工程教育背景下自動化專業(yè)課程大綱的研究與實踐

張澎濤 張佳薇 謝永華

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?結(jié)合東北林業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，基于“OBE”理念，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程建設(shè)思想，以運動控制為例，詳細(xì)分析傳統(tǒng)教學(xué)大綱中存在的問題，構(gòu)建畢業(yè)要求指標(biāo)點與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，從課程內(nèi)容、教學(xué)實施和考核方式等幾個方面，對課程教學(xué)大綱進(jìn)行質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)，為自動化專業(yè)課程群的建設(shè)起到引領(lǐng)示范作用。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?工程教育專業(yè)認(rèn)證;運動控制;教學(xué)大綱

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）25-0102-03

一、引言

作為我國高等教育質(zhì)量保障的重要組成部分，工程教育專業(yè)認(rèn)證制度自2006年正式開始試點以來，工程教育專業(yè)認(rèn)證工作取得重要進(jìn)展，認(rèn)同度不斷提高，越來越受到各高校的重視。2013年我國加入《華盛頓協(xié)議》，2016年成為正式會員國，這是中國工程教育界的里程碑事件，意味著通過工程教育專業(yè)認(rèn)證的學(xué)生可以在相關(guān)的國家或地區(qū)按照職業(yè)工程師的要求，取得工程師執(zhí)業(yè)資格，將為我國工程類學(xué)生走向世界提供具有國際互認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的通行證。該協(xié)議促進(jìn)了我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與《華盛頓協(xié)議》的標(biāo)準(zhǔn)實質(zhì)等效，推動教育界與企業(yè)界的緊密聯(lián)系，對盡快提升我國工程教育水平和職業(yè)工程師能力水平，實現(xiàn)國家新型工業(yè)化的戰(zhàn)略目標(biāo)，提升我國工程制造業(yè)總體實力和國際競爭力具有重要意義。本文主要研究我校自動化專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下課程教學(xué)大綱的持續(xù)改進(jìn)與具體實施。

二、傳統(tǒng)課程教學(xué)大綱中存在的問題

由于缺乏對學(xué)習(xí)結(jié)果的有效評估手段，加上運動控制課程本身理論性較強，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以深入理解相關(guān)概念、原理和方法。這種傳統(tǒng)教育模式中存在的知識傳授與教學(xué)結(jié)果相背離的現(xiàn)象，往往導(dǎo)致課程目標(biāo)難以順利實現(xiàn)。傳統(tǒng)的運動控制課程教學(xué)大綱主要存在以下幾方面的問題。

1.傳統(tǒng)的教學(xué)方式強調(diào)以教學(xué)進(jìn)程為導(dǎo)向，要求學(xué)生按既定的教學(xué)計劃、時間、進(jìn)度等開展學(xué)習(xí)，忽視學(xué)生的“學(xué)習(xí)結(jié)果”這一根本目標(biāo)。

2.在教學(xué)模式上強調(diào)以知識導(dǎo)向為主，忽視對學(xué)生能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的運動控制教學(xué)強調(diào)“知識導(dǎo)向”的教學(xué)模式，而忽視了“任務(wù)驅(qū)動”的教學(xué)方法，教師關(guān)注的是教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生關(guān)注的是對獲得知識的總結(jié)和整理，缺乏對學(xué)生分析、研究、溝通、表達(dá)、合作等多方面能力的培養(yǎng)。

3.傳統(tǒng)的教學(xué)方式強調(diào)以教師為中心，學(xué)生按照教師的要求完成學(xué)習(xí)任務(wù)。這種學(xué)習(xí)形式單一，需要引入“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)手段，活躍課堂的教學(xué)氛圍，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從多角度提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

4.傳統(tǒng)的運動控制課程教學(xué)以教學(xué)內(nèi)容驅(qū)動教學(xué)過程，缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的合理考核評估。

三、工程教育背景下課程教學(xué)大綱設(shè)計——以運動控制為例

（一）確定課程培養(yǎng)目標(biāo)

運動控制是我校自動化專業(yè)的核心課程。課程主要內(nèi)容包括運動控制的控制原理、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)特點和分析設(shè)計方法等，分為直流調(diào)速、交流調(diào)速兩大篇幅。任課教師在授課過程中引導(dǎo)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)課程進(jìn)行綜合應(yīng)用，以系統(tǒng)的控制規(guī)律為主線，由簡入繁、由低及高地循序深入，通過本課程的學(xué)習(xí)，強化學(xué)生的工程意識，使學(xué)生掌握運動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和素養(yǎng)?；凇癘BE”理念，對照畢業(yè)要求指標(biāo)點與課程目標(biāo)的支撐關(guān)系，本課程培養(yǎng)目標(biāo)制定如下：

1.掌握各種運動控制系統(tǒng)的基本概念和參數(shù)計算方法，并對系統(tǒng)特性進(jìn)行理解分析，能夠運用物理、數(shù)學(xué)、工程基礎(chǔ)知識，針對不同的運動控制系統(tǒng)選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，對模型的正確性進(jìn)行推理，并能正確求解。

2.通過小型直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，從工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識的角度對設(shè)計方案進(jìn)行比較分析，優(yōu)選設(shè)計方案。

3.通過實驗訓(xùn)練、創(chuàng)新性課程設(shè)計和工程案例分析，將所學(xué)理論知識與工程運用有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)嶒灢僮髌脚_、課程設(shè)計作品和工程案例進(jìn)行分析研究，并通過撰寫實驗報告、課程設(shè)計報告和案例分析報告獲得有效結(jié)論。

4.通過實驗訓(xùn)練，將所學(xué)理論知識與工程運用有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)φ{(diào)速系統(tǒng)典型特性、實驗設(shè)備進(jìn)行研究和實驗驗證;通過對小型直流調(diào)速系統(tǒng)的分析研究，具備構(gòu)建小型直流調(diào)速系統(tǒng)的能力，采用科學(xué)合理的實驗方法，完成系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試，并進(jìn)行實物作品的現(xiàn)場演示。

5.通過對小型直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計及設(shè)計實物的焊接、裝配和調(diào)試，結(jié)合查閱資料、撰寫設(shè)計報告和分組答辯等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力和溝通表達(dá)能力。

（二）明確課程對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

為了便于根據(jù)專業(yè)的畢業(yè)要求組織實施課程的教學(xué)活動，專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會將自動化專業(yè)的畢業(yè)要求分解成12條36個指標(biāo)點，并體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，明確每門課程對畢業(yè)要求的支撐情況，形成課程體系與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系矩陣，以此為依據(jù)，進(jìn)行教學(xué)大綱設(shè)計和撰寫。運動控制課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

（三）構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)過程

運動控制課程綜合學(xué)生先要學(xué)習(xí)自動控制原理、電力電子技術(shù)、電機(jī)與拖動、計算機(jī)控制系統(tǒng)等課程的知識與技能，直接面向工程應(yīng)用，始終強調(diào)以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向。從提高系統(tǒng)性能的角度來分析、設(shè)計控制器，使學(xué)生從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識進(jìn)行系統(tǒng)分析與綜合的能力，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。

1.理論教學(xué)（64學(xué)時）

（1）緒論（2學(xué)時）

內(nèi)容：運動控制系統(tǒng)及其組成;運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展;運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律;生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。

要求學(xué)生：了解運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展;對運動控制系統(tǒng)相關(guān)知識有概括性了解;理解運動控制系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容;培養(yǎng)工程意識。

（2）轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)（16學(xué)時）（支撐課程目標(biāo)1、3）

內(nèi)容：直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源;穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性;轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng);轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù);直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制;轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真。

要求學(xué)生：了解數(shù)字測速的三種方法，熟悉單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)、數(shù)字仿真方法;掌握晶閘管整流器和PWM脈寬調(diào)制變換器、反饋控制基本規(guī)律、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和動態(tài)分析，并將其適當(dāng)運用于單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的表述、分析中;基于調(diào)節(jié)器設(shè)計法，能夠設(shè)計符合性能指標(biāo)要求的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。

（3）轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)（12學(xué)時）（支撐課程目標(biāo)1、3）

內(nèi)容：轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性;轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析;轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計;轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的分析。

要求學(xué)生：了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成和靜特性以及起

動過程的特點，掌握典型系統(tǒng)的性能指標(biāo)與參數(shù)之間的關(guān)系，并將其適當(dāng)運用于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的表述、分析中;基于工程設(shè)計法，設(shè)計符合性能指標(biāo)要求的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng);理解工程設(shè)計法在實際工程運用中的局限性。

（4）可逆控制直流調(diào)速系統(tǒng)（10學(xué)時）（支撐課程目標(biāo)1、3）

內(nèi)容：直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng);V—M可逆直流調(diào)速系統(tǒng);弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。

要求學(xué)生：了解可逆系統(tǒng)中環(huán)流的種類、熟悉抑制和消除環(huán)流的方法以及弱磁控制直流調(diào)速系統(tǒng);掌握V—M和PWM可逆系統(tǒng)的線路組成、工作原理，分析可逆系統(tǒng)制動過程的特點，并將其適當(dāng)運用于可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的表述、分析和設(shè)計中。

（5）基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（12學(xué)時）（支撐課程目標(biāo)1、3）

內(nèi)容：異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型;異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速;異步電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速;電力電子變壓變頻器;轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng);轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。

要求學(xué)生：了解異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型、變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn);熟悉異步電動機(jī)的調(diào)速方法、調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性以及調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)組成、靜特性;能夠?qū)惒诫妱訖C(jī)變壓變頻調(diào)速原理、變頻器技術(shù)和SVPWM技術(shù)適當(dāng)運用于三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的表述、分析和設(shè)計中;通過典型案例分析，培養(yǎng)工程思維模式的建立，掌握工程分析的一般方法。

（6）基于動態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（12學(xué)時）（支撐課程目標(biāo)1、3）

內(nèi)容：異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型;異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律;矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

要求學(xué)生：熟悉異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì);掌握異步電動機(jī)三相原始動態(tài)模型及其特性;掌握矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本工作原理及其多種實現(xiàn)方案;能夠?qū)⒒趧討B(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成、機(jī)械特性適當(dāng)運用于交流調(diào)速系統(tǒng)的表述、分析和設(shè)計中。

2.實驗教學(xué)（12學(xué)時）（支撐課程目標(biāo)3）

內(nèi)容：晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定（2學(xué)時）;晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主要單元的調(diào)試（2學(xué)時）;單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)（3學(xué)時）;雙閉環(huán)異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)（3學(xué)時）;三相SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)（2學(xué)時）。

要求學(xué)生：理論知識和實驗訓(xùn)練相結(jié)合，能夠?qū)\動控制系統(tǒng)典型特性、相關(guān)實驗設(shè)備進(jìn)行研究和實驗驗證，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，形成實驗報告，得到合理有效的結(jié)論。

3.設(shè)計答辯（不占用教學(xué)學(xué)時，單獨組織）（支撐課程目標(biāo)2、3、4、5）

內(nèi)容：小型直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

要求學(xué)生：自由組隊、自主選題、分工協(xié)作;查閱資料提出具體的設(shè)計指標(biāo)和設(shè)計方案;硬件設(shè)計要求設(shè)計硬件電路，完成設(shè)計作品的焊接、裝配和調(diào)試并滿足設(shè)計指標(biāo)的要求;撰寫設(shè)計報告、準(zhǔn)備答辯PPT，分組答辯總結(jié);指導(dǎo)教師為小組提供咨詢，檢查工作進(jìn)度，幫助學(xué)生改善方案，從而使學(xué)生更好地解決設(shè)計過程中存在的實際問題。

4.案例分析（不占用教學(xué)學(xué)時，單獨組織）（支撐課程目標(biāo)3）

內(nèi)容：交流調(diào)速系統(tǒng)的案例分析。

要求學(xué)生：解析工程應(yīng)用中交流調(diào)速系統(tǒng)典型案例，運用工程分析的一般方法，結(jié)合資料查閱，分析交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案、性能指標(biāo)、硬件結(jié)構(gòu)、功能實現(xiàn)以及與社會、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，并撰寫案例分析報告。

（四）注重教學(xué)方法

達(dá)到預(yù)期的畢業(yè)要求最重要的環(huán)節(jié)是各門課程的教與學(xué)。按照課程特點、達(dá)到預(yù)期要求和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的思路，組織不同的教學(xué)方法，充分體現(xiàn)“學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”教學(xué)思想，可通過教學(xué)的“互動、協(xié)作、自主、開放”等多種形式，采用課堂教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合、課堂教學(xué)與課外指導(dǎo)相結(jié)合、自主學(xué)習(xí)與教師講授相結(jié)合、多媒體教學(xué)、案例教學(xué)、現(xiàn)場指導(dǎo)、實驗教學(xué)等多種教學(xué)方法。運動控制課程的教學(xué)方法如下。課程教學(xué)以課堂講授為主，結(jié)合作業(yè)、案例分析、實驗、設(shè)計、答辯、筆試等環(huán)節(jié)共同實施。

（五）改革考核方式

課程考核是為了評估學(xué)生的實際學(xué)習(xí)成果達(dá)到課程目標(biāo)能力的情況，幫助教師不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，改進(jìn)教學(xué)方法與技巧;同時也是為了對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況做出客觀、公正、科學(xué)的形成性評價，并引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)方向，逐步適應(yīng)學(xué)科課程的特點，最終起到夯實基礎(chǔ)、強化能力的作用?？己藘?nèi)容要體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)類、非技術(shù)類的畢業(yè)要求考核，階段、期末形成性考核（設(shè)計、答辯、案例分析、筆試、實驗等多種考核方式）體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)類、非技術(shù)類的畢業(yè)要求。運動控制課程的考核方法如表2所示。

四、結(jié)語

課程教學(xué)大綱是達(dá)到認(rèn)證畢業(yè)要求最根本、最基礎(chǔ)性的工作，是任課教師、管理者與學(xué)生理解培養(yǎng)目標(biāo)與畢業(yè)要求水平與程度的重要標(biāo)志之一?；诠こ探逃龑I(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)編制課程教學(xué)大綱是保障工程教育得以實施、提高普通高校教育教學(xué)質(zhì)量的重要舉措，在教學(xué)活動中有效執(zhí)行課程教學(xué)大綱，勢必提升高校人才培養(yǎng)質(zhì)量。教學(xué)團(tuán)隊在教學(xué)中不斷發(fā)揮集體智慧，研究教育教學(xué)規(guī)律和方法，按照工程教育畢業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)，把整體目標(biāo)細(xì)化為提高學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的具體目標(biāo)，不斷發(fā)揮教學(xué)大綱對教學(xué)的規(guī)范性和指導(dǎo)性作用。

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編輯 馬燕萍