行整理，設立預習問題，在進行課堂教學前將預習問題布置給學生，安排學生查閱資料。通過這樣的形式，提高教學效果，培養學生思考、分析及解決問題的能力。

(3)調整教學計劃。通過檢查學生預習問題完成的情況，了解學生課前掌握的情況，根據學生掌握的情況及時調整教學內容。

(4)課堂教學及問題討論。教學過程中就某個知識點提出問題，引導學生進行分析，通過分析，讓學生進一步思考，真正了解教學目的和教學要求，讓學生更加明確解決問題的方法。通過課堂的互動，活躍課堂氣氛，培養學生主動思考和解決問題的能力，讓學生對所學知識點進行深入理解和掌握。

(5)加深對知識的理解與應用。經過上述教學過程，教師可以直接獲得學生學習情況的“反饋”信息，并依據此信息布置課后作業、設置新一輪的預習問題， 通過師生互動、主動學習及網絡學習環節，學生將主動的尋找到解決問題的方法，加深了對所學知識的理解與應用。

整個教學程序和方式的設定，是為了讓學生在課堂外對知識進行更好的延伸和探究，向學生提供思考和創新的空間，學生在掌握基礎知識的同時，增強了創新思維能力的鍛煉。

3.4構建立體化創新教學實驗體系

根據企業需要、辦學定位及學校實驗環境，構建“三位一體”的立體化實驗教學體系，并依據此確定教學、實驗內容。CDIO倡導“基于項目的教育與學習”，實驗內容的設計是整個教學改革的重要環節，實驗內容應充分體現出實際項目設計的思想，通過實際項目的設計、實施來提高學生的工程能力和實踐素質。

現代控制理論課程實驗教學體系要做到由淺入深、分層面、多程度、互協助的設計方針開展。在整個實驗教學過程中，將完整的實際項目分成多個部分，在不同的教學階段完成，其具體結構如圖2所示。實際對象建模與分析、基礎理論實驗由理論教學教師負責，綜合系統仿真設計實驗與實際項目綜合實驗由實驗教學教師負責。

建設創新型現代控制理論課程實驗環境是實驗教學的保障，利用網絡環境、計算機技術， 建立網上實驗室，讓學生利用網絡環境來完成實驗系統的設計。利用網上實驗室平臺和MATLAB軟件，搭建網絡仿真教學實驗平臺，學生可以根據所學現代控制理論課程的知識，設計自己的仿真實驗內容，為下一步具體實踐提供仿真支撐與驗證。工程項目實驗以4～6人為單位分組進行，讓學生在實驗中構成一個團隊，設計團隊的工作理念。在項目實施過程中讓學生充分認識到項目帶給他們的挑戰，從而使學生具有壓力，以激發學生的學習動力。通過互相協作，共同完成實驗項目的設計和實施，在這個過程中，既鍛煉了學生的實踐能力又培養了學生的團隊合作精神。

圖2　現代控制理論課程實驗教學體系結構

3.5推進多層面的教學評價模式

傳統的教學評價形式存在很多弊端，早已不能滿足教學改革的需要，在PBL和JTT的教學評價中，要以真實性評價作為基礎，關注學生學習過程。在本課程改革中,主要用到了范例展示、評價量規、電子學檔、學習效果及課程評價4種方式。

(1)通過范例展示向學生展示優秀的學生作品，為學生提供清晰的預期學習目標。

(2)從與評價目標一致的角度出發，制訂出師生共同認可的評價量規，并把考核方法及手段制定到量規中，構成一種結構化標準。我校采取了分階段、多模式的考核形式，結合實驗教學體系內容，在每個模塊學習結束后，針對學習內容對學生進行考核，及時評價學生對知識的掌握程度。這樣的測試方式既可以讓學生及時了解自己的掌握情況，又可以保持學生學習的緊張態度，讓學生能夠充分的“認識自我、明確壓力、調整方式、提高能力”。

(3)加強對學生平時學習的督促，為學生制定電子檔案，對學生在各階段的學習情況進行及時的評價與反饋。

(4)在課程學習過程中，要求學生對學習效果和課程內容進行評價，通過“反饋機制”教師可以調整、完善課程的理論教學與實踐教學內容。

4　結束語

現代控制理論課程的改革一切以學生為本，充分利用及合理配置實驗室現有資源，以理論基礎為依托，工程項目為載體，向“新型工程師”看齊，鍛煉學生的實踐能力、創新能力以及人際合作能力。經過實踐，將CDIO理念、PBL與JTT相結合的教學方法應用于現代控制理論課程教學中，已經取得了良好的教學效果，深受廣大學生的喜愛。

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Teaching Reformation and Practice on Modern Control Theory for "New Generation of Engineers"

Ren Yan, Liu Huibo
College of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, 014010, China

According to the training requirements of the new engineer, introducing the conception of CDIO into the teaching of Modern Control Theory. According to actual engineering project, combine teaching metods of PBC and JTT, build the Creative theory and experiment teaching system, stimulate learning interest of collage student, and developing the students' ability which the CDIO requirements. It is good to the cultivation of high quality talents.

modern control theory; "new generation of engineers"; CDIO; PBL; JTT

2016-03-24

任彥，博士，副教授。

內蒙古科技大學重點教學改革研究項目(編號：JY2014012)；內蒙古科技大學研究生優質課程建設項目。