《分布式控制系統(tǒng)》課程的工程化教學(xué)模式研究

趙寶永

摘要：在就業(yè)壓力逐年增大的形勢下，符合社會(huì)和企業(yè)需要的工程應(yīng)用型人才卻嚴(yán)重短缺，需要高校不斷強(qiáng)化工程化教學(xué)，培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程能力的技術(shù)人才。本文研究將CDIO工程教育培養(yǎng)模式和方法引入分布式控制系統(tǒng)的課程教學(xué)過程中，全面增強(qiáng)學(xué)生對課程的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，優(yōu)化教學(xué)大綱內(nèi)容，并融入工程化教學(xué)理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：《分布式控制系統(tǒng)》;工程化;教學(xué)模式研究

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

一、背景

近年來，高校畢業(yè)生規(guī)模逐年加大，就業(yè)形勢面臨多重壓力。雖然畢業(yè)生人數(shù)眾多，但仍存在著“求職難”和“用工荒”并存的尷尬局面。在科學(xué)技術(shù)日新月異的社會(huì)環(huán)境中，符合社會(huì)和企業(yè)急需的工程應(yīng)用型人才嚴(yán)重短缺已成為不爭的事實(shí)，成為制約畢業(yè)生就業(yè)和用人單位招聘的現(xiàn)實(shí)矛盾。這就需要高校進(jìn)一步加大工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)力度，改進(jìn)教學(xué)模式，不斷強(qiáng)化工程教育理念，根據(jù)社會(huì)用人需求優(yōu)化課程教學(xué)大綱內(nèi)容，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

目前，高校開始更加重視工程教育，以解決學(xué)生工程應(yīng)用知識(shí)面狹窄、學(xué)習(xí)缺少自主性和創(chuàng)造性、缺乏適應(yīng)社會(huì)生存和成長的團(tuán)隊(duì)合作精神和交流溝通能力等問題，更加注重強(qiáng)化學(xué)科教育和工作實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)深厚的應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐能力[1]。在20世紀(jì)80年代和90年代，為應(yīng)對工程技術(shù)人才短缺和工程教育質(zhì)量不能適應(yīng)社會(huì)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(dú)特的培養(yǎng)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(xué)效果。

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，分布式控制系統(tǒng)是過程自動(dòng)控制的一種主流系統(tǒng)，是控制工程師必須掌握的基本技能之一?！斗植际娇刂葡到y(tǒng)》課程是高校信息類學(xué)生的一門專業(yè)課，其主要依托于控制論、信息論、系統(tǒng)論的知識(shí)體系基礎(chǔ)，內(nèi)容涵蓋了自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、智能控制技術(shù)、通信工程以及工程設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的知識(shí)，是一門系統(tǒng)性強(qiáng)、理論和實(shí)踐體系明晰的課程，教學(xué)目標(biāo)著眼于培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力。結(jié)合該課程所具有的明顯的工程應(yīng)用背景，使其更加適用于工程化教學(xué)。課程圍繞分布式控制系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、原理，主要講授硬件配置、軟件組態(tài)，以及操作、維護(hù)、安裝調(diào)試等方面的知識(shí)，要求學(xué)生掌握各類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生利用各類知識(shí)掌握分布式控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)的基本過程。由于該課程具有較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)性，課程學(xué)習(xí)的前沿知識(shí)面較廣，學(xué)生理解理論較難，通過理論學(xué)習(xí)上升到實(shí)踐更加具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的課程講授主要是從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始，循序介紹硬件結(jié)構(gòu)、軟件組態(tài)、控制算法、通信原理等內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)對知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，學(xué)生的工程理念難以建立，知識(shí)體系框架容易零散，工程能力的培養(yǎng)無法提升到應(yīng)用實(shí)踐層面。

二、工程教育教學(xué)理念

工程教育的目的是在學(xué)生從事職業(yè)前培養(yǎng)其具備較好的工程能力和深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，為學(xué)生成為社會(huì)所需、實(shí)踐能力強(qiáng)的合格工程師提供專門技術(shù)、社會(huì)意識(shí)和創(chuàng)新精神等方面的學(xué)習(xí)教育。因而對課程進(jìn)行工程化教學(xué)模式的研究具有重要的意義，將有利于對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)化的工程能力培養(yǎng)和知識(shí)體系構(gòu)建。在工業(yè)技術(shù)、可持續(xù)產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境中，知識(shí)、能力和態(tài)度的結(jié)合是加強(qiáng)高效、創(chuàng)業(yè)和卓越所必需的必要因素[3]。CDIO（conceive—構(gòu)思、design—設(shè)計(jì)、implement—實(shí)施、operate—運(yùn)行）便是2004年由美國馬薩諸塞州劍橋的麻省理工學(xué)院、瑞典哥德堡的查爾摩斯工業(yè)大學(xué)、斯德哥爾摩的皇家理工學(xué)院、林雪平的林雪平大學(xué)等四所高校在沃倫伯格基金會(huì)資助下共同開發(fā)和實(shí)施的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系[4]。這種教育模式以CDIO教學(xué)大綱和標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式使學(xué)生易于學(xué)習(xí)和獲取工程能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)、終身學(xué)習(xí)能力、交流和團(tuán)隊(duì)工作能力[3]?！皹?gòu)思”階段主要包括確定顧客需求，考慮技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和有關(guān)規(guī)章制度、發(fā)展理念、技術(shù)和商業(yè)計(jì)劃;“設(shè)計(jì)”階段集中在創(chuàng)建設(shè)計(jì)，主要包括計(jì)劃、圖紙和描述產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)實(shí)施方案設(shè)計(jì)等;“實(shí)施”階段指完成從設(shè)計(jì)方案到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過程，包括硬件制造、解碼、軟件編程、測試和驗(yàn)證，以及設(shè)計(jì)方案的確認(rèn);最后的“運(yùn)行”階段則主要是用投入實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)對前期程序進(jìn)行評估的過程，為用戶提供預(yù)期的價(jià)值，包括對系統(tǒng)的維護(hù)、改進(jìn)、回收和淘汰等[1][3]。

三、工程教學(xué)模式下的課程設(shè)計(jì)

CDIO工程教育教學(xué)模式?jīng)]有固化的規(guī)定，但應(yīng)建立具體的由相互支持的技術(shù)領(lǐng)域和個(gè)人、人際交往能力以及產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的建造能力等高度交叉的能力所組成的課程計(jì)劃，使學(xué)生能夠通過現(xiàn)代工程實(shí)踐獲得豐富的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3]。CDIO教學(xué)模式以培養(yǎng)學(xué)生的全面發(fā)展為核心，教育學(xué)生明確如何在社會(huì)工作中，圍繞團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境的變化，構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行復(fù)雜、高附加值的產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)。本文對教學(xué)內(nèi)容組織和工程化教學(xué)大綱進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，從教學(xué)導(dǎo)向上解決工程理念在學(xué)生實(shí)操能力中的根植問題。

1.教學(xué)內(nèi)容組織。在教學(xué)內(nèi)容組織過程中，要著重做好以下四點(diǎn)：一是既要將“分布式控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容與控制論、信息論、系統(tǒng)論等學(xué)科基礎(chǔ)理論相銜接，又要將自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、智能控制技術(shù)、通信工程以及工程設(shè)計(jì)技術(shù)等先導(dǎo)課程的內(nèi)容進(jìn)行橫向與縱向的連貫設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)CDIO模式中關(guān)于集成課程設(shè)計(jì)的理念。二是選擇精品教材，在進(jìn)行理論教學(xué)過程中，注重加強(qiáng)工程科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的講授，拓展工程專業(yè)知識(shí)內(nèi)容;同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品來設(shè)計(jì)實(shí)踐與應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，并隨著工程技術(shù)的發(fā)展演變及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容[6]。三是開展一體化學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)教學(xué)，教師在授課過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生的情商和溝通技能以及工程設(shè)計(jì)的能力，在生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)中要有意識(shí)地聘請企業(yè)專家、一線工程師指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生充分參與到實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)中。四是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，教師在授課過程中要主動(dòng)營造輕松愉快、積極活躍的課堂教學(xué)氛圍，注重發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。endprint

2.工程化教學(xué)大綱設(shè)計(jì)。CDIO工程化教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)，應(yīng)給出4個(gè)層次的具體內(nèi)容：“技術(shù)知識(shí)與推理”、“個(gè)人能力、職業(yè)能力和態(tài)度”、“人際技能、團(tuán)隊(duì)工作和溝通”、“在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下，系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行”[3][5]。

在“技術(shù)知識(shí)與推理”層面，主要包括相關(guān)科學(xué)知識(shí)、核心工程基礎(chǔ)知識(shí)、高級(jí)工程基礎(chǔ)知識(shí)三方面內(nèi)容。相關(guān)科學(xué)知識(shí)可細(xì)分為計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)控制理論、控制工程基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等。核心工程基礎(chǔ)知識(shí)可細(xì)分為：體系結(jié)構(gòu)，包括硬件（現(xiàn)場控制站、操作站、冗余技術(shù)、系統(tǒng)通訊設(shè)備、典型的分布式控制系統(tǒng)構(gòu)成事例）、軟件（軟件概述、控制層軟件、監(jiān)督控制軟件、組態(tài)軟件、典型分布式控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用分析）;控制算法（PID控制、前饋控制、解耦控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制、選擇性控制、串級(jí)控制、均勻控制、比值控制、推斷控制、順序控制等）;數(shù)據(jù)通信（基本概念、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）;性能指標(biāo)（可靠性、易操作性、可組態(tài)性、安全性、提高系統(tǒng)利用率的措施）。高級(jí)工程基礎(chǔ)知識(shí)可細(xì)分為：軟硬件組建（硬件選配、軟件選配）;工程設(shè)計(jì)（圖形符號(hào)和文字符號(hào)、工程設(shè)計(jì)流程、安裝調(diào)試與驗(yàn)收、典型分布式控制系統(tǒng)工程應(yīng)用）。

在“個(gè)人能力、職業(yè)能力和態(tài)度”層面，研究加強(qiáng)工程推理和解決問題的能力培養(yǎng)方面的設(shè)計(jì)，通過以換熱器、精餾塔、鍋爐、管式加熱爐、變換爐、薄頁紙生產(chǎn)線、軋鋼過程等實(shí)際工程實(shí)例為研究對象，以工程分析的方式培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和表述問題的能力，通過模型構(gòu)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(tuán)隊(duì)工作和溝通”層面，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生自主建立學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，明確任務(wù)分工，選擇一個(gè)分布式控制目標(biāo)對象，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式，完成對研究對象的分布式控制策略設(shè)計(jì)。在“在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下，系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行”層面，培養(yǎng)學(xué)生感悟工程職業(yè)目標(biāo)和角色內(nèi)涵，增強(qiáng)學(xué)生的工程師社會(huì)責(zé)任感，使學(xué)生認(rèn)識(shí)社會(huì)企業(yè)的運(yùn)行機(jī)制、企業(yè)文化、企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃等，系統(tǒng)地教授學(xué)生如何完成一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行等全過程。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)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(dòng)化課程的改革與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（增刊）：138-141.

[3]克勞雷，等.重新認(rèn)識(shí)工程教育——國際CDIO培養(yǎng)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(xué)院工程教育的經(jīng)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(huì)英，蓋玉先，徐寧.探索適合我國國情的CDIO工程教育模式[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：106-110.

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