工程教育認證背景下自動控制實驗教學(xué)研究

郭 鵬，陳曉雷，仇國慶，蔡 軍，張開碧

（重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認證的核心就是要確認工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求，是一種以培養(yǎng)目標和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價。[1]

工程教育專業(yè)認證的理念：（1）以學(xué)生中心。強調(diào)以學(xué)生為中心，圍繞培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的達成進行資源配置和教學(xué)安排。（2）成果導(dǎo)向。強調(diào)專業(yè)性教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施以學(xué)生接受教育后所得的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，并對照畢業(yè)生核心能力和要求，評價專業(yè)教育的有效性。（3）持續(xù)改進。強調(diào)專業(yè)必須建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進機制，能持續(xù)跟蹤改進并用于推動專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升[2]。因此畢業(yè)要求達成度評價作為實施成果導(dǎo)向教育的重要依據(jù)。而在工程教育認證的12條畢業(yè)要求中，對“復(fù)雜工程問題”的識別、分析和解決能力是最重要的能力。

復(fù)雜工程問題源自現(xiàn)代工程的多樣性、綜合性、多學(xué)科融合等特征。2018版公布的工程教育認證標準中，有8條明確地含有“解決復(fù)雜工程問題”的要求，就說明復(fù)雜工程問題在專業(yè)認證中的重要性。

我校自動化專業(yè)于2019年通過工程教育認證。由于歷史的原因，大多數(shù)教師還停留在傳統(tǒng)教學(xué)方法。即圍繞著“三中心”：“課堂中心”“教材中心”“教師中心”進行教學(xué)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式往往形成了老師單向灌輸、學(xué)生被動接受的局面。容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣[3]。如何落實“以學(xué)生為中心”工程教育的基本理念還缺乏深入研究。評估專家在現(xiàn)場考察時指出我校的自動化專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的在理解復(fù)雜工程問題、解決復(fù)雜工程問題的能力還缺乏有效地支撐。

1 我校運動控制實驗項目的現(xiàn)狀

“自動控制系統(tǒng)實驗”是我校自動化專業(yè)的專業(yè)核心實踐類課程，在目前的教學(xué)過程中：（1）自動控制系統(tǒng)實驗僅被定位于實踐教學(xué)，實驗環(huán)節(jié)和步驟仍較為簡單，過于強調(diào)對基礎(chǔ)理論的理解和驗證，實驗內(nèi)容的綜合性、復(fù)雜性、設(shè)計性不足；（2）自動控制系統(tǒng)實驗近年來固定不變，缺乏創(chuàng)新性。

圖1 智能小車控制系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)平臺設(shè)計方案

教學(xué)團隊已充分認識到目前教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，已經(jīng)進行了以下持續(xù)改進方案：根據(jù)我校自動化專業(yè)的教學(xué)特點，結(jié)合我校信息學(xué)科優(yōu)勢，借鑒其他高校的經(jīng)驗，以提高學(xué)生處理解決復(fù)雜工程問題的綜合能力為背景，搭建了智能小車控制系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)平臺，開設(shè)主要內(nèi)容為直流電機為控制對象，以單片機為核心搭建硬件平臺，設(shè)計控制器，涉及信號檢測、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試等知識等綜合性研究性實驗。后續(xù)可指導(dǎo)表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生參與該方向的課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計。

2 課程目標

（1）課程目標1：具備自動化專業(yè)所需的設(shè)計/開發(fā)能力和創(chuàng)新意識，在解決自動化工程等領(lǐng)域復(fù)雜工程問題時，綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等非技術(shù)因素，制定解決方案、設(shè)計滿足特定需求的自動化部件或系統(tǒng)。

（2）課程目標2：能夠選擇、使用系統(tǒng)仿真、理論分析、實驗驗證等技術(shù)和文獻、數(shù)據(jù)庫等資源，運用Matlab/Simulink、Proteus、組態(tài)軟件等現(xiàn)代工程工具及測試儀表，解決自動化工程等領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。

（3）課程目標3：能夠就自動化工程等領(lǐng)域復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，并具備一定的國際視野，包括撰寫報告和設(shè)計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應(yīng)指令，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

表1 課程目標對畢業(yè)要求指標點的支撐關(guān)系

3 根據(jù)課程目標進行任務(wù)分解：運用工程原理，經(jīng)過分析得到解決方案

（1）目標任務(wù)——直流電機以光電編碼器為檢測裝置，通過單片機計算控制量，以實現(xiàn)不同參考速度下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

（2）被控對象——必須深入分析直流電機的數(shù)學(xué)模型才能進行有針對性的控制設(shè)計方案。

（3）硬件設(shè)計——只有掌握并靈活運用單片機才能完成轉(zhuǎn)速測量模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、輸入模塊、電機驅(qū)動電路模塊等設(shè)計。

（4）軟件設(shè)計——在學(xué)習(xí)掌握C語言及單片機理論的基礎(chǔ)上，與硬件電路相結(jié)合，靈活運用編程方法，完成電機轉(zhuǎn)速測量、數(shù)據(jù)顯示、控制參數(shù)調(diào)節(jié)等功能設(shè)計。

（5）控制設(shè)計——在學(xué)習(xí)掌握自動控制理論的基礎(chǔ)上，通過實驗觀察到直流電機存在的非線性特性，才能深刻理解線性控制器的局限性，設(shè)計分段PID或采用模糊控制等非線性控制設(shè)計方法，完成較為理想的控制算法設(shè)計。

（6）使用現(xiàn)代工具——實驗項目的開發(fā)需掌握多種現(xiàn)代工具。開發(fā)方面，硬件包括基礎(chǔ)的示波器、信號發(fā)生器、直流電機、編碼器，以及嵌入式MCU調(diào)試使用的JTAG、BDM，軟件包括Proteus、開發(fā)環(huán)境Keil、MDK等等；控制算法設(shè)計方面包括Matlab/Simulink等。

（7）綜合性——涉及電機學(xué)、單片機技術(shù)、信號檢測、自動控制理論、電路設(shè)計等多方面的理論技術(shù)；所需功能及性能要求涉及元器件選型、經(jīng)費、制版、調(diào)試電路等具體問題；對于完成較好的隊伍，后續(xù)可考慮結(jié)合更為復(fù)雜的工程案例作為課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計選題，如無人機控制、智能車控制、倒立擺控制等。

4 與智能車競賽相結(jié)合，采用學(xué)科競賽驅(qū)動式的案例教學(xué)設(shè)計

我校從2018年，連續(xù)3年承辦了“恩智浦”杯智能車競賽西部賽區(qū)的比賽。根據(jù)承辦競賽的經(jīng)驗，結(jié)合工程教育論證的基本理念，將智能車競賽引入實驗教學(xué)。即教學(xué)與競賽相結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新意識。學(xué)生參與創(chuàng)新的積極性和主動性是最為關(guān)鍵的因素。采用學(xué)科競賽驅(qū)動式的教學(xué)是以“比賽為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方法[4]。是一種賽教結(jié)合的教學(xué)創(chuàng)新思路。通過頂層設(shè)計，將課程知識點從上而下分解，生成知識點清單。圍繞這些知識點組織教學(xué)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下全程參與方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、動手組裝等，實現(xiàn)的全過程、全員參與的活動。是一種開放式的教學(xué)形式。培養(yǎng)學(xué)生面對工程復(fù)雜問題，獨立思考、分析問題、解決問題的能力，以及協(xié)同合作能力等。同時提高其綜合素質(zhì)，樹立終身學(xué)習(xí)意識。

在實驗教學(xué)中，要求學(xué)生，根據(jù)“恩智浦”杯智能汽車競賽規(guī)則，自主設(shè)計控制方案，組裝智能車，根據(jù)競賽的規(guī)則、要求搭建比賽道路場地。在最短的時間內(nèi)，完成比賽規(guī)定的動作要求為勝。智能車競賽實驗項目的設(shè)置，完全符合工程教育論證要求的復(fù)雜工程問題諸多指標點，主要包括：硬件設(shè)計、電子技術(shù)、程序編程、單片機應(yīng)用、車輛運動學(xué)、動力學(xué)、信號處理、自動控制、圖像處理、模式識別等。該競賽涉及眾多基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程，屬本專業(yè)各知識點應(yīng)用的綜合項目。涵蓋了機械、電子、傳感器、計算機控制等多學(xué)科交叉與融合的科技創(chuàng)意性比賽，主要實驗項目由道路識別、圖像處理、角度及車速控制等功能模塊組成。

將智能車設(shè)計引入控制綜合實驗，作為持續(xù)改進環(huán)節(jié)，其意義在于：

（1）積極培學(xué)生的本專業(yè)科研工作能力。智能車競速賽主要是根據(jù)智能競賽組委會事先制定好的智能競賽的規(guī)則，通過學(xué)生認真的努力，尋找解決具體問題方案，用時最少，完成競賽的一種方法。在這過程當中，就要求學(xué)生面對復(fù)雜工程問題，列出問題清單，對各種問題逐—進行細化與分解，促使學(xué)生去積極努力地尋找改進提升自己水平的各種方案來提升自己智能車的比賽的速度。競賽過程也就是在一個進行科學(xué)問題探索思考及實踐研究解決問題的一個過程，鍛煉培養(yǎng)和充分挖掘發(fā)揮了學(xué)同學(xué)們獨立思考各種問題能力的潛力。

（2）有助于提升實驗項目的教學(xué)效果。學(xué)校每年都會舉辦全校性的智能車競賽。要求自動化專業(yè)的同學(xué)都要參加校級及以上比賽。使得每一位學(xué)生都有可能夠帶著各種競賽問題走進實驗教學(xué)課堂。在課堂中進行討論、探索，加深實驗教學(xué)內(nèi)容的理解，從而掌握知識要的。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。智能車競賽涵蓋了信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)和機械等多個學(xué)科交叉融合。對自動化專業(yè)的學(xué)生而言，對智能車設(shè)計及控制的知識點較多、完全掌握較為困難，這就要求學(xué)生在準備比賽時，查閱相關(guān)文獻資料，并掌握理解，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的知識基礎(chǔ)和自主學(xué)習(xí)的方法。

（4）培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。智能車比賽實驗項目本身就是一個復(fù)雜工程問題，需要自動化專業(yè)的學(xué)生具備本專業(yè)所需的設(shè)計/開發(fā)能力和創(chuàng)新意識同時，需要綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等非技術(shù)因素，制定解決方案、設(shè)計滿足特定需求的部件或系統(tǒng)。通過智能車比賽這樣一個復(fù)雜過程系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生從方案設(shè)計、動手制作、系統(tǒng)調(diào)試，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要結(jié)合自己掌握的理論知識的基礎(chǔ)上，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，找到解決新方法，不斷地迭代。并且不斷地更新和完善自己的知識體系結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)創(chuàng)新[5-6]。

（5）培養(yǎng)競爭意識與合作精神。實驗前，組建智能車競賽小組，實驗小組長，根據(jù)實驗任務(wù)，自上而下進行任務(wù)分解，分配至實驗小組成員，成員之間只有加強溝通、互相信任、團結(jié)協(xié)作，才有可能圓滿完成既定任務(wù)。各實驗小組之間又存在競爭關(guān)系，要完成實驗項目，取得好的成績，項目組之間免不了要進行競爭。

（6）增長見識和提高綜合素質(zhì)。學(xué)生通過了解車模制作、布局、參數(shù)設(shè)置及調(diào)試等諸多問題，不斷地積累、總結(jié)。使得自己的知識不斷地積累，不斷完善。

（7）培養(yǎng)歸納與總結(jié)的能力。在實驗完成后，要求撰寫實驗報告。要求學(xué)生對比賽的技術(shù)做出必要的歸納和總結(jié)。陳述清晰地表達個人觀點。

5 結(jié)語

本課程改革實踐表明，通過對自動控制系統(tǒng)實驗進行持續(xù)教學(xué)改進，在提升學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力過程中，綜合考慮了工程知識、經(jīng)濟管理和社會責任等非技術(shù)因素，鍛煉了學(xué)生的工程應(yīng)用能力，提高了本專業(yè)學(xué)生在經(jīng)濟、健康、文化、環(huán)境和社會責任感等方面的認識。通過實驗課程的改革，自動控制系統(tǒng)實驗有效提高了學(xué)生對解決“復(fù)雜工程問題”的能力，達到了自動化專業(yè)工程教育認證的畢業(yè)要求。本專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生社會滿意度進一步得到提升。