引入CDIO工程理念的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

羅玉蘭 朱科 易杰 鄒林陽

摘?要：本文以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，針對(duì)我校自動(dòng)化類專業(yè)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)授課模式下存在的問題和課程特點(diǎn)，完善了該課程教學(xué)改革的內(nèi)容，提出了具體課程改革實(shí)施方案，構(gòu)建了面向全過程的課程考核模式。筆者在實(shí)際教學(xué)過程中做了初步的探索，實(shí)踐表明該教學(xué)模式有助于學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：CDIO理念;自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn);教學(xué);改革

中圖分類號(hào)：G642;TP134??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是過程控制、運(yùn)動(dòng)控制以及各種智能控制的理論基礎(chǔ)[1]。實(shí)驗(yàn)作為自動(dòng)控制原理的重要組成部分，成為控制理論與實(shí)際工程之間不可缺少的紐帶。新工科背景下，人才培養(yǎng)的要求日益提高，不僅要求教師在理論授課過程中引入工程系統(tǒng)的概念[23]，同時(shí)更應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)來逐步培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際的意識(shí)，形成系統(tǒng)的觀念。CDIO工程理念是國際前沿最先進(jìn)的教育理念之一，將CDIO工程教育理念融入自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)整合各科知識(shí)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)課程中重點(diǎn)開設(shè)綜合型、創(chuàng)新型的工程實(shí)踐項(xiàng)目類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合知識(shí)運(yùn)用能力、工程系統(tǒng)能力和創(chuàng)新能力。

1?教學(xué)改革的必要性

我院一直以來自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的都是模擬實(shí)驗(yàn)箱搭配計(jì)算機(jī)平臺(tái)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只是簡(jiǎn)單地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)理論課程講授順序?qū)碚摲椒ㄟM(jìn)行驗(yàn)證，使的實(shí)驗(yàn)演變成連接導(dǎo)線的“機(jī)械性實(shí)驗(yàn)”。從近幾年的教學(xué)效果分析來看，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法教學(xué)效果十分不理想，整個(gè)過程學(xué)生缺乏思考，影響了理論學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)理論與實(shí)踐的脫節(jié)不利于在畢業(yè)設(shè)計(jì)和今后的工作當(dāng)中將專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)化應(yīng)用到工程實(shí)際項(xiàng)目中去，從而影響了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容過于簡(jiǎn)單，大多數(shù)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生沒有挑戰(zhàn)性，不能激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。實(shí)驗(yàn)課程的考核只注重結(jié)果不注重過程，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占比高達(dá)40%;考核方式較單一，全部是教師評(píng)價(jià)學(xué)生，此種成績(jī)?cè)u(píng)定方式不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。鑒于以上總結(jié)的傳統(tǒng)教學(xué)方面存在的各種不足，提出了引入CDIO工程理念的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革。

2?實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

2.1?遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)

結(jié)合CDIO工程教育理念，在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式上采用由易到難、分階段項(xiàng)目遞進(jìn)式教學(xué)，利于學(xué)生對(duì)相應(yīng)理論知識(shí)的理解與掌握。我院自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體內(nèi)容如表1所示，可知開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

課程的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)采取課程設(shè)計(jì)的形式開設(shè)創(chuàng)新型綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自我興趣或較擅長(zhǎng)領(lǐng)域自主確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或者選擇教師提供的往年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目，如智能小車、智能澆灌等控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)以小組團(tuán)隊(duì)的形式開展，小組長(zhǎng)根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)安排具體小組成員的分工，小組成員要基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成以下具體任務(wù)：查找項(xiàng)目相關(guān)資料、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、利用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真及對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)、系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)、選擇系統(tǒng)元器件、編寫軟件控制程序、設(shè)計(jì)并搭建硬件電路、最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及制作的每一個(gè)步驟都由小組團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生解決遇到的難題。通過這種實(shí)驗(yàn)方式培養(yǎng)了小組各成員之間的溝通協(xié)作能力，鍛煉了學(xué)生的知識(shí)篩選及整合能力。

2.2?CDIO理念下的教學(xué)方法設(shè)計(jì)

以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，構(gòu)建一個(gè)有效的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到工程教育要求的應(yīng)用能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)由三個(gè)階段組成：前期準(zhǔn)備、課堂實(shí)施、課后總結(jié)拓展，整個(gè)教學(xué)過程以學(xué)生為主體、教師輔助、雙方共同積極參與，達(dá)到對(duì)學(xué)生各方面綜合能力的培養(yǎng)要求。具體實(shí)施方案如圖1所示。

2.2.1?課前準(zhǔn)備階段

教師根據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)典型案例，選擇能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又能提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)把握好案例難易程度。在班上選出6位“種子”學(xué)生，指導(dǎo)其在課程任務(wù)開始前基于Matlab?GUI設(shè)計(jì)自動(dòng)控制原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，其他同學(xué)在課前自主完成以下任務(wù)：運(yùn)用Matlab編程完成對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證、設(shè)計(jì)合理電路圖、探索實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格等，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)、解答學(xué)生的疑難問題、制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及檢查學(xué)生課前內(nèi)容完成情況。

2.2.2?課堂實(shí)施階段

課堂上學(xué)生先利用課前“種子”學(xué)生自行搭建的自控原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得出具體參數(shù)，利用理論課程學(xué)習(xí)的知識(shí)來分析參數(shù)變化對(duì)仿真結(jié)果的影響，然后再確定系統(tǒng)參數(shù)，最后在實(shí)驗(yàn)箱上搭建電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。實(shí)驗(yàn)完成后將仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的程序調(diào)試能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的要求。完成實(shí)驗(yàn)后，同學(xué)們分組準(zhǔn)備PPT展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。教師在這個(gè)階段還應(yīng)該給予學(xué)生針對(duì)性的指導(dǎo)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)作用，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，鼓勵(lì)學(xué)生多討論、多動(dòng)手、加強(qiáng)團(tuán)體分工協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

2.2.3?課后總結(jié)拓展階段

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生應(yīng)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)驗(yàn)證和鞏固學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)。教師對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)于學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生，教師組織其建立課外科技活動(dòng)小組和科研學(xué)科競(jìng)賽小組并教導(dǎo)自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新能力。圖3是課外科技小組學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成的智能澆灌系統(tǒng)實(shí)物圖，此項(xiàng)目獲得了省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目立項(xiàng)支持。

2.3?CDIO模式下實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方式的改革

為落實(shí)CDIO教育理念，擯棄了傳統(tǒng)單一的實(shí)驗(yàn)考核方式，建立了適用于“CDIO模式”的面向全過程的實(shí)驗(yàn)課程考核方式，具體考核方式如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)課程考核分為三個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備30%、實(shí)驗(yàn)情況40%、實(shí)驗(yàn)總結(jié)30%，另外“種子”學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)可以折算實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的學(xué)分比例，學(xué)生課外科技活動(dòng)可折算為相當(dāng)比例學(xué)分，訓(xùn)練項(xiàng)目執(zhí)行優(yōu)秀的同學(xué)整個(gè)課程可以直接給予優(yōu)秀等級(jí)成績(jī)。在小組匯報(bào)階段學(xué)生相互之間可以給予評(píng)分，從而更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的積極性。初次實(shí)踐后通過問卷調(diào)查的方式收集學(xué)生關(guān)于課程改革的滿意度調(diào)查，85%的學(xué)生表示該教學(xué)改革有助于提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)專業(yè)綜合素質(zhì)。

結(jié)語

從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力出發(fā)，將CDIO工程理念融入自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立了面向全過程的全新實(shí)驗(yàn)課程考核模式。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置及學(xué)生課外科技活動(dòng)小組和科研學(xué)科競(jìng)賽的組建，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。初步實(shí)踐表明改革取得了一些成效，在今后的教學(xué)過程中，應(yīng)該更充分地考慮各個(gè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)差別設(shè)置更合理難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及進(jìn)一步改進(jìn)課程考核方式。

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基金項(xiàng)目：1.湖南省教育廳教研教改項(xiàng)目“基于CDIO工程教育模式的材料物理專業(yè)人才培養(yǎng)方案的研究與實(shí)踐”（湘教通[2015]291號(hào)）;2.湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”（S202111528034）;3.湖南工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“基于LabVIEW的螺旋榨油機(jī)膛內(nèi)溫度、壓力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究”（2020HY010）

作者簡(jiǎn)介：羅玉蘭（1987—?），女，湖南瀏陽人，在職研究生，助教，研究方向：智能傳感與控制技術(shù)。