引入CDIO工程理念的自動控制原理實驗教學改革探索與實踐

羅玉蘭 朱科 易杰 鄒林陽

摘?要：本文以CDIO工程教育理念為指導，針對我校自動化類專業自動控制原理實驗傳統授課模式下存在的問題和課程特點，完善了該課程教學改革的內容，提出了具體課程改革實施方案，構建了面向全過程的課程考核模式。筆者在實際教學過程中做了初步的探索，實踐表明該教學模式有助于學生的創新能力和工程意識的培養。

關鍵詞：CDIO理念;自動控制原理實驗;教學;改革

中圖分類號：G642;TP134??文獻標識碼：A

“自動控制原理”是自動化、電氣工程及其自動化專業重要的專業基礎課程，是過程控制、運動控制以及各種智能控制的理論基礎[1]。實驗作為自動控制原理的重要組成部分，成為控制理論與實際工程之間不可缺少的紐帶。新工科背景下，人才培養的要求日益提高，不僅要求教師在理論授課過程中引入工程系統的概念[23]，同時更應該通過實驗教學來逐步培養學生將理論知識應用于工程實際的意識，形成系統的觀念。CDIO工程理念是國際前沿最先進的教育理念之一，將CDIO工程教育理念融入自動控制原理實驗教學中，通過實驗整合各科知識，同時在實驗課程中重點開設綜合型、創新型的工程實踐項目類實驗內容，著重培養學生綜合知識運用能力、工程系統能力和創新能力。

1?教學改革的必要性

我院一直以來自動控制原理實驗教學采用的都是模擬實驗箱搭配計算機平臺的傳統教學模式，學生在實驗過程中只是簡單地按照實驗指導書的要求完成實驗內容，測得實驗結果，對理論課程講授順序對理論方法進行驗證，使的實驗演變成連接導線的“機械性實驗”。從近幾年的教學效果分析來看，這種實驗教學方法教學效果十分不理想，整個過程學生缺乏思考，影響了理論學習的積極性，同時理論與實踐的脫節不利于在畢業設計和今后的工作當中將專業知識系統化應用到工程實際項目中去，從而影響了學生的創新能力和工程實踐能力的培養。實驗項目內容過于簡單，大多數都是驗證性實驗，對于學生沒有挑戰性，不能激發學習的積極性。實驗課程的考核只注重結果不注重過程，實驗報告占比高達40%;考核方式較單一，全部是教師評價學生，此種成績評定方式不利于培養學生發現問題和解決問題的能力。鑒于以上總結的傳統教學方面存在的各種不足，提出了引入CDIO工程理念的自動控制原理實驗課程教學改革。

2?實驗教學內容改革

2.1?遞進式的實驗項目內容設計

結合CDIO工程教育理念，在自動控制原理實驗教學內容和形式上采用由易到難、分階段項目遞進式教學，利于學生對相應理論知識的理解與掌握。我院自動化專業傳統實驗項目具體內容如表1所示，可知開設的實驗項目主要是驗證性實驗和綜合性實驗，缺乏創新性實驗項目。

課程的最后一個實驗采取課程設計的形式開設創新型綜合性實驗，學生可以根據自我興趣或較擅長領域自主確定實驗項目，或者選擇教師提供的往年電子設計競賽的題目，如智能小車、智能澆灌等控制系統。實驗以小組團隊的形式開展，小組長根據整個項目設計安排具體小組成員的分工，小組成員要基于項目設計完成以下具體任務：查找項目相關資料、建立系統數學模型、利用Matlab軟件對系統進行仿真及對仿真結果進行分析總結、系統整體方案設計、選擇系統元器件、編寫軟件控制程序、設計并搭建硬件電路、最后進行系統聯合調試，整個項目設計及制作的每一個步驟都由小組團隊獨立完成，教師負責指導學生解決遇到的難題。通過這種實驗方式培養了小組各成員之間的溝通協作能力，鍛煉了學生的知識篩選及整合能力。

2.2?CDIO理念下的教學方法設計

以CDIO工程教育理念為指導，構建一個有效的自動控制原理實驗課程教學模式，培養學生達到工程教育要求的應用能力，提高學生的綜合素質。實驗課程教學由三個階段組成：前期準備、課堂實施、課后總結拓展，整個教學過程以學生為主體、教師輔助、雙方共同積極參與，達到對學生各方面綜合能力的培養要求。具體實施方案如圖1所示。

2.2.1?課前準備階段

教師根據相關知識點設計典型案例，選擇能激發學生學習興趣，又能提高學生的綜合應用能力的實驗項目，同時把握好案例難易程度。在班上選出6位“種子”學生，指導其在課程任務開始前基于Matlab?GUI設計自動控制原理虛擬仿真實驗平臺如圖2所示，其他同學在課前自主完成以下任務：運用Matlab編程完成對理論知識的驗證、設計合理電路圖、探索實驗步驟、設計實驗數據記錄表格等，教師負責指導、解答學生的疑難問題、制定評價標準以及檢查學生課前內容完成情況。

2.2.2?課堂實施階段

課堂上學生先利用課前“種子”學生自行搭建的自控原理虛擬仿真實驗平臺得出具體參數，利用理論課程學習的知識來分析參數變化對仿真結果的影響，然后再確定系統參數，最后在實驗箱上搭建電路實驗驗證自己設計參數的合理性。實驗完成后將仿真結果和實際結果進行對比分析，達到培養學生的程序調試能力和實踐動手能力的要求。完成實驗后，同學們分組準備PPT展示實驗結果，教師進行點評。教師在這個階段還應該給予學生針對性的指導，在整個實驗過程中強調發揮學生的主導作用，讓學生自行發現問題、解決問題，鼓勵學生多討論、多動手、加強團體分工協作，培養學生的綜合能力。

2.2.3?課后總結拓展階段

實驗結束后學生應獨立完成實驗報告，并通過實驗數據分析總結驗證和鞏固學習相關理論知識點。教師對整個實驗情況進行分析總結，對于學習能力強的學生，教師組織其建立課外科技活動小組和科研學科競賽小組并教導自主設計創新實驗項目，培養學生的創新意識及創新能力。圖3是課外科技小組學生自主設計完成的智能澆灌系統實物圖，此項目獲得了省級大學生創新訓練計劃項目立項支持。

2.3?CDIO模式下實驗成績評定方式的改革

為落實CDIO教育理念，擯棄了傳統單一的實驗考核方式，建立了適用于“CDIO模式”的面向全過程的實驗課程考核方式，具體考核方式如圖4所示。

實驗課程考核分為三個部分：實驗準備30%、實驗情況40%、實驗總結30%，另外“種子”學生實驗前的虛擬仿真實驗平臺設計的實現可以折算實驗準備階段的學分比例，學生課外科技活動可折算為相當比例學分，訓練項目執行優秀的同學整個課程可以直接給予優秀等級成績。在小組匯報階段學生相互之間可以給予評分，從而更好地激發學生自主學習，提高學習的積極性。初次實踐后通過問卷調查的方式收集學生關于課程改革的滿意度調查，85%的學生表示該教學改革有助于提高學習興趣，培養專業綜合素質。

結語

從培養學生的創新能力、動手能力和綜合應用能力出發，將CDIO工程理念融入自動控制原理實驗教學，建立了面向全過程的全新實驗課程考核模式。創新型實驗項目的設置及學生課外科技活動小組和科研學科競賽的組建，極大地激發了學生的學習興趣。初步實踐表明改革取得了一些成效，在今后的教學過程中，應該更充分地考慮各個學生的專業基礎差別設置更合理難度的實驗項目內容及進一步改進課程考核方式。

參考文獻：

[1]胡壽松.自動控制原理[M].第五版.北京：科學出版社，2007.

[2]顧佩華，包能勝，康全禮.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2006（3）：2440.

[3]熊玲，李忠.新世紀我國高等工程人才需求調查報告[J].現代教育管理，2010（7）：36.

[4]夏靜萍，王瑛.自動控制原理實驗教學探究[J].實驗室研究與探索，2013（2）：184189.

[5]張棟.自動控制原理實驗教學改革探索與實踐[J].實驗室科學，2011（5）：3740.

[6]王秋燕，董海兵.新工科背景下PBL教學法在專業實驗課教學中的實踐與探索[J].湖北第二師范學院學報，2019（08）：36.

[7]達正花.基于CDIO理念的PLC實驗教學探索與實踐[J].實驗教學，2018（12）：117119.

基金項目：1.湖南省教育廳教研教改項目“基于CDIO工程教育模式的材料物理專業人才培養方案的研究與實踐”（湘教通[2015]291號）;2.湖南省大學生創新創業訓練計劃項目“智能澆灌系統的設計及實現”（S202111528034）;3.湖南工學院校級科研項目“基于LabVIEW的螺旋榨油機膛內溫度、壓力測控系統設計研究”（2020HY010）

作者簡介：羅玉蘭（1987—?），女，湖南瀏陽人，在職研究生，助教，研究方向：智能傳感與控制技術。