基于工程案例的系列課程團(tuán)隊(duì)教學(xué)新模式

李興瑋 曹聚亮 白圣建 何曉峰 馮國(guó)虎

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

系列課程的劃分已經(jīng)不是一個(gè)新的概念,團(tuán)隊(duì)教學(xué)的思路也已經(jīng)有了一段時(shí)間。但系列課程的現(xiàn)行團(tuán)隊(duì)教學(xué)模式上還是存在一定的問(wèn)題。首先,所謂的“系列課程”只是從專業(yè)角度的劃分上來(lái)說(shuō)是屬于同一個(gè)學(xué)科系列,并沒(méi)有從教學(xué)的角度將系列課程貫穿起來(lái),并形成有機(jī)的整體。目前,系列課程中的各門(mén)課程依然相互獨(dú)立,相互之間沒(méi)有密切的聯(lián)系。其次,所謂的“團(tuán)隊(duì)”教學(xué)主要還是停留在狹隘意義的“團(tuán)隊(duì)”上,即停留在某一門(mén)課程的團(tuán)隊(duì)教學(xué)上。也就是說(shuō),目前的“團(tuán)隊(duì)”教學(xué)主要還是某一門(mén)課程的小團(tuán)隊(duì)教學(xué),并未形成真正意義上的系列課程的大團(tuán)隊(duì)教學(xué)局面。所以,“系列課程的團(tuán)隊(duì)教學(xué)”并未被賦予名副其實(shí)的內(nèi)容。

此外,隨著素質(zhì)教育的不斷深入,對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的要求也在不斷提高[1],目前還是主要關(guān)注學(xué)生在某一門(mén)課程上的動(dòng)手能力[2],而不是基于系列課程中的所有課程知識(shí)的運(yùn)用能力。因此,能否將系列課程的團(tuán)隊(duì)教學(xué)融為一體,形成基于案例的“貫穿式”的教學(xué)模式,使學(xué)生真正從全局的角度把握系列課程中的所有課程知識(shí),以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生的綜合實(shí)踐運(yùn)用能力的目的呢?本文就此展開(kāi)研究工作。

1 系列課程的團(tuán)隊(duì)教學(xué)新思想

在多年的本科課程教學(xué)實(shí)踐中,我們逐步意識(shí)到:所謂的“系列”課程不能只停留在專業(yè)角度劃分上的“系列”意義,必須從學(xué)生專業(yè)知識(shí)體系構(gòu)建的角度形成共性的、用以區(qū)別于其它系列課程的內(nèi)容體系;系列課程中的各門(mén)課程也不應(yīng)該是一種松散的結(jié)合,而應(yīng)該是在教學(xué)方法和教學(xué)手段上的緊密結(jié)合。系列課程的教學(xué)團(tuán)隊(duì)也應(yīng)該有其具體的、公共的亮點(diǎn),這不僅包括教材、教案的內(nèi)容、風(fēng)格、模式等,也包括試驗(yàn)單元的相互聯(lián)系與統(tǒng)籌規(guī)劃,還包括教學(xué)過(guò)程中的組織、試驗(yàn)的實(shí)施等相關(guān)內(nèi)容。

根據(jù)“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程的具體特點(diǎn),基于將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融為一體的教學(xué)理念,遵循突出工程應(yīng)用特色的原則,提出了以一個(gè)脫密并改進(jìn)的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)為案例,將大學(xué)該系列主要課程的主要內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)單元有效連接和貫通的系列課程創(chuàng)新教學(xué)新模式。

1.1 強(qiáng)調(diào)與“控制系統(tǒng)”的緊密結(jié)合

“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程的核心是“控制”,控制的對(duì)象則是“系統(tǒng)”。如何落實(shí)“控制”,當(dāng)然主要靠“控制器”的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),但“控制器”的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)又與控制對(duì)象“系統(tǒng)”的特性密切相關(guān)。因此,應(yīng)該強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容與研究對(duì)象“系統(tǒng)”的緊密結(jié)合,讓學(xué)生明白到底什么是控制系統(tǒng)、什么是被控系統(tǒng)、我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的控制系統(tǒng)是什么樣子、被控系統(tǒng)是什么樣子。為了增強(qiáng)對(duì)研究對(duì)象的感性認(rèn)識(shí),我們以一個(gè)脫密并改進(jìn)的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)為例,對(duì)典型的控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)融為一體

考慮到“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程的實(shí)踐性,堅(jiān)持理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的思想來(lái)規(guī)劃教學(xué)實(shí)踐單元,使每門(mén)課程的實(shí)踐活動(dòng)延伸到系列課程的整個(gè)教學(xué)單元中。不僅利用本科生公共實(shí)驗(yàn)設(shè)備,還應(yīng)考慮共享研究生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,特別是可以通過(guò)參觀和學(xué)習(xí)一些工程項(xiàng)目的半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境,使學(xué)生實(shí)踐能力得到全面的鍛煉和提高[3]。

1.3 劃分系列課程為若干課組

國(guó)內(nèi)外大學(xué)關(guān)于“控制科學(xué)與工程”本科課程的設(shè)置差異較大[4-7],但是本質(zhì)上不超出數(shù)理基礎(chǔ)、控制理論、方法與算法、軟件技術(shù)、硬件技術(shù)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)等。根據(jù)課程內(nèi)容之間的關(guān)系,將大學(xué)開(kāi)設(shè)的“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程下的所有課程劃分為若干課組,每個(gè)課組由若干相關(guān)課程組成,參見(jiàn)表1。

表1 “控制科學(xué)與工程”系列課程的課組劃分

1.4 以案例貫穿系列課程教學(xué)全過(guò)程

嘗試以一個(gè)脫密的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例,對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)和完善,將“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列的主要課程有效連接和貫通,使課程實(shí)踐活動(dòng)貫穿到課程教學(xué)的整個(gè)過(guò)程中,加強(qiáng)實(shí)踐單元的鍛煉,集中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[8]。使學(xué)生體會(huì)到“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程在實(shí)際工程應(yīng)用的巨大作用,進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性,并培養(yǎng)他們的科研興趣。

如圖1所示,一個(gè)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)從分析論證到鑒定與定型一般至少有如下幾個(gè)大的單元:分析與論證階段、設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段。在分析與論證階段,需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、計(jì)算和仿真等工作;在設(shè)計(jì)階段,需要進(jìn)行理論分析、設(shè)計(jì)和指標(biāo)優(yōu)化等工作;在試驗(yàn)階段,需要進(jìn)行具體的實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)、鑒定與定型等工作。

圖1 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例的工程實(shí)現(xiàn)中各階段所涉及的控制理論學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)

事實(shí)上,這幾個(gè)階段,都可以由“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程提供詳細(xì)的技術(shù)支撐。如圖2所示,在分析與論證階段,數(shù)理課組和方法算法課組可以提供動(dòng)力學(xué)分析、計(jì)算、自身特性的仿真研究等方面的支撐。在設(shè)計(jì)階段,控制理論課組可以提供控制理論方面的技術(shù)支撐;導(dǎo)航與制導(dǎo)課組可以提供制導(dǎo)、控制、導(dǎo)航理論方面的技術(shù)支撐;方法算法課組可以提供具體設(shè)計(jì)工具和控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、控制參數(shù)尋優(yōu)等方面的技術(shù)支撐。在實(shí)現(xiàn)階段,硬件及接口課組可以提供導(dǎo)彈系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支撐;軟件與程序?qū)崿F(xiàn)課組可以提供導(dǎo)彈系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支撐。在試驗(yàn)階段,硬件及接口課組可以提供具體試驗(yàn)時(shí)的技術(shù)支撐;實(shí)驗(yàn)技術(shù)課組可以提供具體試驗(yàn)的技術(shù)支撐;數(shù)據(jù)采集與處理課組可以提供導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等大量可利用數(shù)據(jù)的歸檔管理和重用方面的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)支撐。

圖2 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例的工程實(shí)現(xiàn)與“控制科學(xué)與工程”系列課程之間的關(guān)系

這樣,通過(guò)一個(gè)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制過(guò)程,就把很多大學(xué)“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程下的主要課程有效地連接、貫穿在一起了。

2 貫穿式系列課程綜合實(shí)踐試驗(yàn)

依托現(xiàn)有本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室以及后續(xù)逐步落實(shí)的其它各類(lèi)學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件,并新建部分配套試驗(yàn)環(huán)境[9],將課程中所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行全面的運(yùn)用、總結(jié)和復(fù)習(xí),使學(xué)生真正從全局角度上把握“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程下的主要課程知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。

2.1 構(gòu)建相互獨(dú)立又密切聯(lián)系試驗(yàn)單元

以一個(gè)脫密的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例,對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)[10],用九個(gè)既相互獨(dú)立,又密切聯(lián)系的試驗(yàn)單元來(lái)完成全系統(tǒng)的試驗(yàn),如表2所示。

表2 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例的相關(guān)試驗(yàn)單元

值得說(shuō)明的是,E9試驗(yàn)單元是基于C/S模式實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的六自由度彈體運(yùn)動(dòng)模型三通道控制仿真。該模式下,客戶端是六自由度彈體運(yùn)動(dòng)模型三通道控制仿真,服務(wù)器端是SQL SERVER 2000數(shù)據(jù)庫(kù)?？蛻舳怂傻乃袛?shù)據(jù)通過(guò)C/S模式存入事先設(shè)計(jì)好的SQL SERVER 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中。所有九個(gè)實(shí)驗(yàn)均在Windows平臺(tái)下,基于Matlab環(huán)境或VC6.0環(huán)境實(shí)現(xiàn)。

2.2 建立試驗(yàn)單元與內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)關(guān)系

將“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程的主要課程的主要內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)與上述各個(gè)實(shí)驗(yàn)單元建立有效的連接關(guān)系。導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例相關(guān)試驗(yàn)單元與“控制科學(xué)與工程”自動(dòng)化專業(yè)系列課程可以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系參見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例相關(guān)試驗(yàn)單元與系列課程可以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 “貫穿式”系列課程教學(xué)實(shí)施

3.1 立足教研試驗(yàn)條件落實(shí)各試驗(yàn)單元建設(shè)

具體依托現(xiàn)有的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室以及后續(xù)逐步落實(shí)的其它各類(lèi)學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件,并新建部分配套試驗(yàn)環(huán)境,落實(shí)各試驗(yàn)單元的具體建設(shè),形成完善的試驗(yàn)體系[11-12]。

3.2 依試驗(yàn)單元前后關(guān)聯(lián)安排上課和試驗(yàn)順序

對(duì)于學(xué)生有一定認(rèn)識(shí)的問(wèn)題,我們以問(wèn)題做引導(dǎo)[13],開(kāi)展課內(nèi)實(shí)例演示(Classroom Demonstration)單元,促使學(xué)生展開(kāi)討論,加強(qiáng)師生互動(dòng)交流,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,從而提高其對(duì)問(wèn)題的理解和重視程度,避免枯燥的講述。

4 拓展應(yīng)用

上述系列課程的具體實(shí)驗(yàn)單元并不是要拋棄現(xiàn)有各門(mén)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn),其實(shí)兩者可以緊密結(jié)合[14]。系列課程的具體實(shí)驗(yàn)單元所考慮問(wèn)題的層次更高,所看問(wèn)題的角度更全面[15]。因此,可以將系列課程的具體實(shí)驗(yàn)單元作為主體,以各門(mén)課程的現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)為輔。

事實(shí)上,這種團(tuán)隊(duì)教學(xué)新模式完全可以拓展應(yīng)用于其它專業(yè)課程建設(shè)。比如,國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院正在規(guī)劃建設(shè)的無(wú)人機(jī)技術(shù)保障與維修專業(yè)系列課程就可以應(yīng)用該模式。該課程成立了“首席教授-課程負(fù)責(zé)人-課程組成員”的系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì),首席教授負(fù)責(zé)組建無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用課程群,從頂層設(shè)計(jì)課程群內(nèi)各課程的知識(shí)體系,課程負(fù)責(zé)人結(jié)合課程內(nèi)容進(jìn)一步分解和細(xì)化課程知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)單元,實(shí)現(xiàn)這些課程設(shè)置的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)單元能夠前后銜接、互相支撐。比如在實(shí)驗(yàn)單元設(shè)計(jì)上,“無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知與情報(bào)處理”課程瞄準(zhǔn)的是無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)過(guò)程的“OODA”(Observation-Orientation-Decision-Action,觀察、判斷、決策、執(zhí)行)環(huán)中OO兩個(gè)環(huán)節(jié)無(wú)人機(jī)在情報(bào)處理過(guò)程的作戰(zhàn)運(yùn)用,設(shè)置的實(shí)驗(yàn)單元既滿足學(xué)生理解和掌握本課程的知識(shí)點(diǎn)的要求,又可作為系列課程綜合實(shí)踐課程的前導(dǎo)實(shí)踐內(nèi)容的一部分,避免了課程之間知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)出現(xiàn)和遺漏,讓學(xué)生成體系地了解系列課程中各知識(shí)點(diǎn)之間的前后關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

以上是我們?cè)诮虒W(xué)工作中摸索和總結(jié)出來(lái)的一些想法和改革措施,目前正在積極嘗試。這種通過(guò)一個(gè)典型工程應(yīng)用的案例,將“控制科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科下自動(dòng)化專業(yè)系列課程中所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行了全面的運(yùn)用、復(fù)習(xí)、總結(jié)的舉措是一個(gè)教學(xué)和試驗(yàn)?zāi)Ｊ降膭?chuàng)新。這種模式對(duì)于學(xué)生形成系統(tǒng)化的知識(shí)體系、從全局把握“控制科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科下自動(dòng)化專業(yè)系列課程、加強(qiáng)綜合實(shí)踐單元的鍛煉、集中培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高綜合運(yùn)用能力都具有重要的影響,其效益是長(zhǎng)期的、深遠(yuǎn)的。