工程教育专业认证背景下现代控制工程之“金课”建设_肖会芹.pdf

收稿时间 2021-11-12基金项目 2022年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“工程教育认证背景下自动化专业控制核心课程群一体化研究”（HNJG-2022-0199）、“电气工程新工科专业实践教学改革研究”（HNJG-2022-0847）；2020年湖南省省级线下一流本科课程“现代控制理论”建设项目；2020年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“一流本科建设背景下自动化专业课程体系优化研究与实践”（HNJG-2020-0579）。作者简介 肖会芹（1977），女，河北人，博士，教授，研究方向为时滞系统鲁棒控制、网络控制。摘要 文章基于工程教育专业认证背景，遵循“以学生为中心”的教育理念和“金课”的建设标准，分别从教学内容及教学资源、教学形式和考核方式三方面探讨现代控制工程“金课”建设思路：在整合优化教学内容的基础上，构建以控制工程案例为主线的教学资源，提升课程的高阶性；采用模块集中授课、亲历实践调研以及控制专题研讨等多种教学形式，强化课程的创新性；加大过程性考核成绩比重，提高课程的挑战度。关键词 工程教育专业认证；“金课”；现代控制工程；控制工程案例中图分类号 G642 文献标识码 A 文章编号 2095-3437（2023）06-0015-032023年3月March，2023University Education工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度1，倡导以学生为中心的教育理念，并且要求聚焦学生复杂工程问题解决能力的培养2，对课程建设和教学过程有着较高的要求。课程建设是工程教育专业认证的基础。2018 年 6 月，时任教育部部长陈宝生提出“金课”的概念，要求打造具有高阶性、创新性和挑战度的课程3。“金课”建设与工程教育专业认证都是高等教育改革的重要方向，二者可以有机结合，其共同的目的就是培养高水平的符合社会需要的新工科人才。工程教育专业认证“以学生为中心”的教育理念为“金课”建设指明了方向。将“金课”建设与工程教育专业认证有机结合，综合考虑，可以最大限度实现培养专业人才的目标4。湖南工业大学（以下简称我校）自动化专业每年招生人数约200多人，旨在培养能在自动化及相关专业工程领域从事科研、开发和管理工作的应用型高级技术人才。现代控制工程是我校自动化专业理论核心课程中的综合建设课程，其教学目标为：使学生在熟悉自动控制理论方法特点和先进性的基础上，具有电气、机械、包装自动化等控制系统的建模能力，并能够运用时域法、频域法、状态空间法等方法对其运动过程、稳定性、能控性和能观性进行分析，在此基础上，对控制系统进行校正设计以及极点配置，掌握观测器等的综合设计方法，培养学生分析与解决自动化领域复杂工程问题的基本能力，并使学生具有家国情怀、人生目标，以及科研创新、团结协作等精神。我校自动化专业2019年入选首批国家级一流本科专业建设点，2021年通过工程教育专业认证，2008年被评为国家级特色专业，为我校自动化专业现代控制工程课程建设和发展提供了契机。工程教育专业认证背景下，如何提升课程的高阶性、创新性和挑战度，将现代控制工程课程打造成“金课”？本文拟结合近年来自动化专业控制理论课程群教学的方法、措施，给出一些思路。一、整合优化教学内容及建设教学资源，提升课程的高阶性现代控制工程是我校自动化专业近年来课程体系重塑下课程改革的产物，是控制理论核心课程中的综合建设课程，是对传统三门控制类基础课程（自动控制原理、现代控制理论以及计算机控制系统）进行整合后开设的课程，旨在进一步培养学生解决复杂工程问题的能力。为了提升课程的高阶性，我校自动化专业在整合优化传统控制知识的基础上，积极开发和建设能够融合知识、能力和素质教育的各种教学资源。整合优化教学内容的主导思想是对现代控制工程的分散知识点进行统一梳理，对有交叉以及过时的内容进行合并、精简与删除，重点突出“系统”的概念和“反馈”的控制思想，以“控制系统的数学模型控制系统的分析控制系统的设计”为主线设计优化该课程授课内容，具体整合优化方案如图1所示。工程教育专业认证背景下现代控制工程之“金课”建设肖会芹孔玲爽杨兴果周文权周维龙赵凯辉湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲41200715控制系统的数学模型脉冲传递函数模型传递函数模型控制系统的分析状态空间模型频域分析时域分析状态空间分析线性定常连续系统的校正采样控制系统的校正状态反馈与极点配置、观测器设计现代控制工程课程内容整合与优化控制系统的设计图1现代控制工程内容整合优化方案在“控制系统的数学模型”这一部分内容中，主要包括三种数学模型：传递函数模型、脉冲传递函数模型和状态空间模型。这三种经典的控制系统模型能够将系统外部和内部的数学关系描述清楚。在“控制系统的分析”这一部分内容中，经典控制的时域分析、频域分析以及现代控制的状态空间分析为主要精简保留的内容，经典控制的根轨迹分析安排学生课下自学。在“控制系统的设计”这一部分内容中，保留自动控制原理中线性定常连续系统的校正和计算机控制系统的采样控制系统的校正的内容。此外，在现代控制理论和计算机控制系统中均涉及状态反馈、极点配置和观测器设计的内容，新的内容整合优化方案将这两门传统课程的该部分内容合并在一起，分别从连续系统和离散系统的角度进行整合优化。经过以上的整合优化，现代控制工程课程内容更加系统化、条理化了。在教学内容整合优化的基础上实现其最佳教学效果、提升课程的高阶性是“金课”建设的一个重要方面。为了提升学生解决复杂工程问题的能力，现代控制工程的教学设计分为理论环节和实践环节，并采用模块化设计，将每个环节分解为4个教学模块，每一个模块采用的教学资源不尽相同。教学模块设计与对应教学资源使用情况如图2所示。现代控制工程理论环节实践环节模块一：模块二：模块三：模块四：模块一：模块二：模块四：控制系统的数学模型控制系统的分析控制系统的设计科研案例分解教学工程仿真软件仿真实践机械臂数字控制器设计控制专题研讨教学资源：指定教材+思政课程、各类专业相关宣传片和纪录片教学资源：科研开发案例教学资源：MATLAB仿真软件教学资源：科研开发案例教学资源：师生共同总结归纳及调研的控制专题教学资源：自动化专业毕业设计作品展案例、电子设计竞赛作品案例、包装自动化控制工程案例|控制工程案例调研模块三：图2教学模块设计与对应教学资源使用情况根据各模块不同教学资源的需求，教师在选用指定经典教材的基础上，补充以控制工程案例为主线的教学资源。我校自动化专业每年春秋两季的毕业设计作品展案例、电子设计竞赛作品案例、包装自动化控制工程案例以及科研案例等素材中不乏优秀的实例作品，如果能吸纳其先进的设计理念为课程所用，则更能体现理论知识的实践应用价值。除此之外，为了全方位培育人才，课程全程融入思政元素。思政资源来自思政课程、各类专业相关宣传片和纪录片。由上可见，在教学资源建设中增加大量的控制工程案例，这于课程而言，更容易突出“系统”和“反馈”的核心概念，于工程教育专业认证而言，更易于培养学生解决复杂工程问题的能力。各种优秀翔实的实时控制案例，尤其是丰富的行业背景突出的包装自动化控制工程案例资源，一方面使得我校自动化专业特色更加鲜明，另一方面也更有助于体现“金课”高阶性的要求。二、采用以学生为中心的教学形式，强化课程的创新性课程教学遵循“以学生为中心”的教育理念，采用模块集中授课、亲历实践调研、控制专题研讨三种形式。整个教学过程由专业教师、思政教师以及学生共同参与，具体组织实施如下：（一一）模块集中授课模块集中授课模块集中授课旨在使学生破解难点、掌握重点，同时适时切入思政元素，培养具有家国情怀、人生目标以及科研创新、团结协作等精神的新工科人才。教学设计中的理论环节主要采用此教学形式。各模块具体授课知识点、工程能力培养以及思政切入点由专业教师和思政教师共同组织研讨。例如，模块一中的控制系统数学建模知识能够培养学生对复杂工程问题进行提炼、定义和建模的能力。该部分可以引导学生了解通过表面认清本质的道理，并且其中的数学变换（例如状态空间表达式的线性变换）也蕴含着诚信、友爱、平等等思政元素。模块二中的控制系统运动过程、稳定性和能控能观性分析能够培养学生应用数学、自然科学和自动化工程科学的基本原理对复杂工程问题进行分析和评价的能力。该模块中控制系统稳定性、快速性、准确性之间的关系体现事物之间相互制约、对立统一的一面，有助于学生辩证思维能力的培养。模块三中的控制系统的设计部分能够提升学生分析和解决自动化领域复杂工程问题的能力。该部分可以将“校正”在控制系统中的重要作用映射到人本身这个特殊系统中：在控制系统偏离预期的时候，通过校正可以使系统稳定；同样，在人生偏离预期目标时，及时的自我反思校正可以避免误入歧途。模块四通过将前沿性的科研案例进行模块知识分解，联系模块一至模块三知识内容，使得控制理论知识与科研开发案例深度融合，有利于学生工程化思维模式的形成。该部分最能体现社会主义事业需要学科交叉人才、需要具有综合能力的人才等思政元素。（二二）亲历实践调研亲历实践调研此教学形式重在提升学生对复杂工程问题解决方16案的理解分析、对信息资料的采集归纳以及团队合作中的交流沟通等综合能力及素养，主要通过实践环节实施，采用问题引领和任务驱动机制。每班首先进行分组，5人一组，设定组长1人，组织控制工程案例实践调研，调研自动化专业毕业设计作品展案例（现场）、电子设计竞赛作品案例（现场）以及包装自动化工程案例（行业展会及工程师网站），调研结果形成PPT，由小组代表以翻转课堂教学形式将案例穿插于理论及实践教学中。小组成员团结协作完成课内实践调研项目。该教学环节能够从工程教育专业认证中团结协作的角度培养学生的团队意识。控制工程案例调研任务及安排以具体的工程实际问题作为引导，构建全过程的控制系统综合训练项目，聚焦学生复杂工程问题解决能力的培养，从系统建模、机理分析、软硬件实现、按照明确的需求承担系统设计基本任务等方面进行任务布置与分配，借此提升学生工程思维能力。这样就弥补了传统理论教学强调学科知识的理论性、完整性而忽略工程实践能力培养的不足，使得理论知识与实践案例深度融合。在此环节中，学生不仅对各类优秀翔实的控制案例设计理念进行吸纳、传承，而且在此基础上进行自己创新性的思维开发，同时也为构建系统化的课程实践控制工程案例库提供了充足的素材。此环节亦可以体现学生调研结果的探究性和个性化，充分体现课程的创新性。（三三）控制专题研讨控制专题研讨此教学形式旨在体现“师生均为教学共同体”的创新教学理念，由教师和小组长共同组织，采用开放式课堂教学，穿插于课程教学设计中理论环节模块一至模块三以及实践环节模块四。师生共同将课程中的重要知识点及其工程理解与实践应用归纳为几个控制专题进行研讨。专题研讨一般具有针对性和探讨性特点。这种教学形式既能吸引学生的注意力，又能促进学生对集中授课知识点的吸收。因此，广大师生应该充分研究课程授课特点，将理论内容与实践案例进行科学整合，形成若干个专题，合理安排时间，组织高水平、高质量、高效率的专题研讨，从而使得教学效果更佳。在此过程中，学生能够深刻体会到，教学不是由教师的教和学生的学构成，应该是由师生共同体来完成一门课程的教学。三、优化考核方式，加大过程性考核成绩比重，提高课程的挑战度挑战度是指课程要有一定难度，“金课”提高挑战度的要求使得学生仅靠期末考试突击复习就能通过一门课程考核的时代成为过去。挑战度的要求实际上对教师和学生均提出了新的要求，教师需要花更多的时间和精力去备课、讲课，尤其是各个教学环节的设计，要保障学生课上、课下有较多的时间学习和思考，聚焦学生综合能力的提升。那么如何对学生的综合能力进行评价？这就要求在各个教学环节实施过程中，不断进行考核，即增加过程性考核，这样既能督促学生紧跟各个教学环节，不断思考、学习，也增加了课程学习的挑战度和难度。现代控制工程课程考核由“过程性考核+终结性考核”构成。2015级以前，过程性考核（出勤和作业）成绩占总成绩的 30%，期末考试成绩占总成绩的 70%。自2015级开始，过程性考核成绩占总成绩的50%