基于工程案例的系列課程團隊教學新模式

李興瑋 曹聚亮 白圣建 何曉峰 馮國虎

(國防科技大學 智能科學學院,長沙 410073)

系列課程的劃分已經(jīng)不是一個新的概念,團隊教學的思路也已經(jīng)有了一段時間。但系列課程的現(xiàn)行團隊教學模式上還是存在一定的問題。首先,所謂的“系列課程”只是從專業(yè)角度的劃分上來說是屬于同一個學科系列,并沒有從教學的角度將系列課程貫穿起來,并形成有機的整體。目前,系列課程中的各門課程依然相互獨立,相互之間沒有密切的聯(lián)系。其次,所謂的“團隊”教學主要還是停留在狹隘意義的“團隊”上,即停留在某一門課程的團隊教學上。也就是說,目前的“團隊”教學主要還是某一門課程的小團隊教學,并未形成真正意義上的系列課程的大團隊教學局面。所以,“系列課程的團隊教學”并未被賦予名副其實的內容。

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

1 系列課程的團隊教學新思想

在多年的本科課程教學實踐中,我們逐步意識到: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,必須從學生專業(yè)知識體系構建的角度形成共性的、用以區(qū)別于其它系列課程的內容體系;系列課程中的各門課程也不應該是一種松散的結合,而應該是在教學方法和教學手段上的緊密結合。系列課程的教學團隊也應該有其具體的、公共的亮點,這不僅包括教材、教案的內容、風格、模式等,也包括試驗單元的相互聯(lián)系與統(tǒng)籌規(guī)劃,還包括教學過程中的組織、試驗的實施等相關內容。

根據(jù)“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的具體特點,基于將理論教學與實驗教學融為一體的教學理念,遵循突出工程應用特色的原則,提出了以一個脫密并改進的導彈控制系統(tǒng)為案例,將大學該系列主要課程的主要內容、知識點、實驗單元有效連接和貫通的系列課程創(chuàng)新教學新模式。

1.1 強調與“控制系統(tǒng)”的緊密結合

“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的核心是“控制”,控制的對象則是“系統(tǒng)”。如何落實“控制”,當然主要靠“控制器”的設計和實現(xiàn),但“控制器”的設計和實現(xiàn)又與控制對象“系統(tǒng)”的特性密切相關。因此,應該強調教學內容與研究對象“系統(tǒng)”的緊密結合,讓學生明白到底什么是控制系統(tǒng)、什么是被控系統(tǒng)、我們日常生活中常見的控制系統(tǒng)是什么樣子、被控系統(tǒng)是什么樣子。為了增強對研究對象的感性認識,我們以一個脫密并改進的導彈控制系統(tǒng)為例,對典型的控制系統(tǒng)進行詳細介紹。

1.2 實驗教學與理論教學融為一體

考慮到“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的實踐性,堅持理論教學和實驗教學相結合的思想來規(guī)劃教學實踐單元,使每門課程的實踐活動延伸到系列課程的整個教學單元中。不僅利用本科生公共實驗設備,還應考慮共享研究生的實驗環(huán)境,特別是可以通過參觀和學習一些工程項目的半實物仿真試驗環(huán)境,使學生實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

國內外大學關于“控制科學與工程”本科課程的設置差異較大[4-7],但是本質上不超出數(shù)理基礎、控制理論、方法與算法、軟件技術、硬件技術以及相關的實驗技術等。根據(jù)課程內容之間的關系,將大學開設的“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程下的所有課程劃分為若干課組,每個課組由若干相關課程組成,參見表1。

表1 “控制科學與工程”系列課程的課組劃分

1.4 以案例貫穿系列課程教學全過程

嘗試以一個脫密的導彈武器系統(tǒng)為例,對它進行改進和完善,將“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列的主要課程有效連接和貫通,使課程實踐活動貫穿到課程教學的整個過程中,加強實踐單元的鍛煉,集中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[8]。使學生體會到“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程在實際工程應用的巨大作用,進一步激發(fā)他們的學習積極性,并培養(yǎng)他們的科研興趣。

如圖1所示,一個導彈武器系統(tǒng)從分析論證到鑒定與定型一般至少有如下幾個大的單元:分析與論證階段、設計階段、試驗階段。在分析與論證階段,需要進行動力學分析、計算和仿真等工作;在設計階段,需要進行理論分析、設計和指標優(yōu)化等工作;在試驗階段,需要進行具體的實現(xiàn)、試驗、鑒定與定型等工作。

圖1 導彈控制系統(tǒng)實例的工程實現(xiàn)中各階段所涉及的控制理論學科基礎知識

事實上,這幾個階段,都可以由“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程提供詳細的技術支撐。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力學分析、計算、自身特性的仿真研究等方面的支撐。在設計階段,控制理論課組可以提供控制理論方面的技術支撐;導航與制導課組可以提供制導、控制、導航理論方面的技術支撐;方法算法課組可以提供具體設計工具和控制信號實現(xiàn)、設計方案優(yōu)化、控制參數(shù)尋優(yōu)等方面的技術支撐。在實現(xiàn)階段,硬件及接口課組可以提供導彈系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的技術支撐;軟件與程序實現(xiàn)課組可以提供導彈系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的技術支撐。在試驗階段,硬件及接口課組可以提供具體試驗時的技術支撐;實驗技術課組可以提供具體試驗的技術支撐;數(shù)據(jù)采集與處理課組可以提供導彈系統(tǒng)設計、試驗等大量可利用數(shù)據(jù)的歸檔管理和重用方面的數(shù)據(jù)庫技術支撐。

圖2 導彈控制系統(tǒng)實例的工程實現(xiàn)與“控制科學與工程”系列課程之間的關系

這樣,通過一個導彈武器系統(tǒng)的研制過程,就把很多大學“控制科學與工程”自動化專業(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踐試驗

依托現(xiàn)有本科教學實驗室以及后續(xù)逐步落實的其它各類學生實驗條件,并新建部分配套試驗環(huán)境[9],將課程中所學到的知識進行全面的運用、總結和復習,使學生真正從全局角度上把握“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程下的主要課程知識,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,提高學生的綜合運用能力。

2.1 構建相互獨立又密切聯(lián)系試驗單元

以一個脫密的導彈武器系統(tǒng)為例,對它進行適當?shù)母倪M[10],用九個既相互獨立,又密切聯(lián)系的試驗單元來完成全系統(tǒng)的試驗,如表2所示。

表2 導彈控制系統(tǒng)實例的相關試驗單元

值得說明的是,E9試驗單元是基于C/S模式實現(xiàn)的網(wǎng)絡環(huán)境下的六自由度彈體運動模型三通道控制仿真。該模式下,客戶端是六自由度彈體運動模型三通道控制仿真,服務器端是SQL SERVER 2000數(shù)據(jù)庫?？蛻舳怂傻乃袛?shù)據(jù)通過C/S模式存入事先設計好的SQL SERVER 2000數(shù)據(jù)庫中。所有九個實驗均在Windows平臺下,基于Matlab環(huán)境或VC6.0環(huán)境實現(xiàn)。

2.2 建立試驗單元與內容及知識點關系

將“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的主要課程的主要內容、知識點與上述各個實驗單元建立有效的連接關系。導彈控制系統(tǒng)實例相關試驗單元與“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程可以開展的實驗內容之間的對應關系參見表3。

表3 導彈控制系統(tǒng)實例相關試驗單元與系列課程可以開展的實驗內容之間的對應關系

3 “貫穿式”系列課程教學實施

3.1 立足教研試驗條件落實各試驗單元建設

具體依托現(xiàn)有的本科教學實驗室以及后續(xù)逐步落實的其它各類學生實驗條件,并新建部分配套試驗環(huán)境,落實各試驗單元的具體建設,形成完善的試驗體系[11-12]。

3.2 依試驗單元前后關聯(lián)安排上課和試驗順序

對于學生有一定認識的問題,我們以問題做引導[13],開展課內實例演示(Classroom Demonstration)單元,促使學生展開討論,加強師生互動交流,激發(fā)學生的學習熱情,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,從而提高其對問題的理解和重視程度,避免枯燥的講述。

4 拓展應用

上述系列課程的具體實驗單元并不是要拋棄現(xiàn)有各門課程的相關實驗,其實兩者可以緊密結合[14]。系列課程的具體實驗單元所考慮問題的層次更高,所看問題的角度更全面[15]。因此,可以將系列課程的具體實驗單元作為主體,以各門課程的現(xiàn)有相關實驗為輔。

事實上,這種團隊教學新模式完全可以拓展應用于其它專業(yè)課程建設。比如,國防科技大學智能科學學院正在規(guī)劃建設的無人機技術保障與維修專業(yè)系列課程就可以應用該模式。該課程成立了“首席教授-課程負責人-課程組成員”的系列課程教學團隊,首席教授負責組建無人機作戰(zhàn)應用課程群,從頂層設計課程群內各課程的知識體系,課程負責人結合課程內容進一步分解和細化課程知識點和實驗單元,實現(xiàn)這些課程設置的知識和實驗單元能夠前后銜接、互相支撐。比如在實驗單元設計上,“無人機態(tài)勢感知與情報處理”課程瞄準的是無人機作戰(zhàn)過程的“OODA”(Observation-Orientation-Decision-Action,觀察、判斷、決策、執(zhí)行)環(huán)中OO兩個環(huán)節(jié)無人機在情報處理過程的作戰(zhàn)運用,設置的實驗單元既滿足學生理解和掌握本課程的知識點的要求,又可作為系列課程綜合實踐課程的前導實踐內容的一部分,避免了課程之間知識點的重復出現(xiàn)和遺漏,讓學生成體系地了解系列課程中各知識點之間的前后關系。

5 結語

以上是我們在教學工作中摸索和總結出來的一些想法和改革措施,目前正在積極嘗試。這種通過一個典型工程應用的案例,將“控制科學與工程”一級學科下自動化專業(yè)系列課程中所學到的知識進行了全面的運用、復習、總結的舉措是一個教學和試驗模式的創(chuàng)新。這種模式對于學生形成系統(tǒng)化的知識體系、從全局把握“控制科學與工程”一級學科下自動化專業(yè)系列課程、加強綜合實踐單元的鍛煉、集中培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高綜合運用能力都具有重要的影響,其效益是長期的、深遠的。