提高研究生創新能力的控制學科實踐體系建設

龍志強，謝海斌，史美萍

（國防科技大學智能科學學院，長沙 410073）

0 引言

控制學科是研究自動控制理論、方法、技術及工程應用的學科，其要求控制專業相關的研究生應具有良好的工程應用實踐能力。然而控制專業的課程會介紹大量的嚴格證明和數學運算，容易掩蓋控制學科的工程應用背景，讓同學們誤以為控制學科僅僅是解決數學問題的學科，同學們缺少一個將理論融會貫通的綜合實踐環節，因而急需構建研究生創新能力培養體系，使研究生在課程學習階段盡早接觸與其研究方向緊密聯系的研究背景和技術問題，并通過系統性學習實踐，掌握本學科先進研究方法，為其進入學位論文研究打下良好的工程實踐基礎。本文在分析該實驗課程建設的必要性基礎上，重點介紹該研究生綜合實踐的教育教學體系建設內容，具體從研究生實驗室環境建設、教育教學資源建設、課程內容設計、創新教學方法、課程評價體系5 個方面進行總結介紹。

1 現代控制實驗室建設

控制學科是國防科技大學國家一級學科，始建于哈爾濱軍事工程學院導彈工程系。“控制系統綜合實踐”課程主要授課對象是控制科學與工程專業、電子信息專業碩士研究生，主要目的是使控制科學與工程等專業的研究生加深對控制科學與工程學科分析、設計方法的理解，提高研究生在控制系統分析、設計、仿真與調試的理論與實踐水平，培養研究生分析問題、抽象問題的能力，為研究生從事控制工程相關研究奠定堅實的理論和實踐基礎。學校高度重視本課程實驗室建設與管理，結合我校控制學科重點研究方向，研制了控制系統快速原型設計系統、無人駕駛試驗車、分布式仿真平臺等設備和器材180 余臺（套）［1］。同時，立足學院多學科交叉融合優勢，研發了以dSPACE為核心，無人車、磁懸浮等典型被控對象為支撐的系列化教學資源，建成了專門面向研究生教學的控制學科研究生綜合實驗中心，滿足研究生綜合實訓需求；集聚多地形微縮自然場景、飛控轉臺等科研資源，增配無人車和制導彈藥等縮比樣機，打造了高性能機電與控制系統研究生創新實踐基地，滿足研究生貼近工程開展科研創新需求；依托磁浮技術中心全尺寸磁浮車、制導研發中心型號樣機、無人裝備工程中心地面無人平臺，支撐研究生開展拓展/自主創新實驗項目（見圖1）。形成了“數字仿真+半實物仿真+縮比樣機+全尺寸實裝”學科特色鮮明的一流創新實驗環境［2-3］，有力地支撐了控制學科研究生課程實驗教學［4-5］、綜合實踐項目［6］、創新實踐活動和教育教學改革［7-8］。

圖1 全流程貫通教研融合創新實踐環境

2 構建多維度立體化教學資源共享系統

利用多種信息化手段整合和優化各種教學資源，迭代式構建多維度立體化教學資源共享系統［9-12］，見圖2。

（1）教學資源建設。依托我校在無人車、磁懸浮、導航制導、任務規劃等優勢科研方向的最新研究成果，結合型號任務和學科前沿，動態更新課程教學內容和實驗教程，優化完善多媒體課件和電子教案，科學分解教學知識點和教學重難點進行微課資源建設，形成個性化、泛在化學習條件。

（2）導學資源建設。根據課程教學計劃和教學日歷，結合學情分析，制定了包含學員自主選課表、線上預習測驗、翻轉課堂選題、線下實驗預約、自主開展實驗、實驗考核驗收、經驗交流研討、課前課后評測與實驗資料歸檔等一系列課程導學資源，確保實踐教學有序進行。

（3）考核資源建設。結合學科專業特色，分模塊制定了實驗驗收評分標準。以無人車專業實踐模塊為例，構建了面向路標/道路識別、車輛/行人檢測等不同應用需求的標準實驗數據庫，以及對應的算法評價準則和自動評價方法，既可用于實踐教學，同時又反哺科學研究。

（4）檔案資源建設。構建了基于B/S架構的FTP專用服務器，分模塊搜集和整理歷年產生的優秀教學案例，典型問題及解決方案，包括項目源代碼、實驗報告、實驗視頻、配套硬件設備及說明文檔等，形成了一整套動態更新的多媒體實驗案例庫，以方便教師備課和研究生學習及遞進式研發。

（5）保障資源建設。構建了實驗環境常見故障數據庫和實驗關鍵測試點DEMO 庫，形成了一套規范的實踐教學準備流程；建成了基于校園網的數字化資源一體化服務平臺，包括實驗室門禁管理系統、網上實驗預約系統、設備管理系統、電子教室和全程視頻實時監控系統等，滿足教師、學生和管理人員多重需求，確保實踐教學高效運行。

實踐表明，已建成的實驗教學環境和教學資源共享系統可滿足教師和學生真正實現研究生實踐教學在“人員、時間、空間、項目、內容、專業”上全面開放，調動了學生自主學習的積極性和主動參與實踐的熱情，促進學生的個性化發展，使研究生實踐教學和管理上水平、出效益。

3 優化設計課程教學內容

本課程聚焦高素質人才培養需求，緊密對接我校控制學科優勢科研方向，按照“三階四段”的體系結構，建設了“基礎+專業+拓展”的挑戰難度遞進的12個技術先進、應用前沿的綜合實踐模塊，旨在培養研究生解決控制系統研發應用和仿真中的綜合實踐能力和自主創新能力。“三階”是指按照“基礎實驗-專業實踐-拓展實踐”逐級、進階開設綜合實踐模塊，兼顧基礎性、綜合性與挑戰性，研究生按照能力基礎、研究方向和興趣驅動合理組配選修綜合實踐模塊，滿足研究生個性化能力提升需求，其中1 個基礎實驗為必選模塊，10 個專業實踐中選修1 個以上（X），拓展實踐模塊為必選內容。“四段”是指各模塊由“建模、設計、仿真、驗證”4 個教學環節構成，聚焦同一對象，劃分階梯性目標，明確階段性考核要求，漸次提升研究生知識運用與綜合實踐能力。如圖3 所示為“三階四段”課程體系結構。

圖3 “三階四段”課程體系結構

（1）以“為國育人、立德樹人”為牽引，堅持“鑄魂性”。以武器裝備自動化、無人化、智能化發展為牽引，建設專業模塊，引導研究生開展自主創新拓展實驗模塊，突出“鑄魂性”。以培塑研究生“嚴謹務實、自主創新、堅韌不拔、熱愛祖國、獻身祖國”為導向，深挖學科發展史、先輩奮進史以及工程倫理等思政元素，全課、全程、全員實施思政教育。

（2）掌握控制系統先進設計方法，提升“高階性”。擯棄傳統軟件、硬件設計分離、線性推進的控制系統設計方法，開設“控制系統快速原型設計與硬件在回路仿真”必修的基礎實驗模塊，培養研究生掌握先進的控制系統分析與設計方法。

（3）緊密對接特色科研開展專業實踐，突出“創新性”。以優勢科研方向為支撐，以控制領域典型工程問題為牽引，開設無人車、制導控制、仿真系統、智能決策等10 個緊密對接特色科研方向的專業實踐模塊，研究生根據論文研究需求，選擇其中1 個以上的專業實踐模塊，培養研究生聚焦專業方向的創新實踐能力。

（4）聚焦技術難題拓展實踐項目和模塊，強化“挑戰度”。為滿足創新思維活躍、綜合實踐能力突出的研究生個性化能力提升需求，開設“面向工程應用的創新設計”拓展實踐模塊，引導研究生聚焦技術難題或產業應用痛點，自主設計開放性實驗項目，不斷孵化金點子，助力科研出成果。在主要的專業實踐模塊中，也設置了拓展實驗項目，進一步提高專業實踐模塊的挑戰度。

形成“1 +X+1”的綜合實踐課程體系，各實踐模塊的要求如圖4 所示。

圖4 課程實踐模塊的設置與要求

4 創新教學新方法

近年來，隨著科技的飛速發展，人類社會走進了“信息化”“智能化”時代，這就要求培養的控制類研究生具有更強的創新意識、更好綜合實踐能力以及解決實際問題能力。我們結合控制學科無人系統、導航制導、任務規劃、磁懸浮控制等優勢科研方向，立足培養研究生科研創新能力，不斷探索創新教育新方法，主要有4 個特點：

（1）按科研管理流程實施教學。專業實踐和拓展實踐模塊按照“課題發布/自主命題-方案設計-開題論證-項目實施-答辯驗收-報告撰寫-資料歸檔”流程實施，在實踐技能、團隊協作、組織協調、項目管理等方面全面鍛煉研究生的工程組織與管理能力。參照型號項目的文檔撰寫及節點驗收要求，對研究生進行文檔撰寫及資料歸檔訓練。

（2）融入各種新形態教學手段。踐行“微課導學+翻轉課堂釋疑+問辯式啟發指導+研討共享經驗+成果資源共享”多手段融合的立體化實踐教學現代學習新模式，構建了標準實驗數據庫、典型實驗案例庫、常見故障數據庫、實驗關鍵測試點DEMO 庫、多媒體教學視頻庫等多維度立體化教學資源，探索實踐教學線上線下混合施教新模式，顯著提升研究生實踐教學質量。

（3）設置開放式項目和模塊。設置專業實踐模塊，每個專業模塊包括基本項目和拓展項目，通過專業模塊的基本項目促進研究生盡早理解專業背景知識，掌握本研究方向的基本實踐技能，另外，在專業模塊設置有一定難度的開放式拓展項目，不斷提升研究生實踐能力。設置專門的拓展實踐模塊，面向裝備、面向工程、面向未來，聚焦技術難題/工程應用痛點，鼓勵研究生自主選題，孵化培育新成果，提升課程的兩性一度。

（4）跨模塊、跨方向聯合指導。梳理能力素質培養要求，創新跨模塊聯合指導機制，組建了“快速原型設計+智能無人系統”“硬件在回路仿真+精確制導”等跨模塊指導團隊，按照“模塊合并、聯合指導、分步實施、整體驗收”模式開展實驗，解決挑戰度大、跨學科方向的專業實踐模塊指導難題。

5 完善課程評價體系

課程目標的達成離不開課程教學考核評價，實驗課程考核普遍采取的辦法是指導教師根據學生課程預習報告、實踐動手表現、實驗結果、實驗報告等情況給定成績，亦或再結合選定某相關實驗作為考核實驗科目給出最終成績。這種考核方式存在的缺點在于：①考核內容過于單一，考核形式缺少“創新性”，無法激發學生的學習積極性和學習熱情，直接導致部分學生在實驗課課程的課前、課中及課后都處于敷衍了事、走過場的心態，無法達到預期的學習效果。②考核過程不能體現“高階性”，無法真正掌握實驗技能和靈活運用所學知識，實驗課程訓練變成了只是“照方抓藥”，學生不能將自己所學知識、動手能力及科學素質有機融合，無法培養學生解決復雜問題的創新實踐能力。③考核難度沒有“挑戰性”，考核流于形式，實驗課程逐漸變為“水課”，導致出現學生在實驗課程中輕松學習就可以“混學分”的現象。

考核只有科學、全面、合理、公平才能調動學生實驗的積極性和主動性，才能實現科研人才培養的目標。為此我們細化規范考核節點和評價標準，實施全流程分階段標準化考核，潛移默化培塑研究生嚴謹細致的科研素養，形成“多階段形成性評價、多模塊結構化評分”的實踐教學評價體系。讓學生在完成控制實踐實驗課程后真正掌握實實在在的知識、方法，提高實踐創新能力。

（1）多階段形成性評價體系設計。結合研究生階段學生學習特點，充分利用“雨課堂”平臺創設了信息化教學環境，發揮“線上”+“線下”相結合的優勢，基于課前預習、預習測試評估，預習匯報，實驗操作，報告論文與實驗總結構建全過程評價體系，給定符合每個學生實際能力水平的實驗評價，進而充分調動學生學習的積極性，提高學生們的參與度，為后續專業模塊實驗及科學研究打下堅實的基礎。

（2）多模塊結構化評分構建。傳統的實驗課程沒有詳細的評分標準，教師在打分的時候容易有一定的主觀性和偏頗性，無法做到公平與公正。另外，因學生本科基礎不同，單一的評分標準無法客觀衡量出此次實驗課中學生的學習態度、學習狀態、學習習慣和學習效果。因此在控制實驗考核與評價實施過程中，我們針對每一個模塊課題制定專屬的、詳細的、全面的、科學的評分細則，使得教師有理有據地對學生進行評分，從而提高學生的學習主動性和學習熱情。同時，為了提升教學效果，切實反映學生學習狀態，調整傳統考核評分劃分，基礎模塊、專業模塊及拓展模塊各占總成績的40%、40%、20%。

6 結語

“控制系統綜合實踐”課程連續14 年面向全校開設，選課人數達1 300 余人。課程學習為研究生開展學位論文研究打下了良好的基礎，獲得導師和研究生的一致好評。根據我校控制系統實踐應用課程教學組近年的教學經驗、教學成果和學生反饋情況，本文總結了課程教學組在該門課程的實驗室建設、課程資源配套、課程內容設置、教學方法和考核評價等五個方面進行的建設和積極探索，在課程建設中不斷總結經驗教訓，逐步解決研究生基礎實驗課程傳統教學模式理念和考核形式單一等問題，有力支撐了研究生綜合實踐能力、工程實踐能力和創新實踐能力的培養，本文研究工作對控制學科的本科實踐體系建設也有參考價值。