蘇盈盈，胡文金，王曉峰

案例式教學模式下卓越工程師人才培養(yǎng)改革探索
——以重慶科技學院自動控制原理課程為例

蘇盈盈，胡文金，王曉峰

卓越工程師教育培養(yǎng)計劃是中國高等教育工程專業(yè)認證的前驅工作。如何在當前教學模式下，有效地加強學生工程實踐能力的培養(yǎng)，是亟待解決的問題之一。以重慶科技學院自動化專業(yè)的專業(yè)理論課自動控制原理課程為例，突破以往的教學大綱模式，按照課程目標體系中各知識點的關系，將其有機地融合為多個實際工程案例，從教學內(nèi)容、教學思路、教學手段等方面闡述案例式教學模式，實現(xiàn)了卓越工程師培養(yǎng)中理論課程教學模式的轉型。

自動控制原理；案例式；卓越工程師；人才培養(yǎng)；改革

教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是高等教育服務國家特色新型工業(yè)化道路發(fā)展的重要舉措。高等教育將向工程型教育轉型，主動服務行業(yè)企業(yè)的需求，改革工程教育人才培養(yǎng)模式，提升學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力［1］。

近年來，重慶科技學院自動化本科專業(yè)被納入國家卓越工程師計劃項目，其所屬的控制科學與工程專業(yè)也被確定為重慶市“十二五”規(guī)劃的市級重點建設學科之一，目前正在積極申報重慶市特色專業(yè)。在機遇與挑戰(zhàn)并存的契機下，自動化專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃從課程設置、學生考核方式、校企合作以及學生創(chuàng)新項目等方面進行了變革，探索了卓越工程師人才培養(yǎng)模式的改革方式。以專業(yè)基礎課自動控制原理為例，案例式教學改革是目前正在探索的一種新的教學模式。

一、自動控制原理課程存在的問題

自動控制原理課程具有理論性強、概念抽象、工程實用等特點［2］。學生在學習初期，普遍能夠認識到課程的重要性，也具有較高的學習熱情和積極性。

隨著課程的推進，由于自動控制原理課程涉及很多數(shù)學知識，如拉普拉斯變換、時域分析、根軌跡、頻域特性等多種數(shù)學運算，使其變成了數(shù)學課，包含了各種公式的推導、定理、定義及性質等枯燥乏味的教學內(nèi)容。為了抓住學生的注意力，授課教師多以例題的形式，通過對問題的求解，加深學生對知識點的認識。但由于課時有限，教師沒有時間還原實際的控制問題，例題大多是抽象出來的數(shù)學問題［3］，如RC電路被抽象為一階傳遞函數(shù)、電動機的轉速系統(tǒng)被抽象為二階傳遞函數(shù)。由于例題與實際控制對象有所差別，學生無法將所求解的問題與實際控制對象的穩(wěn)定性、快速性、準確性有效地聯(lián)系起來。課堂學習積極性不高，理論與實踐脫節(jié)，所學知識不能在有效的時間內(nèi)被消化、吸收，無法解決實際的控制系統(tǒng)分析與設計問題。

在自動化卓越工程師人才培養(yǎng)中，重慶科技學院不再單獨開設自動控制原理課程的前期基礎課——復變函數(shù)，而是將現(xiàn)有的自動控制原理課程從原來的56學時增加為80學時。自動控制原理課程的授課教師負責講授復變函數(shù)，知識點仍然包括復數(shù)及其性質、拉普拉斯變換、Z變換、傅里葉變換等［4］。以工程實現(xiàn)的角度引入復變函數(shù)知識點，使學生接受知識點的重要性和工程價值，并在工程中還原這些理論方法的意義，讓學生體會到技術的掌握離不開理論的學習，從而消除他們對枯燥數(shù)學的厭煩情緒。

重慶科技學院以自動化卓越工程師培養(yǎng)為目的，通過設計教學案例，以工程講解的教學理念和方法，加大理論與實際結合的案例講解過程。將理論知識工程化、實例化，使理論知識與工程相結合，在工程中學習理論知識，打造應用型本科人才，培養(yǎng)學生具有顯著的工程實踐能力，為卓越工程師培養(yǎng)提供新的教學模式。

二、案例式教學模式的教學框架及需要思考的問題

案例式教學框架如圖1所示。首先，深入各個兄弟院校進行卓越工程師培養(yǎng)計劃、實踐計劃和人才培養(yǎng)方案調(diào)研，掌握第一手資料。其次，組織重慶科技學院自動化專業(yè)的優(yōu)秀骨干教師開展討論，明確各章知識點，設計符合學生接受能力的案例庫主體問題，完成案例庫的設計、實現(xiàn)MATLAB的編譯過程、設計課堂提問等具體環(huán)節(jié)。再次，組織校內(nèi)外專家對重慶科技學院自動化卓越工程師案例式教學內(nèi)容進行評審，討論該方案的可行性、可操作性以及有效性等方面。最后，將制定好的計劃應用到自動化專業(yè)中，通過實踐進行檢驗。經(jīng)過這一系列扎實有效的工作，形成思想成熟、計劃合理、方案可行的卓越工程師案例式教學模式。

案例式教學模式下，教師需要思考以下4個方面的問題。一是，如何在有限的課時范圍內(nèi)，分配理論講解和實踐案例教學的時間。二是，理論知識講解什么內(nèi)容、講到什么程度，既能滿足學生在案例工程中的應用，又能激發(fā)學生的自學興趣。三是，案例安排到什么難度，既能滿足教學需要，又能讓學生透徹理解、熟練運用知識。四是，如何安排各案例之間的關系。

圖1 案例式教學框架

三、案例式教學模式下的教學手段——虛擬仿真軟件

20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任Cleve Moler為了減輕學生編程的負擔，用FORTRAN編寫了最早的MATLAB軟件。它是由美國MathWorks公司［5］發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案。

自動控制原理課程以操作簡單的虛擬仿真軟件MATLAB為授課手段，在符合教學大綱對實驗知識點要求的基礎上，重新設計與實際控制對象一致的、新的仿真實例。通過直觀的仿真效果圖，可觀察到控制系統(tǒng)參數(shù)的改變對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、快速性的影響，有助于學生快速理解和掌握方法的實際應用價值及意義。對于根軌跡、頻率特性等比較抽象的控制系統(tǒng)性能分析方法，通過MATLAB仿真軟件更是可以輕松繪制，有助于學生自我驗證手繪圖形的正確性。改革后的教學模式，實驗操作簡單、直觀有效、方便后續(xù)控制算法的開發(fā)，同時有益于滿足自動化專業(yè)本科畢業(yè)設計對MATLAB軟件的需要。

四、案例式教學模式下的教學內(nèi)容

（一）梳理各章的重要知識點，還原易于學生理解的實際問題

根據(jù)教學大綱的內(nèi)容，確定各章需要學生掌握的重要知識點和難點。以此為理論依據(jù)，通過查閱資料、書籍等，調(diào)研企業(yè)，圍繞各知識點進行擴展，將其還原到石油、化工等行業(yè)的具體控制對象中，找到與書本知識相符合的實際具體問題，并將其作為各案例的問題來源。

（二）根據(jù)本科學生的學習能力，編寫符合教學實際的案例

圍繞已找到的實際控制問題，反復推敲，建立符合教學時間、教學規(guī)范的案例庫。通過這些案例，學生能夠在實際問題中掌握各個知識點，快速地舉一反三，推廣理論的應用價值。

（三）探索案例式教學的教學方法、教學手段、教學計劃等具體實施過程

案例式教學還原了實際問題，教師需要對教學時間的安排、各知識點講解程度的把握、問題的設計、如何啟發(fā)學生對問題的再思考等進行具體的設計。

（四）利用虛擬現(xiàn)實軟件MATLAB，編譯案例的仿真實現(xiàn)過程

由于案例還原了實際的控制問題，在有限的教學時間內(nèi)，增加了對問題本身的描述時間。因此，以虛擬仿真軟件MATLAB為平臺，編譯程序代碼，使學生能夠通過圖示化窗口，快速直觀地觀察控制的效果。學生還可以在課后對控制問題進行自我加工、設計和再控制，有助于提高學生的創(chuàng)新能力。

（五）應用驗證，對案例的難易程度進行微調(diào)

在教學規(guī)范下，進行案例式教學，根據(jù)學生的理解程度和興趣，收集學生對案例式教學存在問題的建議，修改和完善案例的難度和厚度。

五、結語

以案例式教學替代單一的理論及實驗教學，豐富了課堂教學內(nèi)容，充分提高了學生理論聯(lián)系實際的能力，極大地促進了學生的學習熱情，結合知識與實際的復雜工程問題，充分體現(xiàn)了知識就是生產(chǎn)力的高級教學目標，為培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的卓越工程師提供了有力的教學支撐。

[1]林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學內(nèi)容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）.

[2]李明大，劉小河，管萍，等.“自動控制原理”教學改革探索[J].教育教學論壇，2016（16）.

[3]李斌，黃建明，謝昭莉，等.“自動控制原理”課程改革思考[J].電氣電子教學學報，2016（3）.

[4]郭愛文，余亮英.“自動控制原理”在核工程與核技術專業(yè)教學中的探討[J].中國電力教育，2014（9）.

[5]?；鄯?，孟青，臧俊斌.MATLAB在自動控制原理課程教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2016（14）.

（編輯：劉姝）

G642.0

A

1673-1999（2017）02-0121-03

蘇盈盈（1982—），女，博士，重慶科技學院電氣與信息工程學院副教授，研究方向為復雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化及故障診斷；胡文金（1965—），男，碩士，重慶科技學院電氣與信息工程學院教授，研究方向為過程控制；王曉峰（1980—），男，博士，重慶科技學院數(shù)理學院副教授，研究方向為圖像檢測與識別。

2016-10-17

重慶市教育教學改革重點研究項目“面向大學之道的教研室‘活動’運行模式優(yōu)化與實踐”（0824094）；重慶市研究生教育教學改革研究一般項目“面向企業(yè)需求的研究生校外工程實踐能力培養(yǎng)及監(jiān)管機制研究”（YJG153008）；重慶市研究生教育教學改革研究一般項目“應用科技大學背景下工科研究生數(shù)學教學和實驗體系的工程化、實用化、特色化改革與實踐”（YJG133032）；重慶科技學院研究生教育教學改革研究一般項目“面向企業(yè)需求的研究生校外工程實踐能力培養(yǎng)及監(jiān)管機制研究”（YJG2015Y002）；重慶科技學院本科教育教學改革項目“面向自動化專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)的案例式教學改革與實踐”（201428）。