工程教育專業(yè)認證背景下的《自動控制原理》課程教學改革研究

楊光儀　李然　于樂　周永勤

摘? 要：工程教育專業(yè)認證的主要理念，是以全體學生為中心，以成果為導向的教育模式。文章以哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院開設(shè)《自動控制原理》課程為例，提出了明確課程目標、整合教學內(nèi)容、多元化教學方法、細化考核環(huán)節(jié)、加強持續(xù)改進等措施，更好地啟發(fā)學生的思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，從而改善教學效果。

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）15-0113-03

Abstract： The main concept of engineering education professional certification is a result-oriented education mode centered on all students. This paper takes the course of "Automatic Control Principles" from the School of Electrical and Electronic Engineering of Harbin University of Science and Technology as an example， and proposes measures to clarify the objectives of the course， integrate teaching content， diversify teaching methods， concrete the assessment， and strengthen continuous improvement. Better inspire students' thinking， cultivate students' innovative ability and engineering practice ability， thus improving teaching effect.

Keywords： engineering education; automatic control; professional certification; teaching reform

中國的高等教育發(fā)展已有近百年的歷史，工程教育體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為完備，學科門類也相對全面。工程教育專業(yè)認證工作的開展，對我國的工程教育質(zhì)量的提升具有非比尋常的意義。在培養(yǎng)創(chuàng)新、實用型人才的中國教育大環(huán)境下，具有認證資質(zhì)的高校工科畢業(yè)生，在赴海外就業(yè)與深造時會享受與其他成員國學生平等的待遇，對我國高教改革與高素質(zhì)人才的培養(yǎng)具有相當重要的作用[1]。在我國的一部分高校中，工程教育專業(yè)認證已經(jīng)被當做本科教學質(zhì)量的評價基準[2，3]。哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業(yè)的工程教育專業(yè)認證工作于2018年向前推進了一大步。 本專業(yè)所開設(shè)的《自動控制原理》課程具有知識容量多，理論極具抽象性的特點，課程自身要求體現(xiàn)數(shù)學以及自然科學在電氣工程專業(yè)中的應用能力培養(yǎng)。因此，如何符合我國工程教育專業(yè)認證的要求，通過何種方式提高學生的實踐創(chuàng)新能力等，是本課程教學過程中需要研究與思考的重點[4]。

一、本專業(yè)自動控制原理課程特點及教學情況

《自動控制原理》是我校電氣學院所有學生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，需要高等數(shù)學、電路、模擬電子技術(shù)、電機學等課程作為前期基礎(chǔ)，且上述各門課程聯(lián)系緊密同時涉及到多學科交叉。教學中包括了大量的理論推導過程，主要以經(jīng)典控制理論為主，講解了線性定常系統(tǒng)單輸入單輸出情況下的負反饋控制的理論及分析方法，包括了時域，復域和頻域內(nèi)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能及穩(wěn)定性的分析，并以計算機軟件，如MATLAB等，進行輔助分析。目前本校電氣工程及其自動化專業(yè)的自動控制原理課程主要存在以下幾個問題：

（一）教學大綱內(nèi)容老化，與實際聯(lián)系較少

目前自動控制原理課程的教材內(nèi)容主要以經(jīng)典控制理論、計算機控制系統(tǒng)、現(xiàn)代控制理論和MATLAB在控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和仿真中的應用等為學習主線。經(jīng)典控制理論是以往教材中的重點，而近幾年的教材當中[5]， 現(xiàn)代控制理論因其對數(shù)學模型要求的一般性，其所占的比重越來越大。本課程的教學大綱中，對于頻率特性法中關(guān)于PID控制器的內(nèi)容、計算機控制系統(tǒng)、現(xiàn)代控制理論以及基于MATLAB的系統(tǒng)分析、設(shè)計與仿真內(nèi)容涉及很少。另外，對于目前與本專業(yè)非常相關(guān)的電力、新能源領(lǐng)域，如電力電子裝置中控制問題、風光發(fā)電及儲能的控制系統(tǒng)，新能源汽車整車與汽車電子控制系統(tǒng)等，均沒有相應的介紹。隨著計算機性能的不斷提升，很多先進的控制理論已經(jīng)成功的應用于工業(yè)制造過程中[6，7]，而課程中對于控制系統(tǒng)在工業(yè)中的實際應用也幾乎沒有詳細的講解。當前的大綱內(nèi)容無法反映自動控制行業(yè)最新的學術(shù)動態(tài)、新成就、新經(jīng)驗、新問題。這從一定程度上阻礙了學生對于教學內(nèi)容更好地理解，對于學生提高實踐能力形成了障礙。因此，以成果為導向的教學大綱改革勢在必行。

（二）教學手段匱乏、課堂效果較差

自動控制原理課程需要的前修基礎(chǔ)課程較多，課程新概念多、涉及知識面廣，教學內(nèi)容中還包含大量的公式推導，響應波形分析等，即便使用多媒體教學，也會使教師教學難度增大，降低學生聽課效果。學生在聽課的時候?qū)⒋蟛糠謺r間用于記筆記，并以最終成績?yōu)槟繕?，與老師交流、討論的機會較少，限制了其自主學習能力的培養(yǎng)。教師講課時也都把完成教學任務(wù)作為目標，重點不是很突出，教學過程相對單一。這種教學方法無法體現(xiàn)以學生為中心的工程教育專業(yè)認證的教學指導思想。尤其基礎(chǔ)薄弱的學生更難以跟上教學節(jié)奏，課堂也成為了“填鴨式”的灌輸知識、復制知識的過程，使其失去對該門課程的學習興趣。很顯然，目前的教學方法和教學效果只能勉強滿足現(xiàn)代大學的工程教育要求。課程小組需要對該課程提出改進措施，構(gòu)建新形勢下符合工程教育專業(yè)認證要求的自動控制原理教育體系，重點對當前的教學模式和考核方法進行革新，加強與工程及實踐的聯(lián)系，把學生由“被動接受”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃訉W習”，旨在到預期的教學水平。

（三）實踐環(huán)節(jié)薄弱、實驗內(nèi)容較少

自動控制原理課中的實踐環(huán)節(jié)是學習本門課程知識的重要環(huán)節(jié)，是將理論與實際聯(lián)系，消化并理解教學內(nèi)容的重要手段，也是對課堂教學的一種延伸。當前，自動控制原理課程的實踐教學環(huán)節(jié)投入不足， 實驗設(shè)備以自動控制原理實驗箱為主，設(shè)備型號陳舊且不能保證人手一臺，實驗得出的控制精度也很難達到課程要求，且僅涉及經(jīng)典控制理論部分，無法支撐日后的教學大綱改革需求。由于自動控制原理在工業(yè)應用場合必須結(jié)合控制對象的輸出響應進行分析[8]，而自動控制原理教學實驗中驗證性和演示性的實驗居多，學生根據(jù)自己興趣選擇實驗對象來設(shè)計控制器，并針對實驗結(jié)果進行控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的機會并不多。最終導致了學生只能通過指導書的內(nèi)容進行單一的實驗，而操作能力、創(chuàng)新能力得不到鍛煉，難以調(diào)動學習積極性。因此教學中的實踐環(huán)節(jié)亟待改革與創(chuàng)新。

二、工程認證背景下的《自動控制原理》教學改革

隨著認證工作的全面展開，面向工程教育的新一輪的專業(yè)與課程改革也在不斷強化和加深。下面從確定課程教學能力要求、優(yōu)化課程體系、改進授課方法、加強持續(xù)改進等方面入手，闡述如何在專業(yè)認證背景下，關(guān)注學生的應用與創(chuàng)新能力，構(gòu)建針對工程教育專業(yè)認證的自動控制原理教學方式，目的是改革現(xiàn)有的工程人才培養(yǎng)方式。

（一）確定課程教學能力要求，完成教學大綱的修訂

工程專業(yè)教育認證的重點是以學生為中心，以成果為導向所進行的教學設(shè)計[9]。在明確課程中要具體培養(yǎng)的能力的前提下，解決傳統(tǒng)教學中只注重傳授專業(yè)知識的問題。在課堂教學上，通過加入分組討論、觀點辯論以及翻轉(zhuǎn)等方式[10]，培養(yǎng)學生的溝通與協(xié)作等能力。教師應該在備課時進行充分的調(diào)研和思考，通過本門課的教學環(huán)節(jié)，主要培養(yǎng)社會需求學生的哪些基本綜合素質(zhì)。課堂的教學內(nèi)容要緊密服從社會需求，以培養(yǎng)學生的能力為引導，以工程認證的培養(yǎng)目標為方向，以社會和業(yè)界的需求為目標。唯有貫徹執(zhí)行能力、目標和需求的導向，將學生視為中心點，才能從根本上培養(yǎng)出實踐能力強、適應社會需要的合格的畢業(yè)生。建議針對專業(yè)性較強的課程，可在學校財政能力允許的情況下，聘請企業(yè)技術(shù)人員參與部分教學活動，包括技術(shù)報告以及人文素養(yǎng)講座等。

課程組教師開會研討，依據(jù)我校電氣專業(yè)最新的培養(yǎng)方案，緊密結(jié)合工程教育認證的基本要求對教學大綱進行修訂，確定了滿足畢業(yè)要求的課程目標。學生通過課上理論學習和實驗操作后應掌握如下技能：（1）能夠應用自控原理的基礎(chǔ)理論對電氣工程領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)進行正確的描述;（2）對自控系統(tǒng)進行數(shù)學建模后，能夠利用時域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法，通過對模型的分析判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能;（3）能夠利用性能指標來評價自動控制系統(tǒng)的性能，并通過補償網(wǎng)絡(luò)改善系統(tǒng)性能;（4）能夠設(shè)計符合系統(tǒng)性能指標的實驗方案并搭建實驗系統(tǒng);（5）能夠通過安全的實驗過程獲取實驗數(shù)據(jù);（6）能夠正確的分析和處理實驗數(shù)據(jù)，給出實驗結(jié)論并提出改進的系統(tǒng)設(shè)計方法;（7）能夠借助計算機軟件構(gòu)建控制系統(tǒng)仿真模型，進行仿真實驗，對系統(tǒng)性能進行預判。

每個課程目標都有特定的畢業(yè)要求指標點與之相對應，如課程目標2對應“能夠針對電力電子系統(tǒng)建立合適的數(shù)學模型，并進行推導、求解和分析，得出有意義的結(jié)果”這一畢業(yè)要求指標點。如此一來就可以將分析、解決問題、對于系統(tǒng)評價方法的設(shè)計、仿真技術(shù)和實驗能力融入到教學大綱的各個部分，從而實現(xiàn)課程目標對于畢業(yè)要求指標點的支撐。

（二）優(yōu)化課程體系，整合教學內(nèi)容

課堂教學改革需要結(jié)合專業(yè)認證中畢業(yè)要求的復雜工程問題進行能力的綜合培養(yǎng)。在專業(yè)認證所給出的畢業(yè)要求中，解決復雜的工程問題是重點也是難點，更是工程教育認證在本科教育中的突出特點。復雜的工程問題本身就交叉學科和社會綜合知識，包含分析、計算、合作、溝通、交流、文化等多個能力的綜合培養(yǎng)。上述知識要求我們在課堂教學中，盡量采用案例教學和小組合作的競爭方式，并盡量接近實際工程的情況，以全面的鍛煉本科生的能力。

依照前面所述的大綱分解出的課程目標，重新整合自動控制原理的教學內(nèi)容，使其與畢業(yè)要求指標點一一對應。如，目標（1）對應控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理、控制方式、自動控制系統(tǒng)的分類、自動控制系統(tǒng)基本要求;目標（2）對應系統(tǒng)微分方程的建立與求解;傳遞函數(shù)的定義和性質(zhì);系統(tǒng)方框圖的等效變換與簡化;系統(tǒng)動態(tài)和問題性能指標計算;系統(tǒng)穩(wěn)定性分析;利用根軌跡分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能;系統(tǒng)頻率特性，奈氏曲線、伯德圖的繪制;目標（3）（4）對應常用的校正裝置及其特性; 基本校正方法; 系統(tǒng)性能改善的方法;目標（5）（6）對應實驗項目;目標（7）對應計算機仿真軟件在控制系統(tǒng)仿真中的應用。

（三）多元化教學方法，完善考核標準

課堂教學環(huán)節(jié)要體現(xiàn)出以學生為中心的能力的綜合培養(yǎng)。課堂教學改革應當眼于提升課堂的教學質(zhì)量，應該從教師一味的講解，學生被動的接受，逐步向著師生都作為課堂主體，以交流互動為主的課堂氛圍進行轉(zhuǎn)變。通過設(shè)定活潑輕松的教學方式，充分調(diào)動學生聽課的積極性，使學生學會自主學習，懂得思考并學會在實踐當中不斷的學習和提升自己。只有這樣，學生的能力才能可以得到培養(yǎng)和提高，才能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造力。授課教師應該更注重專業(yè)知識的傳授，向更加注重學生學習和思辨能力的方向進行培養(yǎng)。授課的內(nèi)容從基于課本的教學向基于工程案例的教學方向發(fā)展。建議我校教師的授課課堂從以固定班級為主的學生群體，向著針對所有想學習該門課程的學生的開放課堂進行轉(zhuǎn)變。這樣一來，學生可以自主選擇自己喜歡的老師，更能激發(fā)學生融入課堂教學活動的積極性。

將學生能力的培養(yǎng)作為課程考核的主要目標，將學生對知識的掌握情況及應用能力的檢查作為方向。課程組研討得出，最終成績包括期末成績、隨堂測驗、實驗環(huán)節(jié)、課后作業(yè)、出勤情況、課上提問等多項綜合標準，有針對性的采用不同的考核方式。如目標（7）和（2）對比，目標（7）中計算機仿真只通過課后作業(yè)的形式進行考查，而目標（2）則通過課后作業(yè)、隨堂測驗、期末成績等多種方式進行考查，同時制定了相應的評分細則，考增加了課上提問的成績比重，考查學生的總結(jié)歸納與分析能力。對于期末成績部分，課程組應在保密的原則下建立題庫，討論新的期末試卷提醒以及出題方式，并逐年對題庫進行更新。

（四）計算課程目標達成度，建立持續(xù)改進機制

工程教育專業(yè)認證中的課程目標是課上教學活動的基本點，課程目標達成度則是對課程教學質(zhì)量的評價，可以視為教師獲取教學質(zhì)量反饋信息的一種重要手段。課程目標達成度具體是指教師根據(jù)教學的內(nèi)容涉及考核標準后，在教學環(huán)節(jié)中所得到的教學目標占總體目標的百分比，也可理解為一種程度。根據(jù)課程特點來設(shè)計課程目標達成度，其評價包含課程分目標和總目標達成度這兩種。

分析近三年自動控制原理課程目標達成度，建立持續(xù)改進課程小組，由課程組負責人直接擔任組長，督促組員的持續(xù)改進工作過程，提出持續(xù)改進的方案。平時成績的持續(xù)改進機制如下：參考近三年各屆學生學習情況，按月統(tǒng)計學生平時成績中的各項考核指標，如發(fā)現(xiàn)問題必須及時作出調(diào)整，并由專人記錄問題。期末成績考核機制：具體化分析期末考試試卷，分塊統(tǒng)計得分情況，并將最終的統(tǒng)計結(jié)果用于本課程的成績分析中，也可以用于下一輪次課程的持續(xù)改進當中。

結(jié)合前面計算的目標達成度及總達成度，通過分析和研究學生對于該課程的學習情況，具體的提出持續(xù)改進意見。如果某項目標達成度沒有達到預期，而總達成度及其他指標點都達到理想值，足以說明學生的整體掌握情況已經(jīng)達到了專業(yè)認證的要求，較好地掌握了基本的概念和理論，并能夠正確進行實驗設(shè)計和操縱，同時還可以正確使用仿真軟件對控制系統(tǒng)進行預研。

最后有必要對其中沒有達到目標的項目提出持續(xù)改進措施，在下一輪次的教學環(huán)節(jié)中重點增強這一部分內(nèi)容的講授，由淺入深的增加課上的例題和課后作業(yè)。安排附加的課時進行答疑、輔導，增加互動討論環(huán)節(jié)，組織學生成立學習小組并與理解困難的同學進行一對一的輔導。

三、結(jié)束語

通過在工程教育專業(yè)認證背景下的《自動控制原理》課程教學模式改革，促進教師對本門課程的教學理念，提高本門課的教學質(zhì)量和教學效果，更好地啟發(fā)學生思維，激發(fā)學生學習興趣，將“成果為導向、學生為中心、持續(xù)改進”的教學理念深入到教學和實踐中去。以自動控制原理發(fā)展的前沿技術(shù)為起點， 以提升學生實踐能力和創(chuàng)新意識為目標， 以適應新時期人才培養(yǎng)要求為前提， 秉承以上三個原則，使自動控制原理課程教學改革向著正確的方向持續(xù)推進。

參考文獻：

[1]李華新，譚敏生.工程教育認證背景下計算機專業(yè)人才培養(yǎng)探索與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2018（11）：87-88.

[2]馬發(fā)順，尚增振，張坤朋，等.工程教育專業(yè)認證標準對應用型本科教學的指導作用研究[J].當代畜牧，2018，413（09）：40-43.

[3]蔣贏，胡鵬.工程教育專業(yè)認證背景下電氣工程專業(yè)課堂教學改革研究[J].中國新通信，2016，18（16）：132.

[4]肖義平.基于工程專業(yè)認證背景下電氣工程專業(yè)教學改革探索[J].教育教學論壇，2014（28）：34-35.

[5]趙龍.參照工程教育專業(yè)認證標準實施應用型本科高校電子信息工程專業(yè)教學改革[J].中國電子教育，2018，91（1）：22-25.

[6]Metzler， Mathias， et al. An Explicit Nonlinear MPC Approach to Vehicle Stability Control. Proceedings of The 14th International Symposium on Advanced Vehicle Control. Tsinghua University， 2018.

[7]Wang， Benfei， et al. A MPC-Based Method for Single-Inductor Multiple-Input Single-Output Boost Converter.2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.IEEE，2018.

[8]朱婕，韓芳.MATLAB在“自動控制原理”實驗教學中的應用探析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（10）：203.

[9]初紅艷，程強，昝濤，等.基于成果導向與學生中心的教學設(shè)計及學習效果評價[J].教育教學論壇，2018，367（25）：10-14.

[10]王先耀，黃純文.翻轉(zhuǎn)課堂下的學生主動參與課堂活動探析[J]. 教育現(xiàn)代化，2017（37）：51-52.