李怡然， 彭熙偉

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化北京市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 北京 100081)

隨著第三次科技革命的縱深發(fā)展，產(chǎn)業(yè)形態(tài)呈現(xiàn)多學(xué)科交叉、融合的特點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)要求工程師不局限于某一學(xué)科或?qū)I(yè)的特定技能，更加關(guān)注學(xué)習(xí)、應(yīng)用、再創(chuàng)造，解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[1]。為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才需求，以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為核心的OBE工程教育理念正深刻影響高等教育發(fā)展[2]。

傳統(tǒng)的演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以教師和知識(shí)體系為中心，目標(biāo)是知識(shí)點(diǎn)覆蓋的單向性知識(shí)傳授，難以有效地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。研究型課程通過(guò)項(xiàng)目牽引，結(jié)合工程中常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)專題講授、問(wèn)題研討、項(xiàng)目研究、報(bào)告答辯、論文撰寫(xiě)等形式開(kāi)展以學(xué)生為中心的團(tuán)隊(duì)式教學(xué)活動(dòng)。工程性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)著眼于綜合性、工程性、創(chuàng)新性項(xiàng)目，強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)、工程實(shí)踐、工程素養(yǎng)的協(xié)同融合[3]。

1 工程性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1 傳統(tǒng)“自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”的局限性

傳統(tǒng)的“自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”是以理論課知識(shí)點(diǎn)為核心，教學(xué)目標(biāo)僅著眼于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證相關(guān)理論，實(shí)驗(yàn)結(jié)論唯一、可預(yù)知，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生以固定電路的實(shí)驗(yàn)箱為工具，以數(shù)學(xué)模型固定的簡(jiǎn)單被控對(duì)象為依托，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)箱電路上插拔杜邦線改變控制器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制器設(shè)計(jì)和控制器參數(shù)整定。授課方式僅為講授、操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)，考核評(píng)價(jià)專注于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告雷同率高，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性[4]。大多數(shù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，仍不會(huì)應(yīng)用相關(guān)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

1.2 工程性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

工程性研究型課程具有以下特點(diǎn)：①注重培養(yǎng)學(xué)生的研究態(tài)度和創(chuàng)新實(shí)踐能力；②基于問(wèn)題解決，面向工程實(shí)際，以構(gòu)建學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)；③尊重學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和身心發(fā)展規(guī)律，優(yōu)化學(xué)習(xí)方式，以學(xué)生為中心，由學(xué)生自己組織、探索和研究獲得結(jié)論的過(guò)程和方法；④開(kāi)放式的評(píng)價(jià)方式，注重過(guò)程評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生良性發(fā)展；⑤打破課程傳統(tǒng)壁壘，發(fā)揮項(xiàng)目整體效益。研究型課程的內(nèi)涵與工程教育OBE理念深度契合，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向和教學(xué)過(guò)程強(qiáng)調(diào)持續(xù)改進(jìn)。通過(guò)教學(xué)與研究的有機(jī)結(jié)合，在教學(xué)過(guò)程中優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，建立一種研究探索的學(xué)習(xí)模式[5-6]。

2 “自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”工程性研究型教學(xué)改革

根據(jù)教育部建設(shè)高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的“金課”改革要求，將“自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”建設(shè)成為工程性、研究型的實(shí)驗(yàn)課程。課程改革強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠運(yùn)用理論學(xué)習(xí)的控制算法，依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程上典型被控對(duì)象的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

“自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”研究型建設(shè)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)課程的工程性、綜合性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性。將知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作融為一體，形成打破課程壁壘，加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)的教育理念。能夠支撐畢業(yè)要求中工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、溝通、項(xiàng)目管理、終身學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)與合作等指標(biāo)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的理論性與綜合性?！白詣?dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”工程性研究型改革堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生能力為核心，保障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)靈活可拓展，保障實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合可創(chuàng)新。如圖1所示，改革后課程內(nèi)容基于工程項(xiàng)目整體流程，綜合運(yùn)用自動(dòng)控制理論、微機(jī)原理與接口技術(shù)、C++編程等工程知識(shí)，專注解決實(shí)際問(wèn)題。

圖1 “自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)”研究型課程設(shè)計(jì)理念

授課方式圍繞項(xiàng)目管理的典型流程，從“發(fā)布任務(wù)→平臺(tái)講解與調(diào)研→實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施→項(xiàng)目驗(yàn)收與答辯”，學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師僅督促和指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既能體現(xiàn)自動(dòng)控制理論內(nèi)涵，加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論特別是針對(duì)工程中常見(jiàn)的具有非線性特性補(bǔ)償系統(tǒng)的PID算法設(shè)計(jì)和整定；又能將綜合能力培養(yǎng)全程貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。

2.2 開(kāi)放綜合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全自主設(shè)計(jì)，依托北京理工大學(xué)-Parker Hannifin&華德液壓“流體傳動(dòng)與控制”校企合作雙百計(jì)劃聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，以典型的電液伺服控制系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以具有工程中典型的死區(qū)、滯回、重復(fù)、線性度等特性的比例閥控液壓缸為被控對(duì)象，如圖2所示。

(a)比例閥結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)秉承貼近工程實(shí)際、保留設(shè)計(jì)裕量原則，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供開(kāi)放可拓展的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其開(kāi)放性體現(xiàn)在兩方面：一是，實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材采用開(kāi)放封裝，方便學(xué)生研究系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用電氣測(cè)量基本儀表對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試和觀察；二是，設(shè)計(jì)方案的開(kāi)放性，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建了完整的硬件系統(tǒng)，學(xué)生可根據(jù)自身情況，設(shè)計(jì)不同的控制算法和界面，以達(dá)到理想的控制性能和良好人機(jī)交互效果。圖3為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。

圖3 電液伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

2.3 工程性項(xiàng)目牽引的研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

以電液伺服控制系統(tǒng)為背景，實(shí)驗(yàn)打破課程知識(shí)壁壘，重構(gòu)以自動(dòng)控制理論為理論基礎(chǔ)，以C++語(yǔ)言、Matlab/Simulink、微機(jī)原理與接口技術(shù)為工具的工程性研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。要求學(xué)生分析系統(tǒng)特性，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面和控制算法，并完成參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)比例閥控液壓缸控制系統(tǒng)定位控制和跟蹤響應(yīng)。通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作完成既定項(xiàng)目要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制理論的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生能力，達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)成果[7]，系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(a)比例閥控液壓缸閉環(huán)控制系統(tǒng)模塊

(b)比例閥控液壓缸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4 比例閥控液壓缸控制系統(tǒng)框圖

2.4 以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

教學(xué)以項(xiàng)目形式開(kāi)展，弱化“教與學(xué)”，強(qiáng)化“研究-討論-設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程由2-3名學(xué)生組成項(xiàng)目小組，通過(guò)分工合作完成項(xiàng)目任務(wù)。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，綜合運(yùn)用工程知識(shí)，進(jìn)行問(wèn)題分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)解決方案，使用現(xiàn)代工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題進(jìn)行研究分析，建立終身學(xué)習(xí)意識(shí)，在團(tuán)隊(duì)合作中鍛煉了溝通和項(xiàng)目管理的工程素養(yǎng)，激發(fā)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵性非技術(shù)能力。

課程共計(jì)32學(xué)時(shí)，其中8學(xué)時(shí)(占25%)講授基本方法，為工程設(shè)計(jì)和實(shí)施做準(zhǔn)備。24學(xué)時(shí)(占75%)由學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，自主進(jìn)行系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)和參數(shù)整定，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)人機(jī)交互界面，完成控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)和正弦跟蹤響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行控制系統(tǒng)驗(yàn)收、結(jié)題答辯和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理、誤差分析、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的把控完全由學(xué)生根據(jù)能力差異自主進(jìn)行[8]，并成為學(xué)生最終的評(píng)分依據(jù)。

2.5 以能力提升為標(biāo)準(zhǔn)的考核策略

根據(jù)項(xiàng)目牽引的研究性教學(xué)模式的特點(diǎn)，將考勤、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向“設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程、溝通表達(dá)、成果展示與寫(xiě)作”全過(guò)程、形成性的綜合能力考評(píng)方式，實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中形成全項(xiàng)目周期的過(guò)程文檔。項(xiàng)目系統(tǒng)驗(yàn)收、答辯由3-5人教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行提問(wèn)、記錄和評(píng)價(jià)。通過(guò)過(guò)程化、多樣化、多元化的考核評(píng)價(jià)方式，激勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新、進(jìn)取、協(xié)作，促進(jìn)學(xué)生綜合發(fā)展[9]。課程考評(píng)策略各部分所占比例如表1所示，各考核指標(biāo)對(duì)學(xué)生能力畢業(yè)要求達(dá)成度的支撐如表2所示。

表1 課程考核策略

表2 課程考核策略與對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求達(dá)成度關(guān)系

3 課程改革成效

工程性研究型“自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”從2015年開(kāi)始面向自動(dòng)化專業(yè)試點(diǎn)開(kāi)設(shè)，經(jīng)五年的持續(xù)改進(jìn)，積累了規(guī)范的研究型教學(xué)模式和科學(xué)合理的形成性考核方式，工程性研究型課程改革的成效主要體現(xiàn)在以下兩方面。

3.1 多樣化的研究型解決方案

工程性研究型自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)，只為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，工程項(xiàng)目的解決方案均由學(xué)生自行設(shè)計(jì)和實(shí)施，從而形成多樣化的研究型解決方案。部分學(xué)生研究型解決方案實(shí)例作品如圖5所示。

(a)學(xué)生作品1

3.2 多維度的能力培養(yǎng)

研究型課程改革的根本目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力，經(jīng)課題組討論，學(xué)生能力培養(yǎng)評(píng)價(jià)方法選擇在學(xué)習(xí)實(shí)踐教學(xué)體系高階培養(yǎng)階段設(shè)置的綜合性創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程“工程性創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的學(xué)生表現(xiàn)為依據(jù)。改革實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班級(jí)為北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)兩個(gè)平行班級(jí)，綜合評(píng)價(jià)這兩個(gè)班級(jí)學(xué)生在“工程性創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的畢業(yè)要求達(dá)成度平均值，如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班工程性創(chuàng)新設(shè)計(jì)達(dá)成度三年平均值

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)不斷根據(jù)遇到的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行資料查找、討論、分析、進(jìn)度控制、團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)與溝通，學(xué)生的非技術(shù)性工程師能力也得到培養(yǎng)和鍛煉。比較各個(gè)達(dá)成度指標(biāo)可以看到，改革實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的問(wèn)題分析、解決方案、研究、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理六方面指標(biāo)點(diǎn)都有明顯提升。其余幾項(xiàng)由于對(duì)照班學(xué)生表現(xiàn)無(wú)明顯波動(dòng)。由于經(jīng)過(guò)研究型課程的培養(yǎng)，學(xué)生主動(dòng)思考、合作的積極性被調(diào)動(dòng)，學(xué)生的整體畢業(yè)能力要求達(dá)成情況也得到穩(wěn)定提高。

4 結(jié)語(yǔ)

研究型教學(xué)具有面向工程項(xiàng)目、打破課程壁壘、學(xué)生主動(dòng)探索、能力綜合培養(yǎng)、注重過(guò)程評(píng)價(jià)等特點(diǎn)，既符合OBE改造要求，又能夠切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，提高人才培養(yǎng)水平[10-11]。通過(guò)教學(xué)與研究的有機(jī)結(jié)合，在教學(xué)過(guò)程中優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，建立一種以工程性研究項(xiàng)目為核心，以學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)為目標(biāo)，兼顧學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)建[12-15]的研究探索學(xué)習(xí)模式。樹(shù)立價(jià)值塑造、知識(shí)探索、能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新理念，將職業(yè)塑造貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科學(xué)素養(yǎng)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

實(shí)驗(yàn)課程改革構(gòu)建了工程性、研究型“自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)”教學(xué)新體系，聚焦培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的技術(shù)性和非技術(shù)性卓越工程師素養(yǎng)。將學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的工程教育理念貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，打破課程壁壘、尊重認(rèn)知規(guī)律、關(guān)注學(xué)習(xí)成效、健全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、落實(shí)持續(xù)改進(jìn)，不斷提高實(shí)驗(yàn)課程人才培養(yǎng)水平。

綜上所述，工程性研究型課程改革建設(shè)，能夠全面落實(shí)OBE思想，符合工程教育認(rèn)證要求，培養(yǎng)符合社會(huì)和用人單位需求的卓越工程師。