“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”背景下控制工程基礎(chǔ)課程改革探索與實踐研究

田曉超 劉金龍 侯俊 李沈芳 于淼

[摘? ? ? ? ? ?要]? “創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”項目是教育部對高校大學(xué)生教育實施的重要工程，在“雙創(chuàng)”背景下，本科教育注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。為了控制工程專業(yè)本科教育能夠滿足國家建設(shè)所需的創(chuàng)新型人才，結(jié)合長春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院智能控制專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的實際情況，以控制工程基礎(chǔ)課程為例，對教學(xué)內(nèi)容改革、人才培養(yǎng)模式、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)保障制度、學(xué)科交叉創(chuàng)新四個方面進(jìn)行探索與實踐，以期高質(zhì)量地完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)內(nèi)容的教學(xué)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 控制工程基礎(chǔ);創(chuàng)新實踐;教學(xué)改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2022）10-0031-03

隨著德國“工業(yè)4.0”和美國“先進(jìn)制造伙伴計劃”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求的提出，工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型迎來了全新的發(fā)展機(jī)遇，世界各國都在搶占制造業(yè)強(qiáng)國高地[1]。“中國制造2025”明確提出了中國制造業(yè)的主攻方向之一為智能控制[2]，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高質(zhì)量應(yīng)用型工程技術(shù)人才是新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐[3]。在此背景下，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在全國達(dá)到史無前例的高度，高校作為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的載體，承擔(dān)著不可推卸的責(zé)任[4]。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在全球高校廣泛開展，充分發(fā)揮大學(xué)科技園、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)園、大學(xué)生智創(chuàng)空間等校內(nèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺作用，參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的大學(xué)生可將理論知識應(yīng)用到實踐中。從理論出發(fā)，在實踐中推動高校教育體制改革，推進(jìn)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育進(jìn)程，提高高等教育質(zhì)量，建設(shè)適應(yīng)新時代國家需要的“雙創(chuàng)”型人才[5]。因此，在“雙創(chuàng)”背景下，培養(yǎng)適用于新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具有創(chuàng)新能力的高質(zhì)量應(yīng)用型工程技術(shù)人才勢在必行。

鑒于此，本文以控制工程基礎(chǔ)課程為例，該課程內(nèi)容密切結(jié)合工程實際，是實現(xiàn)智能機(jī)械、智慧城市等技術(shù)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，強(qiáng)調(diào)通過系統(tǒng)、反饋、控制的方法分析解決實際的工程問題。但本科教育更多注重課堂教育和基礎(chǔ)專業(yè)知識教育，對于科研能力尤其是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)比較缺乏，造成大量畢業(yè)生走上工作崗位之后缺乏創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，很難在短時期內(nèi)成為合格的創(chuàng)新型專業(yè)工程師和技術(shù)人才。如果開設(shè)控制工程基礎(chǔ)課程的高校均能重視本科生科研能力的培養(yǎng)，將非常有利于培養(yǎng)出高素質(zhì)的本科生，為現(xiàn)代化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供大批優(yōu)秀的專業(yè)人才。

一、本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性

控制工程專業(yè)作為一門重要的基礎(chǔ)工科專業(yè)，其教育是以電氣工程和機(jī)械工程為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)學(xué)科，以實際工程應(yīng)用為培養(yǎng)目標(biāo)。2017年以來，教育部和全國高校積極建設(shè)“新工科”，致力于培養(yǎng)創(chuàng)新型、多樣化綜合性技術(shù)人才，為我國的科技發(fā)展與科技創(chuàng)新提供全能型技術(shù)人才支撐，始終強(qiáng)調(diào)本科教育是高等院校辦學(xué)的主體?？v觀全球，控制技術(shù)一直處于科技發(fā)展前沿，我國控制專業(yè)也在不斷地完善與進(jìn)步，該技術(shù)的發(fā)展將有力地推動我國高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。

但是，我國的控制技術(shù)水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。究其原因，主要是因為我國控制專業(yè)創(chuàng)新技術(shù)成果較少，創(chuàng)新型人才嚴(yán)重不足。恰逢我國大力推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展，在此背景下，以創(chuàng)新理念為指導(dǎo)，進(jìn)行控制工程專業(yè)本科生教育培養(yǎng)模式的改革，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識，推進(jìn)我國控制工程專業(yè)的發(fā)展，也必將促進(jìn)中國從工業(yè)大國走向工業(yè)強(qiáng)國。

二、教學(xué)內(nèi)容的課程改革

（一）建立課程體系，理清教學(xué)思路

機(jī)械專業(yè)本科生的“雙創(chuàng)”能力和實踐操作能力均有待提高，學(xué)生對于控制工程相關(guān)專業(yè)知識的理解僅僅局限于課本，理解還不夠深入，所以需要對《控制工程基礎(chǔ)》課本進(jìn)行改革，以改變這一現(xiàn)狀?？刂乒こ袒A(chǔ)課程，具有多學(xué)科交叉與綜合性、工程應(yīng)用廣泛、強(qiáng)時效性、理論與實踐強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，學(xué)生普遍認(rèn)為該課程的學(xué)習(xí)難度偏大，而且學(xué)完依然無法將所學(xué)理論與實踐訓(xùn)練相結(jié)合。為此，長春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院積極進(jìn)行課程改革，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，這將進(jìn)一步提升教學(xué)實效。

依據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的培養(yǎng)體系，首先將專業(yè)知識與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識深度融合，建立控制工程課程體系結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，控制工程專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)中，通識課程包括數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)、線性代數(shù)和概率與統(tǒng)計等;大類課程包括自動化導(dǎo)論、C語言、模擬電子線路、數(shù)字電路與系統(tǒng)等;專業(yè)課程分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)主干必修課程、專業(yè)方向選修課程。其中，專業(yè)基礎(chǔ)課程包括模擬電子線路、數(shù)字電路與電路理論等;專業(yè)必修課程包括控制工程基礎(chǔ)、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)化方法、計算機(jī)控制技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)。這些課程一般根據(jù)所在學(xué)校的通識教育要求、學(xué)科師資力量和教學(xué)資源條件開設(shè)，在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定不變。

（二）建設(shè)專業(yè)特色，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展

建設(shè)個性課程與創(chuàng)新實踐項目是創(chuàng)新課程體系的關(guān)鍵。在創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)上培養(yǎng)創(chuàng)新意識，形成特色課程創(chuàng)新模式。各院校可根據(jù)控制工程專業(yè)方向的特色和研究生培養(yǎng)方向，設(shè)置本研銜接選修課程和交叉學(xué)科專業(yè)課程，鼓勵和引導(dǎo)對科研感興趣的學(xué)生進(jìn)行選修，為其繼續(xù)深造打下堅實的專業(yè)課基礎(chǔ)，并且為有興趣開展交叉學(xué)科研究的學(xué)生提供入門的基礎(chǔ)知識，以期在“雙創(chuàng)”實踐中提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

（三）采用線上線下教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量

提高課程教學(xué)教育質(zhì)量，是保證人才培養(yǎng)質(zhì)量的根本。借助發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)和線上教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最大限度地實現(xiàn)高效教學(xué)，改善專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)效果不佳的局面，努力培養(yǎng)合格、專業(yè)的應(yīng)用型技術(shù)人才?？刂乒こ套鳛楣た祁悓I(yè)，其專業(yè)主要有控制工程基礎(chǔ)、工程力學(xué)、C語言等基礎(chǔ)課程。一方面，這些課程概念較多，抽象、難以理解，若教學(xué)方式、方法不當(dāng)，那么“教”與“學(xué)”都會枯燥乏味;另一方面，控制工程應(yīng)用性很強(qiáng)，對于初次接觸本專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)好這類課程難度較大。并且，在手機(jī)游戲、網(wǎng)絡(luò)小說等各種外界誘惑的環(huán)境下，加之地方高校學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，學(xué)習(xí)自主性、自律性等方面也較欠缺。因此，在學(xué)習(xí)較為枯燥的專業(yè)基礎(chǔ)知識的時候，課堂上學(xué)生容易出現(xiàn)分心走神，課后學(xué)生更難以主動花時間解決疑問，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。為改變這一現(xiàn)狀，學(xué)校一方面在授課過程中加強(qiáng)啟發(fā)式、探討式以及案例式等先進(jìn)教學(xué)方式的應(yīng)用。例如，李雅普諾夫穩(wěn)定法作為智能控制教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，其包含的基本概念和知識點(diǎn)較多，為使學(xué)生較好地理解、掌握圖中各重要點(diǎn)、線的意義，建議授完該部分內(nèi)容后，就非線性時域及頻域的MATLAB實現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容開展實踐學(xué)習(xí)。實踐課前，首先安排學(xué)生提前安裝好MATLAB、LabVIEW等相關(guān)軟件，利用實踐操作的機(jī)會助學(xué)生了解并深刻理解該課程的內(nèi)涵。另一方面充分發(fā)揮線上教學(xué)資源的優(yōu)勢，實踐線上線下混合教學(xué)模式。例如，將控制基礎(chǔ)課程中的教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)等以動畫、視頻的形式呈現(xiàn)出來，以便學(xué)生更加直觀、深層次地理解。對于專業(yè)基礎(chǔ)課程中的實驗教學(xué)，也可通過視頻的方式讓學(xué)生先掌握實驗的基本操作及步驟，然后進(jìn)行實際操作，教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，自主糾錯，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。總之，采用線上線下混合教學(xué)模式，不僅有助于引導(dǎo)學(xué)生自我管理、自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提升自主學(xué)習(xí)能力，而且能將授課教師從繁忙的教學(xué)工作中解放出來，更有利于教師在課堂面授中加強(qiáng)啟發(fā)式、探討式及案例式等先進(jìn)教學(xué)模式的應(yīng)用，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，為新工科建設(shè)背景下創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供有力保障。

（四）增設(shè)課程論文，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力

創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)不是空中樓閣，需要扎實的基本功，常規(guī)作業(yè)基本上可以從課本中找到參考答案，所以其對學(xué)生理解知識、運(yùn)用知識能力的考查還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，致使學(xué)生自我發(fā)展的空間受到限制，學(xué)生綜合分析問題的能力也得不到充分提升。若在平時作業(yè)的基礎(chǔ)上增設(shè)學(xué)科論文，不僅可以激勵學(xué)生積極思考，而且可以促進(jìn)學(xué)生更深層次地鉆研，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合應(yīng)用能力至關(guān)重要。例如，控制工程基礎(chǔ)作為機(jī)械專業(yè)一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課，需要綜合分析和綜合創(chuàng)新應(yīng)用的內(nèi)容居多，所以在課程學(xué)習(xí)的過程中可通過論文的方式，加強(qiáng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。課程開始的時候，先由教師根據(jù)課程的主要內(nèi)容擬出若干論文題目，先讓學(xué)生了解課程論文要求，明確要旨;課程結(jié)束前兩周，通過抽簽的方式，確定每位學(xué)生的選題，同時允許學(xué)生自主選題或組隊完成;選題完成后，讓學(xué)生充分利用課余時間，查找相關(guān)參考文獻(xiàn)完成論文的撰寫;最后，在課程結(jié)束后上交論文，并由教師組織答辯，論文成績計入平時考核成績。實踐證明，通過布置課程論文的方式，一方面可鍛煉學(xué)生撰寫科技論文的能力，另一方面能夠培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和科學(xué)探索的素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生對該課程的興趣。

（五）建設(shè)學(xué)科交叉，實施科研創(chuàng)新

控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械技術(shù)理論與控制理論之間的交叉學(xué)科，主要介紹機(jī)械工程的控制原理，同時密切聯(lián)系實際工程。通過學(xué)習(xí)這門課程，要求學(xué)生學(xué)會運(yùn)用控制理論的基本原理和思路方法，初步學(xué)會分析和研究機(jī)、電、液系統(tǒng)中信號的傳遞、反饋與控制，以及機(jī)、電、液系統(tǒng)的動態(tài)特性，同時結(jié)合配套專業(yè)課的學(xué)習(xí)，為將來實際控制領(lǐng)域?qū)W習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。因此，本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)不應(yīng)該僅僅局限于本專業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)鼓勵和注重學(xué)生開展、實施多學(xué)科交叉和協(xié)作創(chuàng)新。在“雙創(chuàng)”背景下，學(xué)科交叉往往產(chǎn)生新的科學(xué)前沿和創(chuàng)新點(diǎn)，要鼓勵學(xué)生基于本專業(yè)大膽地拓展科研思維并打破學(xué)科思維壁壘，聯(lián)合不同專業(yè)的本科生開展科研活動，全面實現(xiàn)科研創(chuàng)新能力提升。

三、人才培養(yǎng)模式探索

（一）人才培養(yǎng)目標(biāo)

目前，雖然國內(nèi)各高?？刂乒こ毯妥詣踊葘I(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)不盡相同，但仍有一些共性，以吉林大學(xué)和長春大學(xué)制定的本科生培養(yǎng)方案為例，兩所高校針對智能控制方向本科生的培養(yǎng)目標(biāo)如下：

1.掌握典型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其實現(xiàn)形式，理解常見控制過程現(xiàn)象及實驗建模的方法，能應(yīng)用基本控制原理知識，分析復(fù)雜工程系統(tǒng)的特征并進(jìn)行建模描述，為復(fù)雜控制過程的設(shè)計和操作奠定基礎(chǔ)。

2.掌握簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)整定方法、調(diào)節(jié)閥基本結(jié)構(gòu)與特性區(qū)別，能夠?qū)⒑唵慰刂葡到y(tǒng)分析技術(shù)運(yùn)用到實際工程中，能夠設(shè)計虛擬模擬環(huán)節(jié)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、整理及實驗結(jié)果分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對控制性能的優(yōu)化。

3.理解復(fù)雜控制系統(tǒng)與先進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計與控制器參數(shù)整定，包括串級控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、解耦控制系統(tǒng)、模型預(yù)測控制系統(tǒng)等，掌握各類控制系統(tǒng)的基本控制算法。

4.具有結(jié)合相關(guān)學(xué)科工程知識解決復(fù)雜控制問題的能力，能夠通過復(fù)雜工程系統(tǒng)的過程控制實物，結(jié)合實踐工程進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，了解利用工程管理知識進(jìn)行控制過程設(shè)計與開發(fā)全流程，能夠利用相關(guān)知識進(jìn)行經(jīng)濟(jì)決策，以便經(jīng)濟(jì)合理地運(yùn)行控制。

（二）引進(jìn)復(fù)合型專業(yè)人才

“嚴(yán)師出高徒”，只有建立一支理論和實踐兼?zhèn)涞膭?chuàng)新性應(yīng)用型師資隊伍，才能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型技術(shù)人才。

近三年來，我院控制工程專業(yè)新引進(jìn)博士教師較多，他們科研能力比較突出，但很多博士畢業(yè)后直接參加教學(xué)工作，所以在教學(xué)和工程實踐能力上相對缺乏經(jīng)驗。因此，一方面我們本著“理論與實踐相結(jié)合”的原則，聘請企業(yè)事業(yè)單位、科研院所等具有豐富經(jīng)驗的實踐工程人員擔(dān)任教師，指導(dǎo)學(xué)生實踐工作;另一方面加強(qiáng)本專業(yè)教師的工程實踐能力培養(yǎng)，分期組織教師到相關(guān)的企業(yè)事業(yè)單位、科研研究所等參觀學(xué)習(xí)。此外，“雙師型”和專業(yè)教師產(chǎn)教研結(jié)合模式的比例也在逐年增大，鼓勵吸收本科生進(jìn)入課題組開展一些研究工作，這不僅有利于加強(qiáng)師生間的交流，更有助于激發(fā)學(xué)生對科研的興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、建設(shè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)保障制度

為了能夠給大學(xué)生提供更廣闊的實踐舞臺，多舉措?yún)f(xié)同服務(wù)給大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供基礎(chǔ)保障。第一，學(xué)校專門成立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，以專業(yè)特色為出發(fā)點(diǎn)，舉辦各類相關(guān)競賽項目，保證每年產(chǎn)出2～3項優(yōu)質(zhì)成果，形成良好的循環(huán)示范作用。第二，成立專門指導(dǎo)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的專業(yè)師資團(tuán)隊，團(tuán)隊由專業(yè)教師、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)教師以及大學(xué)生組成，分工協(xié)作。從專業(yè)化角度、技術(shù)角度和商業(yè)角度出發(fā)，打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為項目推進(jìn)以及競賽答辯做好基礎(chǔ)工作。第三，依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園進(jìn)行項目孵化，將創(chuàng)新平臺的研究成果及時推送出去。以新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品等科技成果形式向企業(yè)和行業(yè)推薦，并轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，以技術(shù)入股和專利轉(zhuǎn)讓的形式進(jìn)行創(chuàng)業(yè)，降低直接商業(yè)化帶來的潛在風(fēng)險。第四，政校企協(xié)同促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化保障。長春大學(xué)與企業(yè)、政府緊密合作，2021年本校已在山東等地進(jìn)行了深入的政校企合作，將實驗室成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，尤其在人工智能領(lǐng)域取得了顯著成效。通過以上四種保障制度，有效地推進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)進(jìn)程。

五、結(jié)語

綜上所述，控制工程專業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)重要的專業(yè)支撐，在“雙創(chuàng)”背景下，要實現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，必須大力加強(qiáng)該專業(yè)本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，時刻以學(xué)生為中心。構(gòu)建科研創(chuàng)新平臺體系、學(xué)科交叉實施創(chuàng)新、校企融合助力科研創(chuàng)新等措施的探索和實施，有效地提高了本科生的科研意識和創(chuàng)新能力，為企業(yè)和社會培養(yǎng)一大批具備創(chuàng)新能力的人才，推動長春大學(xué)的學(xué)科建設(shè)，實現(xiàn)我國高等教育的強(qiáng)國目標(biāo)。

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◎編輯 馬花萍

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