郭 鵬，陳曉雷，仇國慶，蔡 軍，張開碧

（重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心就是要確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評價(jià)。[1]

工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念：（1）以學(xué)生中心。強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成進(jìn)行資源配置和教學(xué)安排。（2）成果導(dǎo)向。強(qiáng)調(diào)專業(yè)性教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施以學(xué)生接受教育后所得的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，并對照畢業(yè)生核心能力和要求，評價(jià)專業(yè)教育的有效性。（3）持續(xù)改進(jìn)。強(qiáng)調(diào)專業(yè)必須建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，能持續(xù)跟蹤改進(jìn)并用于推動專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升[2]。因此畢業(yè)要求達(dá)成度評價(jià)作為實(shí)施成果導(dǎo)向教育的重要依據(jù)。而在工程教育認(rèn)證的12條畢業(yè)要求中，對“復(fù)雜工程問題”的識別、分析和解決能力是最重要的能力。

復(fù)雜工程問題源自現(xiàn)代工程的多樣性、綜合性、多學(xué)科融合等特征。2018版公布的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，有8條明確地含有“解決復(fù)雜工程問題”的要求，就說明復(fù)雜工程問題在專業(yè)認(rèn)證中的重要性。

我校自動化專業(yè)于2019年通過工程教育認(rèn)證。由于歷史的原因，大多數(shù)教師還停留在傳統(tǒng)教學(xué)方法。即圍繞著“三中心”：“課堂中心”“教材中心”“教師中心”進(jìn)行教學(xué)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式往往形成了老師單向灌輸、學(xué)生被動接受的局面。容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣[3]。如何落實(shí)“以學(xué)生為中心”工程教育的基本理念還缺乏深入研究。評估專家在現(xiàn)場考察時(shí)指出我校的自動化專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的在理解復(fù)雜工程問題、解決復(fù)雜工程問題的能力還缺乏有效地支撐。

1 我校運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的現(xiàn)狀

“自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”是我校自動化專業(yè)的專業(yè)核心實(shí)踐類課程，在目前的教學(xué)過程中：（1）自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)僅被定位于實(shí)踐教學(xué)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和步驟仍較為簡單，過于強(qiáng)調(diào)對基礎(chǔ)理論的理解和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性、復(fù)雜性、設(shè)計(jì)性不足；（2）自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)近年來固定不變，缺乏創(chuàng)新性。

圖1 智能小車控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)方案

教學(xué)團(tuán)隊(duì)已充分認(rèn)識到目前教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，已經(jīng)進(jìn)行了以下持續(xù)改進(jìn)方案：根據(jù)我校自動化專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合我校信息學(xué)科優(yōu)勢，借鑒其他高校的經(jīng)驗(yàn)，以提高學(xué)生處理解決復(fù)雜工程問題的綜合能力為背景，搭建了智能小車控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開設(shè)主要內(nèi)容為直流電機(jī)為控制對象，以單片機(jī)為核心搭建硬件平臺，設(shè)計(jì)控制器，涉及信號檢測、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等知識等綜合性研究性實(shí)驗(yàn)。后續(xù)可指導(dǎo)表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生參與該方向的課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)。

2 課程目標(biāo)

（1）課程目標(biāo)1：具備自動化專業(yè)所需的設(shè)計(jì)/開發(fā)能力和創(chuàng)新意識，在解決自動化工程等領(lǐng)域復(fù)雜工程問題時(shí)，綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等非技術(shù)因素，制定解決方案、設(shè)計(jì)滿足特定需求的自動化部件或系統(tǒng)。

（2）課程目標(biāo)2：能夠選擇、使用系統(tǒng)仿真、理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等技術(shù)和文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)庫等資源，運(yùn)用Matlab/Simulink、Proteus、組態(tài)軟件等現(xiàn)代工程工具及測試儀表，解決自動化工程等領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。

（3）課程目標(biāo)3：能夠就自動化工程等領(lǐng)域復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進(jìn)行有效溝通和交流，并具備一定的國際視野，包括撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令，能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流。

表1 課程目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐關(guān)系

3 根據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)分解：運(yùn)用工程原理，經(jīng)過分析得到解決方案

（1）目標(biāo)任務(wù)——直流電機(jī)以光電編碼器為檢測裝置，通過單片機(jī)計(jì)算控制量，以實(shí)現(xiàn)不同參考速度下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

（2）被控對象——必須深入分析直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型才能進(jìn)行有針對性的控制設(shè)計(jì)方案。

（3）硬件設(shè)計(jì)——只有掌握并靈活運(yùn)用單片機(jī)才能完成轉(zhuǎn)速測量模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、輸入模塊、電機(jī)驅(qū)動電路模塊等設(shè)計(jì)。

（4）軟件設(shè)計(jì)——在學(xué)習(xí)掌握C語言及單片機(jī)理論的基礎(chǔ)上，與硬件電路相結(jié)合，靈活運(yùn)用編程方法，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速測量、數(shù)據(jù)顯示、控制參數(shù)調(diào)節(jié)等功能設(shè)計(jì)。

（5）控制設(shè)計(jì)——在學(xué)習(xí)掌握自動控制理論的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)觀察到直流電機(jī)存在的非線性特性，才能深刻理解線性控制器的局限性，設(shè)計(jì)分段PID或采用模糊控制等非線性控制設(shè)計(jì)方法，完成較為理想的控制算法設(shè)計(jì)。

（6）使用現(xiàn)代工具——實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)需掌握多種現(xiàn)代工具。開發(fā)方面，硬件包括基礎(chǔ)的示波器、信號發(fā)生器、直流電機(jī)、編碼器，以及嵌入式MCU調(diào)試使用的JTAG、BDM，軟件包括Proteus、開發(fā)環(huán)境Keil、MDK等等；控制算法設(shè)計(jì)方面包括Matlab/Simulink等。

（7）綜合性——涉及電機(jī)學(xué)、單片機(jī)技術(shù)、信號檢測、自動控制理論、電路設(shè)計(jì)等多方面的理論技術(shù)；所需功能及性能要求涉及元器件選型、經(jīng)費(fèi)、制版、調(diào)試電路等具體問題；對于完成較好的隊(duì)伍，后續(xù)可考慮結(jié)合更為復(fù)雜的工程案例作為課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，如無人機(jī)控制、智能車控制、倒立擺控制等。

4 與智能車競賽相結(jié)合，采用學(xué)科競賽驅(qū)動式的案例教學(xué)設(shè)計(jì)

我校從2018年，連續(xù)3年承辦了“恩智浦”杯智能車競賽西部賽區(qū)的比賽。根據(jù)承辦競賽的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程教育論證的基本理念，將智能車競賽引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。即教學(xué)與競賽相結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新意識。學(xué)生參與創(chuàng)新的積極性和主動性是最為關(guān)鍵的因素。采用學(xué)科競賽驅(qū)動式的教學(xué)是以“比賽為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方法[4]。是一種賽教結(jié)合的教學(xué)創(chuàng)新思路。通過頂層設(shè)計(jì)，將課程知識點(diǎn)從上而下分解，生成知識點(diǎn)清單。圍繞這些知識點(diǎn)組織教學(xué)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下全程參與方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動手組裝等，實(shí)現(xiàn)的全過程、全員參與的活動。是一種開放式的教學(xué)形式。培養(yǎng)學(xué)生面對工程復(fù)雜問題，獨(dú)立思考、分析問題、解決問題的能力，以及協(xié)同合作能力等。同時(shí)提高其綜合素質(zhì)，樹立終身學(xué)習(xí)意識。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要求學(xué)生，根據(jù)“恩智浦”杯智能汽車競賽規(guī)則，自主設(shè)計(jì)控制方案，組裝智能車，根據(jù)競賽的規(guī)則、要求搭建比賽道路場地。在最短的時(shí)間內(nèi)，完成比賽規(guī)定的動作要求為勝。智能車競賽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，完全符合工程教育論證要求的復(fù)雜工程問題諸多指標(biāo)點(diǎn)，主要包括：硬件設(shè)計(jì)、電子技術(shù)、程序編程、單片機(jī)應(yīng)用、車輛運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、信號處理、自動控制、圖像處理、模式識別等。該競賽涉及眾多基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程，屬本專業(yè)各知識點(diǎn)應(yīng)用的綜合項(xiàng)目。涵蓋了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科交叉與融合的科技創(chuàng)意性比賽，主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由道路識別、圖像處理、角度及車速控制等功能模塊組成。

將智能車設(shè)計(jì)引入控制綜合實(shí)驗(yàn)，作為持續(xù)改進(jìn)環(huán)節(jié)，其意義在于：

（1）積極培學(xué)生的本專業(yè)科研工作能力。智能車競速賽主要是根據(jù)智能競賽組委會事先制定好的智能競賽的規(guī)則，通過學(xué)生認(rèn)真的努力，尋找解決具體問題方案，用時(shí)最少，完成競賽的一種方法。在這過程當(dāng)中，就要求學(xué)生面對復(fù)雜工程問題，列出問題清單，對各種問題逐—進(jìn)行細(xì)化與分解，促使學(xué)生去積極努力地尋找改進(jìn)提升自己水平的各種方案來提升自己智能車的比賽的速度。競賽過程也就是在一個(gè)進(jìn)行科學(xué)問題探索思考及實(shí)踐研究解決問題的一個(gè)過程，鍛煉培養(yǎng)和充分挖掘發(fā)揮了學(xué)同學(xué)們獨(dú)立思考各種問題能力的潛力。

（2）有助于提升實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)效果。學(xué)校每年都會舉辦全校性的智能車競賽。要求自動化專業(yè)的同學(xué)都要參加校級及以上比賽。使得每一位學(xué)生都有可能夠帶著各種競賽問題走進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂。在課堂中進(jìn)行討論、探索，加深實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解，從而掌握知識要的。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。智能車競賽涵蓋了信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉融合。對自動化專業(yè)的學(xué)生而言，對智能車設(shè)計(jì)及控制的知識點(diǎn)較多、完全掌握較為困難，這就要求學(xué)生在準(zhǔn)備比賽時(shí)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并掌握理解，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的知識基礎(chǔ)和自主學(xué)習(xí)的方法。

（4）培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。智能車比賽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目本身就是一個(gè)復(fù)雜工程問題，需要自動化專業(yè)的學(xué)生具備本專業(yè)所需的設(shè)計(jì)/開發(fā)能力和創(chuàng)新意識同時(shí)，需要綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等非技術(shù)因素，制定解決方案、設(shè)計(jì)滿足特定需求的部件或系統(tǒng)。通過智能車比賽這樣一個(gè)復(fù)雜過程系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生從方案設(shè)計(jì)、動手制作、系統(tǒng)調(diào)試，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要結(jié)合自己掌握的理論知識的基礎(chǔ)上，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，找到解決新方法，不斷地迭代。并且不斷地更新和完善自己的知識體系結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新[5-6]。

（5）培養(yǎng)競爭意識與合作精神。實(shí)驗(yàn)前，組建智能車競賽小組，實(shí)驗(yàn)小組長，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，自上而下進(jìn)行任務(wù)分解，分配至實(shí)驗(yàn)小組成員，成員之間只有加強(qiáng)溝通、互相信任、團(tuán)結(jié)協(xié)作，才有可能圓滿完成既定任務(wù)。各實(shí)驗(yàn)小組之間又存在競爭關(guān)系，要完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，取得好的成績，項(xiàng)目組之間免不了要進(jìn)行競爭。

（6）增長見識和提高綜合素質(zhì)。學(xué)生通過了解車模制作、布局、參數(shù)設(shè)置及調(diào)試等諸多問題，不斷地積累、總結(jié)。使得自己的知識不斷地積累，不斷完善。

（7）培養(yǎng)歸納與總結(jié)的能力。在實(shí)驗(yàn)完成后，要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。要求學(xué)生對比賽的技術(shù)做出必要的歸納和總結(jié)。陳述清晰地表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)。

5 結(jié)語

本課程改革實(shí)踐表明，通過對自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行持續(xù)教學(xué)改進(jìn)，在提升學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力過程中，綜合考慮了工程知識、經(jīng)濟(jì)管理和社會責(zé)任等非技術(shù)因素，鍛煉了學(xué)生的工程應(yīng)用能力，提高了本專業(yè)學(xué)生在經(jīng)濟(jì)、健康、文化、環(huán)境和社會責(zé)任感等方面的認(rèn)識。通過實(shí)驗(yàn)課程的改革，自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效提高了學(xué)生對解決“復(fù)雜工程問題”的能力，達(dá)到了自動化專業(yè)工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求。本專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生社會滿意度進(jìn)一步得到提升。