工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下現(xiàn)代控制工程之“金課”建設(shè)

肖會芹　孔玲爽　楊興果　周文權(quán)　周維龍　趙凱輝

［摘 要］文章基于工程教育專業(yè)認(rèn)證背景，遵循“以學(xué)生為中心”的教育理念和“金課”的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，分別從教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)資源、教學(xué)形式和考核方式三方面探討現(xiàn)代控制工程“金課”建設(shè)思路：在整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以控制工程案例為主線的教學(xué)資源，提升課程的高階性；采用模塊集中授課、親歷實(shí)踐調(diào)研以及控制專題研討等多種教學(xué)形式，強(qiáng)化課程的創(chuàng)新性；加大過程性考核成績比重，提高課程的挑戰(zhàn)度。

［關(guān)鍵詞］工程教育專業(yè)認(rèn)證；“金課”；現(xiàn)代控制工程；控制工程案例

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）06-0015-03

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度[1]，倡導(dǎo)以學(xué)生為中心的教育理念，并且要求聚焦學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)[2]，對課程建設(shè)和教學(xué)過程有著較高的要求。課程建設(shè)是工程教育專業(yè)認(rèn)證的基礎(chǔ)。2018年6月，時任教育部部長陳寶生提出“金課”的概念，要求打造具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程[3]。“金課”建設(shè)與工程教育專業(yè)認(rèn)證都是高等教育改革的重要方向，二者可以有機(jī)結(jié)合，其共同的目的就是培養(yǎng)高水平的符合社會需要的新工科人才。工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心”的教育理念為“金課”建設(shè)指明了方向。將“金課”建設(shè)與工程教育專業(yè)認(rèn)證有機(jī)結(jié)合，綜合考慮，可以最大限度實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)專業(yè)人才的目標(biāo)[4]。

湖南工業(yè)大學(xué)（以下簡稱我校）自動化專業(yè)每年招生人數(shù)約200多人，旨在培養(yǎng)能在自動化及相關(guān)專業(yè)工程領(lǐng)域從事科研、開發(fā)和管理工作的應(yīng)用型高級技術(shù)人才?，F(xiàn)代控制工程是我校自動化專業(yè)理論核心課程中的綜合建設(shè)課程，其教學(xué)目標(biāo)為：使學(xué)生在熟悉自動控制理論方法特點(diǎn)和先進(jìn)性的基礎(chǔ)上，具有電氣、機(jī)械、包裝自動化等控制系統(tǒng)的建模能力，并能夠運(yùn)用時域法、頻域法、狀態(tài)空間法等方法對其運(yùn)動過程、穩(wěn)定性、能控性和能觀性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)以及極點(diǎn)配置，掌握觀測器等的綜合設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決自動化領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的基本能力，并使學(xué)生具有家國情懷、人生目標(biāo)，以及科研創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作等精神。

我校自動化專業(yè)2019年入選首批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2021年通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，2008年被評為國家級特色專業(yè)，為我校自動化專業(yè)現(xiàn)代控制工程課程建設(shè)和發(fā)展提供了契機(jī)。工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，如何提升課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，將現(xiàn)代控制工程課程打造成“金課”？本文擬結(jié)合近年來自動化專業(yè)控制理論課程群教學(xué)的方法、措施，給出一些思路。

一、整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及建設(shè)教學(xué)資源，提升課程的高階性

現(xiàn)代控制工程是我校自動化專業(yè)近年來課程體系重塑下課程改革的產(chǎn)物，是控制理論核心課程中的綜合建設(shè)課程，是對傳統(tǒng)三門控制類基礎(chǔ)課程（自動控制原理、現(xiàn)代控制理論以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）進(jìn)行整合后開設(shè)的課程，旨在進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。為了提升課程的高階性，我校自動化專業(yè)在整合優(yōu)化傳統(tǒng)控制知識的基礎(chǔ)上，積極開發(fā)和建設(shè)能夠融合知識、能力和素質(zhì)教育的各種教學(xué)資源。

整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的主導(dǎo)思想是對現(xiàn)代控制工程的分散知識點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一梳理，對有交叉以及過時的內(nèi)容進(jìn)行合并、精簡與刪除，重點(diǎn)突出“系統(tǒng)”的概念和“反饋”的控制思想，以“控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型—控制系統(tǒng)的分析—控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”為主線設(shè)計(jì)優(yōu)化該課程授課內(nèi)容，具體整合優(yōu)化方案如圖1所示。

在“控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”這一部分內(nèi)容中，主要包括三種數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)模型、脈沖傳遞函數(shù)模型和狀態(tài)空間模型。這三種經(jīng)典的控制系統(tǒng)模型能夠?qū)⑾到y(tǒng)外部和內(nèi)部的數(shù)學(xué)關(guān)系描述清楚。

在“控制系統(tǒng)的分析”這一部分內(nèi)容中，經(jīng)典控制的時域分析、頻域分析以及現(xiàn)代控制的狀態(tài)空間分析為主要精簡保留的內(nèi)容，經(jīng)典控制的根軌跡分析安排學(xué)生課下自學(xué)。

在“控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”這一部分內(nèi)容中，保留自動控制原理中線性定常連續(xù)系統(tǒng)的校正和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣控制系統(tǒng)的校正的內(nèi)容。此外，在現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中均涉及狀態(tài)反饋、極點(diǎn)配置和觀測器設(shè)計(jì)的內(nèi)容，新的內(nèi)容整合優(yōu)化方案將這兩門傳統(tǒng)課程的該部分內(nèi)容合并在一起，分別從連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的角度進(jìn)行整合優(yōu)化。

經(jīng)過以上的整合優(yōu)化，現(xiàn)代控制工程課程內(nèi)容更加系統(tǒng)化、條理化了。

在教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其最佳教學(xué)效果、提升課程的高階性是“金課”建設(shè)的一個重要方面。為了提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，現(xiàn)代控制工程的教學(xué)設(shè)計(jì)分為理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，并采用模塊化設(shè)計(jì)，將每個環(huán)節(jié)分解為4個教學(xué)模塊，每一個模塊采用的教學(xué)資源不盡相同。教學(xué)模塊設(shè)計(jì)與對應(yīng)教學(xué)資源使用情況如圖2所示。

根據(jù)各模塊不同教學(xué)資源的需求，教師在選用指定經(jīng)典教材的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充以控制工程案例為主線的教學(xué)資源。我校自動化專業(yè)每年春秋兩季的畢業(yè)設(shè)計(jì)作品展案例、電子設(shè)計(jì)競賽作品案例、包裝自動化控制工程案例以及科研案例等素材中不乏優(yōu)秀的實(shí)例作品，如果能吸納其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念為課程所用，則更能體現(xiàn)理論知識的實(shí)踐應(yīng)用價值。除此之外，為了全方位培育人才，課程全程融入思政元素。思政資源來自思政課程、各類專業(yè)相關(guān)宣傳片和紀(jì)錄片。

由上可見，在教學(xué)資源建設(shè)中增加大量的控制工程案例，這于課程而言，更容易突出“系統(tǒng)”和“反饋”的核心概念，于工程教育專業(yè)認(rèn)證而言，更易于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。各種優(yōu)秀翔實(shí)的實(shí)時控制案例，尤其是豐富的行業(yè)背景突出的包裝自動化控制工程案例資源，一方面使得我校自動化專業(yè)特色更加鮮明，另一方面也更有助于體現(xiàn)“金課”高階性的要求。

二、采用以學(xué)生為中心的教學(xué)形式，強(qiáng)化課程的創(chuàng)新性

課程教學(xué)遵循“以學(xué)生為中心”的教育理念，采用模塊集中授課、親歷實(shí)踐調(diào)研、控制專題研討三種形式。整個教學(xué)過程由專業(yè)教師、思政教師以及學(xué)生共同參與，具體組織實(shí)施如下：

（一）模塊集中授課

模塊集中授課旨在使學(xué)生破解難點(diǎn)、掌握重點(diǎn)，同時適時切入思政元素，培養(yǎng)具有家國情懷、人生目標(biāo)以及科研創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作等精神的新工科人才。教學(xué)設(shè)計(jì)中的理論環(huán)節(jié)主要采用此教學(xué)形式。各模塊具體授課知識點(diǎn)、工程能力培養(yǎng)以及思政切入點(diǎn)由專業(yè)教師和思政教師共同組織研討。例如，模塊一中的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模知識能夠培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程問題進(jìn)行提煉、定義和建模的能力。該部分可以引導(dǎo)學(xué)生了解通過表面認(rèn)清本質(zhì)的道理，并且其中的數(shù)學(xué)變換（例如狀態(tài)空間表達(dá)式的線性變換）也蘊(yùn)含著誠信、友愛、平等等思政元素。模塊二中的控制系統(tǒng)運(yùn)動過程、穩(wěn)定性和能控能觀性分析能夠培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和自動化工程科學(xué)的基本原理對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析和評價的能力。該模塊中控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性之間的關(guān)系體現(xiàn)事物之間相互制約、對立統(tǒng)一的一面，有助于學(xué)生辯證思維能力的培養(yǎng)。模塊三中的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分能夠提升學(xué)生分析和解決自動化領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。該部分可以將“校正”在控制系統(tǒng)中的重要作用映射到人本身這個特殊系統(tǒng)中：在控制系統(tǒng)偏離預(yù)期的時候，通過校正可以使系統(tǒng)穩(wěn)定；同樣，在人生偏離預(yù)期目標(biāo)時，及時的自我反思校正可以避免誤入歧途。模塊四通過將前沿性的科研案例進(jìn)行模塊知識分解，聯(lián)系模塊一至模塊三知識內(nèi)容，使得控制理論知識與科研開發(fā)案例深度融合，有利于學(xué)生工程化思維模式的形成。該部分最能體現(xiàn)社會主義事業(yè)需要學(xué)科交叉人才、需要具有綜合能力的人才等思政元素。

（二）親歷實(shí)踐調(diào)研

此教學(xué)形式重在提升學(xué)生對復(fù)雜工程問題解決方案的理解分析、對信息資料的采集歸納以及團(tuán)隊(duì)合作中的交流溝通等綜合能力及素養(yǎng)，主要通過實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)施，采用問題引領(lǐng)和任務(wù)驅(qū)動機(jī)制。每班首先進(jìn)行分組，5人一組，設(shè)定組長1人，組織控制工程案例實(shí)踐調(diào)研，調(diào)研自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)作品展案例（現(xiàn)場）、電子設(shè)計(jì)競賽作品案例（現(xiàn)場）以及包裝自動化工程案例（行業(yè)展會及工程師網(wǎng)站），調(diào)研結(jié)果形成PPT，由小組代表以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式將案例穿插于理論及實(shí)踐教學(xué)中。小組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作完成課內(nèi)實(shí)踐調(diào)研項(xiàng)目。該教學(xué)環(huán)節(jié)能夠從工程教育專業(yè)認(rèn)證中團(tuán)結(jié)協(xié)作的角度培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識?？刂乒こ贪咐{(diào)研任務(wù)及安排以具體的工程實(shí)際問題作為引導(dǎo)，構(gòu)建全過程的控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練項(xiàng)目，聚焦學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)，從系統(tǒng)建模、機(jī)理分析、軟硬件實(shí)現(xiàn)、按照明確的需求承擔(dān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本任務(wù)等方面進(jìn)行任務(wù)布置與分配，借此提升學(xué)生工程思維能力。這樣就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的理論性、完整性而忽略工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的不足，使得理論知識與實(shí)踐案例深度融合。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅對各類優(yōu)秀翔實(shí)的控制案例設(shè)計(jì)理念進(jìn)行吸納、傳承，而且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自己創(chuàng)新性的思維開發(fā)，同時也為構(gòu)建系統(tǒng)化的課程實(shí)踐控制工程案例庫提供了充足的素材。此環(huán)節(jié)亦可以體現(xiàn)學(xué)生調(diào)研結(jié)果的探究性和個性化，充分體現(xiàn)課程的創(chuàng)新性。

（三）控制專題研討

此教學(xué)形式旨在體現(xiàn)“師生均為教學(xué)共同體”的創(chuàng)新教學(xué)理念，由教師和小組長共同組織，采用開放式課堂教學(xué)，穿插于課程教學(xué)設(shè)計(jì)中理論環(huán)節(jié)模塊一至模塊三以及實(shí)踐環(huán)節(jié)模塊四。師生共同將課程中的重要知識點(diǎn)及其工程理解與實(shí)踐應(yīng)用歸納為幾個控制專題進(jìn)行研討。專題研討一般具有針對性和探討性特點(diǎn)。這種教學(xué)形式既能吸引學(xué)生的注意力，又能促進(jìn)學(xué)生對集中授課知識點(diǎn)的吸收。因此，廣大師生應(yīng)該充分研究課程授課特點(diǎn)，將理論內(nèi)容與實(shí)踐案例進(jìn)行科學(xué)整合，形成若干個專題，合理安排時間，組織高水平、高質(zhì)量、高效率的專題研討，從而使得教學(xué)效果更佳。在此過程中，學(xué)生能夠深刻體會到，教學(xué)不是由教師的教和學(xué)生的學(xué)構(gòu)成，應(yīng)該是由師生共同體來完成一門課程的教學(xué)。

三、優(yōu)化考核方式，加大過程性考核成績比重，提高課程的挑戰(zhàn)度

挑戰(zhàn)度是指課程要有一定難度，“金課”提高挑戰(zhàn)度的要求使得學(xué)生僅靠期末考試突擊復(fù)習(xí)就能通過一門課程考核的時代成為過去。挑戰(zhàn)度的要求實(shí)際上對教師和學(xué)生均提出了新的要求，教師需要花更多的時間和精力去備課、講課，尤其是各個教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，要保障學(xué)生課上、課下有較多的時間學(xué)習(xí)和思考，聚焦學(xué)生綜合能力的提升。那么如何對學(xué)生的綜合能力進(jìn)行評價？這就要求在各個教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施過程中，不斷進(jìn)行考核，即增加過程性考核，這樣既能督促學(xué)生緊跟各個教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷思考、學(xué)習(xí)，也增加了課程學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度和難度。現(xiàn)代控制工程課程考核由“過程性考核+終結(jié)性考核”構(gòu)成。2015級以前，過程性考核（出勤和作業(yè)）成績占總成績的30%，期末考試成績占總成績的70%。自2015級開始，過程性考核成績占總成績的50%，期末考試成績占總成績的50%，其中過程性考核成績由平時出勤成績、平時作業(yè)成績、專題研討成績以及課內(nèi)實(shí)踐模塊成績構(gòu)成。過程性考核增加了教師教學(xué)的工作量，如平時出勤、提問發(fā)言記錄，作業(yè)批改，成績登記，翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)評分，課堂及調(diào)研視頻錄制等。過程性考核的形式多種多樣，并且貫穿學(xué)習(xí)的整個過程，通過不斷的考核督促學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、思考與進(jìn)步，提高了學(xué)習(xí)的廣度、難度和深度以及課程和學(xué)業(yè)的挑戰(zhàn)度。

四、結(jié)語

工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，“金課”建設(shè)勢在必行，大學(xué)教師只有不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、更新教育理念、豐富教學(xué)資源、改變教學(xué)方法，才能真正打造出大學(xué)的“金課”。我校在現(xiàn)代控制工程課程建設(shè)過程中，契合工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，豐富以控制工程案例為主線的教學(xué)資源，提升課程的高階性；持續(xù)改進(jìn)教學(xué)手段和方法，采用模塊集中授課、親歷實(shí)踐調(diào)研、控制專題研討等教學(xué)形式，同時輔以問題引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)手段，強(qiáng)化課程的創(chuàng)新性；構(gòu)建更加合理的考核評價方式，不斷提高課程的挑戰(zhàn)度，努力打造特色更為鮮明的“金課”。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 林健. 工程教育認(rèn)證與工程教育改革和發(fā)展[J]. 高等工程教育研究，2015（2）： 10-19.

[2］ 羅勇，劉曉蘭. 工程教育專業(yè)認(rèn)證理念下電子信息類人才培養(yǎng)方案優(yōu)化：以鄭州大學(xué)自動化專業(yè)為例[J]. 大學(xué)教育，2019（8）： 24-27.

[3］ 郭恒川，趙國增，王勤. 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的“金課”建設(shè)[J]. 教書育人（高教論壇），2020（21）：66-68.

[4］ 李海平，胡志和. 工程教育認(rèn)證背景下“食品安全監(jiān)督管理”課程的“金課”建設(shè)思路探討[J]. 黑龍江教育（高教研究與評估），2021（2）：34-35.

［責(zé)任編輯：周侯辰］