李小鋒 江浩 孫偉 張勝修 樊紅東

摘? 要：為了滿足測控工程專業(yè)學(xué)員崗位任職需求，對課程設(shè)計實踐教學(xué)進(jìn)行改革探索。結(jié)合CDIO工程教育理念，分析了測控工程專業(yè)實踐教學(xué)的特點與現(xiàn)狀，提出以人才需求為導(dǎo)向，以項目驅(qū)動為核心，以學(xué)員能力培養(yǎng)為根本的教學(xué)理念。結(jié)合CDIO教學(xué)模式，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)實施和考核評價等方面對控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計教學(xué)進(jìn)行探索與改革。實踐表明，CDIO教學(xué)模式可提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣、實踐動手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作精神，為綜合課程設(shè)計教學(xué)改革提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：測控工程;CDIO模式;課程設(shè)計;教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）07-0107-04

Abstract： In order to meet the post requirements of students majoring in test and control engineering， the reform of practical teaching of course design was explored. Combining with CDIO engineering education concept， this paper analyses the characteristics and current situation of the practical teaching of the test and control engineering specialty， and puts forward the teaching philosophy of taking the talent demand as the guide， taking the project as the core and the students' ability training as the foundation. Combined with the CDIO teaching mode， this paper explores and reforms the control system-based comprehensive course design teaching from the aspects of teaching content design， teaching implementation and evaluation. Practice shows that the CDIO teaching mode can improve students' interest in learning， practical ability， innovative ability and team spirit， and provide a reference for teaching reform of the comprehensive course design.

Keywords： test and control engineering; CDIO mode; course design; teaching reform

測控工程專業(yè)是精密機(jī)械、光學(xué)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)多學(xué)科互相融合形成的綜合型專業(yè)[1]，具有專業(yè)口徑寬，涉及知識面廣、工程實踐性強(qiáng)等特點，實踐教學(xué)是該專業(yè)本科教學(xué)不可或缺的組成部分[2]，是培養(yǎng)學(xué)員工程實踐能力、團(tuán)隊協(xié)作、創(chuàng)新精神和科技素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是提高學(xué)員崗位任職和綜合能力的主要途徑?？刂葡到y(tǒng)類綜合課程設(shè)計是火箭軍工程大學(xué)測控工程專業(yè)重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，該課程以電子技術(shù)、自動控制原理和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，綜合利用慣性導(dǎo)航、光電探測、目標(biāo)信號獲取與處理、計算機(jī)控制等知識進(jìn)行控制系統(tǒng)綜合設(shè)計，在夯實學(xué)員專業(yè)基礎(chǔ)、強(qiáng)化實踐動手能力、培養(yǎng)學(xué)員綜合運用所學(xué)專業(yè)知識解決實際工程問題的能力等方面發(fā)揮著重要作用。

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構(gòu)思-設(shè)計-實施-運行）工程教育模式[3-5]繼承和發(fā)展了歐美多年工程教育改革的經(jīng)驗和理念，提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實施指導(dǎo)以及結(jié)果檢驗的標(biāo)準(zhǔn)，該理念以項目為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程間的有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)和經(jīng)驗。CDIO理念倡導(dǎo)“基于項目教育和學(xué)習(xí)”、“做中學(xué)”的教學(xué)方法，該理念不僅重視知識積累，更為重視提高學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作意識[6-8]，與控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)十分貼近，具有較強(qiáng)的可操作性和指導(dǎo)性，按照CDIO理念開展控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計實踐教學(xué)模式將有助于提高學(xué)員的工程實踐能力、團(tuán)隊協(xié)作、創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)[9，10]。因此，我們結(jié)合火箭軍工程大學(xué)測控工程專業(yè)實踐教學(xué)改革，基于CDIO理念，將項目驅(qū)動思路融入實踐教學(xué)，對控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核評價等方面進(jìn)行了探索與實踐。

一、測控工程專業(yè)實踐教學(xué)存在問題

為了突出專業(yè)特色，結(jié)合部隊崗位任職需求，我校在測控工程專業(yè)實踐課程設(shè)置及教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行了不斷的探索和創(chuàng)新，取得了顯著的成效。但在前期測控工程專業(yè)實踐課程教學(xué)實施過程中仍存在一些問題，具體表現(xiàn)在：

（一）實踐課程內(nèi)容設(shè)置系統(tǒng)性、設(shè)計性、綜合性不強(qiáng)

以往測控工程專業(yè)實踐課程之間內(nèi)容聯(lián)系不夠緊密，相關(guān)性不強(qiáng)，缺乏系統(tǒng)的整體性觀念;實踐內(nèi)容偏重電子技術(shù)實訓(xùn)，忽視了與專業(yè)方向的有效結(jié)合，項目缺乏設(shè)計性、綜合性內(nèi)容的設(shè)計與指導(dǎo)，導(dǎo)致部分實踐課程只能幫助學(xué)員熟悉各課程理論知識，難以實現(xiàn)對學(xué)員綜合實踐能力的培養(yǎng)。

（二）組織形式和課堂教學(xué)模式單一

實踐教學(xué)組織形式相對固定，主要以指導(dǎo)教員為中心，課堂講授為主體，完成大綱設(shè)定的教學(xué)內(nèi)容和課時，教學(xué)模式以教員先講解基本原理和方法，學(xué)員在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定的實踐內(nèi)容為主，導(dǎo)致實踐教學(xué)過程缺乏互動、引導(dǎo)和交流，學(xué)員大多處于被動的接收與執(zhí)行，不利于發(fā)揮學(xué)員的創(chuàng)造性思維和自主創(chuàng)新能力。

（三）學(xué)員工程素養(yǎng)與創(chuàng)新能力偏弱

實踐教學(xué)實施過程中，學(xué)員基本按照指導(dǎo)書給定的步驟順序執(zhí)行，學(xué)員關(guān)注更多的是功能的實現(xiàn)，而對性能指標(biāo)要求、設(shè)計的規(guī)范性等工程和應(yīng)用背景不夠重視;由于缺乏團(tuán)隊協(xié)作意識和科研創(chuàng)新能力的引導(dǎo)，導(dǎo)致部分學(xué)員在面對具體實際問題時，往往感覺無從下手，不能靈活運用先修課程的相關(guān)知識來解決工程實際問題，無法按時完成設(shè)計任務(wù)。

（四）考核方式不夠完善，難以實現(xiàn)有效的過程控制

以往實踐教學(xué)的成績評定以任課教員為評價主體，受師資力量限制，指導(dǎo)教員難以對每位學(xué)員的具體表現(xiàn)進(jìn)行過程評價，通常以終結(jié)性評價為主，缺乏對學(xué)員實踐學(xué)習(xí)全過程和綜合能力的評價，評價結(jié)果具有隨機(jī)性，難以實現(xiàn)評價對教學(xué)的引導(dǎo)和督促作用。

二、基于CDIO模式的控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計教學(xué)改革

控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計是我校測控工程專業(yè)除畢業(yè)設(shè)計外，一門較大的綜合性實踐課程，是電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制理論等專業(yè)基礎(chǔ)課程的深化和融合，具有很強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用型，特別符合CDIO理念倡導(dǎo)的“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”和“做中學(xué)”工程教育模式。針對測控工程專業(yè)實踐教學(xué)存在的主要問題，結(jié)合CDIO教育理念，開展控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計教學(xué)改革，對于培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新精神，不斷提高工程實踐能力和崗位任職能力具有重要的現(xiàn)實意義。

（一）基于CDIO的教學(xué)理念構(gòu)建

火箭軍工程大學(xué)測控工程專業(yè)培養(yǎng)的是面向武器系統(tǒng)測試與控制技術(shù)的專門人才，控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計既是對學(xué)員前期理論和實踐教學(xué)效果的檢驗，也是對學(xué)員綜合運用所學(xué)知識，解決實際工程問題能力的培養(yǎng)。因此在教學(xué)理念上應(yīng)突出部隊人才需求和專業(yè)特色，在CDIO工程教育模式的指引下，以項目為載體，以夯實學(xué)員專業(yè)基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)員綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力為目的，促進(jìn)崗位任職能力的全面提高?；诖?，構(gòu)建我校測控工程專業(yè)控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計教學(xué)理念如下：

1. 以人才需求為導(dǎo)向，突出工程實踐能力的培養(yǎng)。通過課程設(shè)計，采用學(xué)員探究為主，教員啟發(fā)為輔的方式，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)員綜合運用專業(yè)理論知識分析解決實際工程問題的能力，通過系統(tǒng)性的培訓(xùn)，增強(qiáng)工程實踐創(chuàng)新能力。

2. 以項目驅(qū)動為核心，促進(jìn)團(tuán)隊協(xié)作意識培養(yǎng)。教學(xué)采取項目驅(qū)動，分組實施，各組成員根據(jù)個人專長進(jìn)行合理分工，教員引導(dǎo)學(xué)員分析問題、互相討論、互相啟發(fā)、互相促進(jìn)，并最終解決問題，共同完成課程設(shè)計任務(wù)，提高學(xué)員團(tuán)隊協(xié)作意識和溝通協(xié)調(diào)能力。

3. 以提高崗位任職能力為根本，激發(fā)學(xué)員探索與創(chuàng)新精神。教學(xué)以導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制理論、計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，持續(xù)引入新理論、新技術(shù)、新方法，兼顧先進(jìn)性與科學(xué)性，突出專業(yè)特色和武器系統(tǒng)應(yīng)用背景，激發(fā)學(xué)生的探索與創(chuàng)新精神，促進(jìn)崗位任職能力的提升。

（二）基于CDIO的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計是否合理，直接影響到課程設(shè)計的教學(xué)效果。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上，應(yīng)符合教學(xué)要求，結(jié)合CDIO工程教育理念，突出專業(yè)特色，確保具有工程性、先進(jìn)性、課程性、綜合性等特點。在內(nèi)容設(shè)計時，一是從工程實際及科研項目中選取有代表性的控制系統(tǒng)設(shè)計問題，經(jīng)過合理簡化，形成一些具有工程實踐背景的創(chuàng)新型設(shè)計題目;二是結(jié)合學(xué)科競賽，提取具有代表性的競賽型設(shè)計題目;三是結(jié)合學(xué)科前沿，教員引導(dǎo)鼓勵學(xué)員根據(jù)自己的想法擬定一些學(xué)科前沿及自主命題型設(shè)計項目，激發(fā)學(xué)員興趣和創(chuàng)造性。在知識層面上，各類型選題應(yīng)覆蓋電子技術(shù)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、計算機(jī)測控等關(guān)鍵知識要素，由淺入深，循序漸進(jìn)。設(shè)計層面上每個題目應(yīng)有所偏重，具有一定的區(qū)分度，切實提高學(xué)員分析問題、解決問題的能力，以及自主創(chuàng)新、團(tuán)隊協(xié)作溝通能力。結(jié)合學(xué)員實際，基于實驗室教學(xué)條件，設(shè)計的選題如表1所示。

表1 教學(xué)內(nèi)容項目設(shè)計

（三）基于CDIO的教學(xué)過程實施

控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計是一門綜合性課程，具有較強(qiáng)的工程實踐性，特別符合CDIO工程教育理念倡導(dǎo)的“做中學(xué)”和“基于項目教育和學(xué)習(xí)”。教學(xué)中以任務(wù)為核心，采用項目驅(qū)動方式，以自動控制理論和現(xiàn)代控制方法為基礎(chǔ)，以控制系統(tǒng)設(shè)計的一般流程和方法為核心，按照方案構(gòu)思、系統(tǒng)分析、原理設(shè)計、計算機(jī)仿真、系統(tǒng)組裝、調(diào)試、運行、測試等流程組織實施，具體流程如圖1所示。此外，將以往2周集中完成的課程設(shè)計教學(xué)，改為5周，每周4課時，除集中授課外，指導(dǎo)教員在每周固定一個下午在實驗室集中答疑。同時，為提高教學(xué)效率，每名指導(dǎo)教員只負(fù)責(zé)2-3個題目，以便與學(xué)員就相關(guān)題目進(jìn)行深入討論指導(dǎo)。

圖1 基于CDIO的課程設(shè)計教學(xué)實施流程

下面以“C51智能小車實驗系統(tǒng)設(shè)計”為例，介紹基于CDIO理念的教學(xué)實施過程。

題目：C51智能小車實驗系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計任務(wù)：設(shè)計并制作一個能往返于起跑線與終點線之間的電動小車，允許對現(xiàn)有車模進(jìn)行合理改裝，傳感器位置與數(shù)量自定，不允許使用人工遙控（包括有線和無線遙控）。跑道設(shè)計如圖2所示，寬度0.5m。表面貼有白紙，兩側(cè)設(shè)有擋板，擋板與地面垂直，高度不低于20cm。在跑道的B、C、D、E、F、G各點處畫有2cm寬的黑線，各段長度如圖2所示。

基本要求：（1）車輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達(dá)終點后停留10s，然后開始自動返回起跑線（允許倒車返回），往返時間力求最短（從小車上電開始計時）;（2）到達(dá)終點線和返回起跑線時，停車位置離起跑線和終點線的偏差應(yīng)最?。ㄒ攒囕v中心點與終點線或起跑線之間距離作為偏差的測量值）;（3）D-E之間為限速區(qū)，車輛往返均要求以低速通過，通過時間不得少于8s，但不允許停車。

發(fā)揮部分：（1）自動記錄、顯示往返時間、行駛距離（記錄顯示裝置要求裝在車上）;（2）其他特色與創(chuàng)新。

圖2 智能小車跑道頂視圖

這是一個綜合性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)設(shè)計課題，在整個教學(xué)實施過程中，教學(xué)組遵循“構(gòu)思-設(shè)計-實施-運行”的CDIO工程教育理念，突出專業(yè)特色，注重理論與實際的統(tǒng)一和新理論、新技術(shù)的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)學(xué)員的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作精神和溝通協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)，具體的實施步驟如下：

1. 構(gòu)思階段

在課程設(shè)計開課之前，組織教學(xué)雙方見面會，發(fā)布題目，明確控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計教學(xué)要求。學(xué)員選定課程設(shè)計題目后，根據(jù)個人意愿組隊，參考學(xué)科競賽模式，形成每組3人的課程設(shè)計小組，并按照興趣和專長明確具體分工。在C51智能小車項目選定后，指導(dǎo)教員組織1次理論授課（2課時），強(qiáng)調(diào)以工程觀念來規(guī)劃整個設(shè)計過程，重點明確設(shè)計要求、設(shè)計方法、設(shè)計流程和注意事項，對現(xiàn)有車模進(jìn)行概要介紹，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、光電傳感器、電機(jī)驅(qū)動電路與調(diào)速原理、光電碼盤測速原理、鍵盤與顯示電路以及電源模塊等電路，學(xué)員利用課余時間查閱資料，組內(nèi)討論交流后完成系統(tǒng)方案的初步設(shè)計，并與指導(dǎo)教員討論，優(yōu)化完善設(shè)計方案。此過程主要培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)意識，時間約為1周。

2. 設(shè)計階段

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案和各模塊電路原理，學(xué)員利用Proteus、Keil等軟件完成硬件原理圖設(shè)計和軟件程序設(shè)計，并借助軟件進(jìn)行仿真測試和參數(shù)調(diào)整，指導(dǎo)教員隨堂組織核查、交流互動與輔導(dǎo)答疑，此過程采用學(xué)員探究為主，教員啟發(fā)為輔的模式，教學(xué)雙方互相討論、互相啟發(fā)、互相促進(jìn)，主要培養(yǎng)學(xué)員自主創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作精神，時間約為1周。

3. 實施階段

學(xué)員按照設(shè)計方案，領(lǐng)取C51智能小車各主要模塊，并根據(jù)設(shè)計原理圖進(jìn)行組改裝，選取元器件調(diào)試各模塊功能，并組合形成完整的工程系統(tǒng)，主要包括C51智能小車布局、焊接、組裝調(diào)試。此過程主要培養(yǎng)學(xué)員工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作精神與溝通協(xié)調(diào)能力，時間約為2周。

4. 運行階段

學(xué)員將設(shè)計的C51智能小車在實際跑道上進(jìn)行測試，項目小組討論構(gòu)思，根據(jù)測試結(jié)果撰寫總結(jié)報告，認(rèn)真分析課程設(shè)計中遇到的問題及解決的辦法，總結(jié)設(shè)計過程，準(zhǔn)備進(jìn)行項目答辯，此過程主要培養(yǎng)學(xué)員初步科技論文寫作能力、科研探索精神和工作總結(jié)能力，時間約為1周。

（四）基于CDIO的考核評價機(jī)制

CDIO模式應(yīng)用在控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計中，能夠從學(xué)習(xí)態(tài)度、知識、能力、團(tuán)隊協(xié)作、創(chuàng)新能力等多個方面對學(xué)員的專業(yè)知識、實踐能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識進(jìn)行評價。為克服單純以成果為考核手段的片面性，控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計考核評價由平時表現(xiàn)、作品展示、總結(jié)報告、答辯等環(huán)節(jié)構(gòu)成，采用全過程考核，進(jìn)行綜合評價，評價內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。具體考核方式如下：

1. 平時表現(xiàn)

主要考察學(xué)員考勤、學(xué)習(xí)態(tài)度和課堂紀(jì)律，考勤采用隨堂不定期點名的形式，保證學(xué)員能夠全程到課;學(xué)習(xí)態(tài)度主要包括學(xué)員對課程設(shè)計重視程度、獨立解決問題態(tài)度及能力等;各項目指導(dǎo)教員要嚴(yán)肅課堂紀(jì)律，嚴(yán)格要求學(xué)員不做和課程設(shè)計無關(guān)的事情。對設(shè)計過程中問題解決較好、有一定創(chuàng)新性、表現(xiàn)突出的學(xué)員可適當(dāng)提高平時成績。

2. 作品展示

作品展示是課程設(shè)計任務(wù)是否完成的重要標(biāo)志，其成績主要由設(shè)計小組提交的成果（作品、現(xiàn)場測試等）決定，主要考察學(xué)員的實踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作精神。

3. 總結(jié)報告

總結(jié)報告是對控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計的全面總結(jié)，是學(xué)員最終成績的一項重要指標(biāo)，課程設(shè)計結(jié)束后指導(dǎo)教員根據(jù)各設(shè)計小組提交的總結(jié)報告給出相應(yīng)成績，主要考察學(xué)員知識水平、科技論文寫作能力、查閱資料能力、分析解決問題以及工作總結(jié)能力等。

4. 答辯

課程設(shè)計結(jié)束后1周內(nèi)，教學(xué)組按照選題分組組織所有學(xué)員進(jìn)行項目答辯，主要考察學(xué)員工作總結(jié)和表達(dá)能力、溝通協(xié)作能力，學(xué)員以PPT形式詳細(xì)闡述課題的設(shè)計思想、設(shè)計過程、接受教員現(xiàn)場提問并進(jìn)行作品展示。

控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計最終考核采用學(xué)員互評與教員評價相結(jié)合的綜合考核方式，其中互評成績主要考核每位學(xué)員在整個課程設(shè)計過程中所作的努力與貢獻(xiàn)大小，由各設(shè)計小組內(nèi)部討論評定，答辯前經(jīng)各成員確認(rèn)后提交指導(dǎo)教員，教員評價成績由指導(dǎo)教員和答辯評委依據(jù)表2評定。

三、結(jié)束語

本文提出的CDIO工程教育模式下的控制系統(tǒng)類綜合課程設(shè)計教學(xué)改革，突出了測控工程專業(yè)特色，細(xì)化和規(guī)范了課程設(shè)計實施過程。通過近幾年的實踐表明，在“構(gòu)思-設(shè)計-實施-運行”的過程中，CDIO教學(xué)模式進(jìn)一步提升了測控工程專業(yè)實踐教學(xué)水平，充分調(diào)動了學(xué)員的主觀能動性，提高了學(xué)員綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力以及團(tuán)隊協(xié)作精神、溝通協(xié)調(diào)能力，培養(yǎng)了學(xué)員嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神，為學(xué)員適應(yīng)崗位任職需求奠定了良好的基礎(chǔ)。

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