毛海杰，蔣棟年，李煒，劉微容

摘? 要：在貫徹落實(shí)OBE理念、實(shí)施工程教育過程中，針對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程所承載的知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合不足，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高等問題，提出基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教學(xué)改革探索與實(shí)踐路徑。主要包括教學(xué)體系優(yōu)化和教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)方法和教學(xué)手段改革、注重形成性評(píng)價(jià)的能力達(dá)成等。從學(xué)生的表現(xiàn)和三年的課程達(dá)成情況分析可以看出，課程改革有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大提升其自主學(xué)習(xí)能力與工程實(shí)踐能力，為有效的畢業(yè)達(dá)成發(fā)揮本門課程應(yīng)有的作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；課程改革；CDIO；PBL；SPOC

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）18-0130-04

Abstract： In the process of implementing engineering education， aiming at the lack of organic integration of knowledge， ability and quality carried in the course of computer simulation of control system， this paper puts forward the exploration and practice path of teaching reform based on CDIO + PBL + SPOC（CPS）. It mainly includes the optimization of teaching system and the integration of teaching content， the reform of teaching methods and means， and the achievement of ability of formative evaluation. From the students'performance and the evaluation of curriculum achievement in three years， it can be seen that the curriculum reform has effectively improved students' learning interest， greatly improved their autonomous learning ability， work quality and engineering practice ability， and played the due role of this course for effective graduation achievement.

Keywords： computer simulation; curriculum reform; CDIO; PBL; SPOC

新形勢(shì)下，國(guó)家和社會(huì)對(duì)高校人才培養(yǎng)提出了新的要求。在人才培養(yǎng)體系中，課程是人才培養(yǎng)的基本要素，課程教學(xué)是人才培養(yǎng)的主要活動(dòng)之一，課程教學(xué)的優(yōu)劣直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量[1-3]。為應(yīng)對(duì)新時(shí)代高等教育所面臨的新要求、新挑戰(zhàn)和新趨勢(shì)，貫徹落實(shí)“一流本科教育行動(dòng)計(jì)劃”，全面貫徹現(xiàn)代工程教育核心理念，合理增加課程難度，適度拓展課程深度，這無疑對(duì)培養(yǎng)符合新時(shí)代產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)人才具有重要意義[4-6]。

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真是一門建立在控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多學(xué)科基礎(chǔ)上的一門綜合性及實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，是自動(dòng)化專業(yè)四年制本科生必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。作為蘭州理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)必修課，由于課程具有實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的工程與實(shí)踐能力培養(yǎng)起著重要的作用。

本文在深入分析已有教學(xué)過程存在問題的基礎(chǔ)上，通過借鑒CDIO模式對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和重組、引入案例采用項(xiàng)目式教學(xué)（Project Based Learning，PBL）方式、基于SPOC的線上線下等多樣的教學(xué)方法、改革貫穿教學(xué)全過程的綜合評(píng)價(jià)方式等多項(xiàng)改革，實(shí)踐探索了基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教學(xué)模式改革。從學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和課程目標(biāo)的達(dá)成情況分析評(píng)價(jià)了課程改革的效果，以期為相關(guān)課程改革提供借鑒。

一? 已有教學(xué)過程存在的問題

依據(jù)對(duì)畢業(yè)要求的支撐，本課程的教學(xué)目標(biāo)：①掌握Matlab仿真軟件的基本使用方法，掌握數(shù)值仿真的基本算法及程序?qū)崿F(xiàn)，具備利用仿真工具分析線性連續(xù)、離散及非線性等復(fù)雜控制系統(tǒng)性能的能力，并能理解其局限性；②依據(jù)性能指標(biāo)要求，具備設(shè)計(jì)常規(guī)控制器并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的能力。

本專業(yè)自2015年實(shí)施工程教育并于2017年通過認(rèn)證以來，從培養(yǎng)目標(biāo)及方案的頂層設(shè)計(jì)，到教學(xué)過程的具體設(shè)計(jì)與實(shí)施等各個(gè)層面都進(jìn)行了多項(xiàng)轉(zhuǎn)變。本課程亦不例外，緊密圍繞課程目標(biāo)的有效達(dá)成，任課教師從理念轉(zhuǎn)變到教學(xué)過程的具體實(shí)施開展了一些教學(xué)改革工作。然而，在價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授方面，仍存在融合不足，從學(xué)生的表現(xiàn)來看，仍然存在工程實(shí)踐和研究能力欠佳、學(xué)習(xí)動(dòng)力與積極性不高等問題，具體表現(xiàn)主要有以下幾點(diǎn)。

（一）? 課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度體現(xiàn)不足

原有理論教學(xué)中課程基礎(chǔ)性內(nèi)容偏多，如在學(xué)時(shí)的分配上，仿真相關(guān)概念與Matlab基礎(chǔ)6學(xué)時(shí)，仿真算法與程序?qū)崿F(xiàn)8學(xué)時(shí)，體現(xiàn)控制器設(shè)計(jì)與優(yōu)化的綜合設(shè)計(jì)性內(nèi)容僅占2學(xué)時(shí)。與此相對(duì)應(yīng)的上機(jī)實(shí)踐的任務(wù)布置中，驗(yàn)證性題目偏多，綜合設(shè)計(jì)性題目數(shù)量偏少。課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度明顯不足。

（二）? 以教師主講的單一教學(xué)方式難以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求，學(xué)習(xí)興趣不高

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生接受知識(shí)的方式和渠道也在發(fā)生變化。傳統(tǒng)課堂中以教師的“教”為中心，學(xué)生被動(dòng)接受的教學(xué)方式，難以滿足學(xué)生多時(shí)空、多場(chǎng)景、多渠道的多樣化學(xué)習(xí)需求。因此，采用靈活多樣的教學(xué)方法，開展以網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)為基礎(chǔ)的線上線下混合教學(xué)勢(shì)在必行。

（三）? 教學(xué)評(píng)價(jià)重結(jié)果輕過程，難以有效激發(fā)自主學(xué)習(xí)意愿，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足

教學(xué)評(píng)價(jià)是對(duì)教師和學(xué)生的“教”與“學(xué)”效果的雙向測(cè)試，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿和主動(dòng)性亦具有指揮棒作用。傳統(tǒng)的在結(jié)課后才開展的以試卷考試或大作業(yè)測(cè)評(píng)的單一評(píng)價(jià)方式，欠缺注重過程的形成性評(píng)價(jià)要素，難以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)意愿。且尤為重要的是，因未能及時(shí)評(píng)價(jià)，也就難以對(duì)教學(xué)過程的及時(shí)改進(jìn)提供依據(jù)。

二? 基于CPS的課程改革與實(shí)踐

針對(duì)上述問題，自2017年開始，課程組緊密圍繞課程目標(biāo)的有效達(dá)成，為打造具有先進(jìn)性、互動(dòng)性、探究性和個(gè)性化的教學(xué)形式，結(jié)合課程特點(diǎn)和地位，深度融合課程教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代信息技術(shù)，重組構(gòu)建了基于CPS（CDIO-PBL-SPOC， Conceive， Design， Implement， Operate-Project Based Learning - Small Private Online Course）的新教學(xué)模式并逐步實(shí)施，具體表現(xiàn)為以下幾方面。

（一）? CDIO理念下課程內(nèi)容的優(yōu)化重組

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)主要分為仿真相關(guān)概念與Matlab基礎(chǔ)、仿真算法與程序?qū)崿F(xiàn)、控制器設(shè)計(jì)與綜合等體現(xiàn)基礎(chǔ)理論、應(yīng)用驗(yàn)證與綜合設(shè)計(jì)等三層次內(nèi)容，見表1。通過更為全面具體地對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析、優(yōu)化仿真實(shí)訓(xùn)與總結(jié)報(bào)告撰寫等，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生利用Matlab現(xiàn)代工具分析解決復(fù)雜控制工程問題的能力。

課程的綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)。為強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的養(yǎng)成，針對(duì)課程的高階性、創(chuàng)新型和挑戰(zhàn)度不足的問題，在課程內(nèi)容上，課程組借鑒CDIO教學(xué)理念，有意識(shí)地引入了體現(xiàn)復(fù)雜性、高階性和時(shí)代性的具體工程案例，如飛機(jī)俯仰角控制、起重機(jī)防擺控制、倒立擺優(yōu)化控制等，同時(shí)增加了關(guān)于控制器優(yōu)化內(nèi)容講授深度和仿真實(shí)現(xiàn)，開展了課程內(nèi)容的優(yōu)化和重組。

與課程內(nèi)容的優(yōu)化相一致，相應(yīng)的在學(xué)時(shí)安排上進(jìn)行了調(diào)整。鑒于自動(dòng)控制原理與現(xiàn)代控制理論兩門課中，已經(jīng)對(duì)控制原理有了極為詳盡的學(xué)習(xí)，在本課程中減少了基礎(chǔ)理論內(nèi)容學(xué)時(shí)分配，增加了控制系統(tǒng)綜合內(nèi)容。如將原來的“仿真的基本概念與Matlab基礎(chǔ)”由原來的6學(xué)時(shí)，降低為4學(xué)時(shí)，“仿真算法與程序?qū)崿F(xiàn)”由原來的8學(xué)時(shí)，降低為6學(xué)時(shí)，增加了體現(xiàn)綜合性的“控制器設(shè)計(jì)與綜合”內(nèi)容，學(xué)時(shí)由原來的2學(xué)時(shí)，增加為6學(xué)時(shí)，增加了基于PID的雙閉環(huán)倒立擺、龍門吊車重物防擺的魯棒PID控制以及授課教師參與的企業(yè)橫向課題“電源車模型仿真軟件”等多個(gè)工程實(shí)例，通過科研反哺教學(xué)，進(jìn)一步豐富了案例教學(xué)資源。在教學(xué)過程中，減少了對(duì)數(shù)值仿真算法的理論推導(dǎo)講解，增加了新工具箱的使用，更加強(qiáng)調(diào)應(yīng)用。如通過介紹不同算法在精度、仿真速度及穩(wěn)定性等方面的區(qū)別，目的是指導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用時(shí)，能夠依據(jù)任務(wù)需求不同，合理選擇適宜的仿真算法。

與理論課時(shí)的調(diào)整相一致，在16學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)踐中，減少了對(duì)Matlab軟件基礎(chǔ)操作的練習(xí)時(shí)長(zhǎng)，增加了控制器設(shè)計(jì)與綜合內(nèi)容的上機(jī)學(xué)時(shí)，如增加了針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器，通過選取適宜的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的要求。對(duì)于減少的學(xué)時(shí)，為保證質(zhì)量，將更多的基本操作與實(shí)踐放到課外，充分利用學(xué)生的課余時(shí)間，對(duì)其增負(fù)，通過提前布置任務(wù)，上機(jī)時(shí)間主要用于集中檢查任務(wù)完成情況及指導(dǎo)答疑，有效提高了上機(jī)實(shí)踐訓(xùn)練效果。

（二）? 基于PBL的多樣教學(xué)方法探索與實(shí)踐

與教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整相一致，在教學(xué)方法上積極探索，結(jié)合課程內(nèi)容與特點(diǎn)，開展了靈活多樣的教學(xué)方法改革。

基于課程內(nèi)容的調(diào)整，面向引入的復(fù)雜工程案例，課程組積極開展項(xiàng)目式教學(xué)（PBL）。整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程按照工程實(shí)踐中的生產(chǎn)和科研工作流程進(jìn)行，經(jīng)過任務(wù)需求分析、系統(tǒng)模型建立與簡(jiǎn)化、系統(tǒng)性能分析、控制器設(shè)計(jì)與優(yōu)化、Matlab仿真驗(yàn)證及報(bào)告撰寫等完整過程的訓(xùn)練，使學(xué)生了解和掌握利用仿真軟件分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)過程。同時(shí)，訓(xùn)練過程中，通過對(duì)不同性能指標(biāo)之間的矛盾和沖突，以及仿真模型與實(shí)際工程的差異性、工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中對(duì)環(huán)境、社會(huì)發(fā)展等方面的影響分析，在提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力之余，亦注重其人文素質(zhì)的培養(yǎng)。

針對(duì)授課對(duì)象的不同，因地制宜，以問題為牽引，注重采用合作、探究的教學(xué)模式。例如在卓越班的小班教學(xué)中，因人數(shù)較少，采用了小組討論式教學(xué)；在普通班的大班教學(xué)中，在學(xué)時(shí)有限而人數(shù)眾多的情況下，為保證學(xué)習(xí)效果，在上機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告Ⅱ中，鼓勵(lì)題目相同的同學(xué)組成學(xué)習(xí)小組，通過任務(wù)分工，集體探討與合作，共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

另外，在教學(xué)組織方面，采用理論講授與實(shí)踐操作交互進(jìn)行的方式，加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的緊密銜接。主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：一是課堂上理論講解與實(shí)踐驗(yàn)證的交互，即在教師介紹完某一基礎(chǔ)算法后，為驗(yàn)證該算法的特點(diǎn)，給出程序及運(yùn)行結(jié)果，從而加深學(xué)生對(duì)算法特點(diǎn)的理解和掌握；二是理論課與上機(jī)實(shí)踐在時(shí)間安排上的交錯(cuò)，一般在開課的第2～3周，即理論講解完6～8個(gè)學(xué)時(shí)后，及時(shí)安排上機(jī)實(shí)踐，以保證對(duì)新知識(shí)的及時(shí)鞏固和算法實(shí)現(xiàn)與程序編制能力的及時(shí)訓(xùn)練與獲取。

（三）? 以SPOC為平臺(tái)的線上線下混合教學(xué)探索與實(shí)踐

2020年初，新冠感染疫情的發(fā)生給高等教育發(fā)展帶來了極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)歷此變革，我們深刻認(rèn)識(shí)到，隨著互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，開展有效的線上線下混合教學(xué)已經(jīng)成為高等教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為進(jìn)一步拓展學(xué)習(xí)空間，豐富學(xué)習(xí)資源，固化知識(shí)獲取與能力達(dá)成，課程組充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，基于SPOC平臺(tái)開發(fā)建設(shè)了控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程網(wǎng)站（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/204075095.html）。網(wǎng)站資源提供了課程大綱、教學(xué)課件、學(xué)習(xí)指南、仿真報(bào)告、教案和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等25個(gè)文檔資源并及時(shí)更新，同時(shí)搜集整理并擴(kuò)充了題庫(kù)。

以豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源為基礎(chǔ)，配合學(xué)習(xí)通APP手機(jī)客戶端，在學(xué)時(shí)有限的情況下，積極開展了線上線下混合教學(xué)。如在介紹完連接矩陣的求取方法后，及時(shí)通過學(xué)習(xí)通布置作業(yè)，要求學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)，完成一個(gè)復(fù)雜連接方框圖的連接矩陣的求取。在上機(jī)實(shí)踐過程中，為督促學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，每次上機(jī)之前，以任務(wù)節(jié)點(diǎn)的方式，讓學(xué)生自學(xué)網(wǎng)站上相關(guān)Matlab資源，并在上機(jī)結(jié)束后及時(shí)將本次上機(jī)完成的作業(yè)提交到課程網(wǎng)站，以此作為上機(jī)考核的一部分。

實(shí)時(shí)的任務(wù)布置和提問，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的注意力，極大提高了學(xué)生對(duì)課程的關(guān)注度和主動(dòng)獲取知識(shí)的能力，使得課堂的聽課和上機(jī)的實(shí)踐效率均有了明顯的改善，學(xué)生的參與度與積極性明顯提高。

（四）? 注重形成性評(píng)價(jià)的全過程考核與評(píng)價(jià)方式改革

課程能力目標(biāo)達(dá)成分析是教學(xué)評(píng)價(jià)的一部分，是評(píng)價(jià)課堂教學(xué)質(zhì)量、為教師提供教學(xué)反饋信息的重要依據(jù)。作為CPS模式下主要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，在明確課程內(nèi)容對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐與分配比例下，采用恰當(dāng)?shù)目己朔绞侥軌蚩陀^評(píng)價(jià)教學(xué)改革的效果，并能引導(dǎo)學(xué)生選擇科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的培養(yǎng)目標(biāo)。

與教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與教學(xué)方法改革相呼應(yīng)，在評(píng)價(jià)方式方面，依據(jù)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程的特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)，采用了基于定性+定量、形成+終結(jié)的貫穿教學(xué)全過程多維綜合量化考核評(píng)價(jià)方式。其中，形成性評(píng)價(jià)（占比40%）主要包括口試和作業(yè)，終結(jié)性評(píng)價(jià)（占比60%）主要包括2份上機(jī)報(bào)告，從平時(shí)上課、上機(jī)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果三方面重點(diǎn)考察，以督促學(xué)生重視每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生的期末課程總評(píng)成績(jī)構(gòu)成如下所示。

課程成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（40%）+報(bào)告成績(jī)（60%）=作業(yè)成績(jī)（10%）+口試成績(jī)（30%）+上機(jī)報(bào)告Ⅰ成績(jī)（30%）+上機(jī)報(bào)告Ⅱ成績(jī)（30%）。

上述4部分成績(jī)，除作業(yè)外，均為五級(jí)制給出。依據(jù)占比轉(zhuǎn)換成百分制，求和后最終轉(zhuǎn)換為五級(jí)制上報(bào)。各部分具體分值和評(píng)價(jià)細(xì)則見表2。

基于定性+定量、形成+終結(jié)的多維綜合量化能力考核與評(píng)價(jià)方式，契合課程內(nèi)容與特點(diǎn)，客觀評(píng)價(jià)課程目標(biāo)達(dá)成，為迭代優(yōu)化教與學(xué)效果提供了依據(jù)。

三? 課程改革實(shí)施效果

CPS教學(xué)模式變革了傳統(tǒng)課堂的教學(xué)方式，借助于現(xiàn)代信息與移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，通過靈活多樣的教學(xué)手段和方法，真正實(shí)現(xiàn)從“以教為中心”向“以學(xué)為中心”轉(zhuǎn)變，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性被調(diào)動(dòng)，課堂的關(guān)注度和學(xué)習(xí)能力明顯提高。從課程目標(biāo)的達(dá)成情況（圖1）分析可以看出，2019—2021年課程目標(biāo)中最低達(dá)成度基本在0.75左右，教學(xué)效果明顯。另外，學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，所獲得的編程能力、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等實(shí)踐能力，在參加的“西門子”杯中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽等國(guó)家級(jí)賽事中，發(fā)揮了積極的作用，助力取得了良好的成績(jī)。

四? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程存在的課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度體現(xiàn)不足、以教師主講的單一教學(xué)方式難以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求、教學(xué)評(píng)價(jià)重結(jié)果輕過程，難以有效激發(fā)自主學(xué)習(xí)意愿等問題，課程組積極開展了CDIO理念下課程內(nèi)容的優(yōu)化重組、基于PBL的多樣教學(xué)方法探索與實(shí)踐、以SPOC為平臺(tái)的線上線下混合教學(xué)探索與實(shí)踐以及注重形成性評(píng)價(jià)的全過程考核與評(píng)估方式改革等基于CPS的全方位課程改革與實(shí)踐。從學(xué)生的表現(xiàn)和2019—2021年的課程達(dá)成評(píng)價(jià)可以看出，課程改革有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大提升了其自主學(xué)習(xí)能力與工程實(shí)踐技能，課程教學(xué)改革已初見成效，為有效的畢業(yè)要求達(dá)成發(fā)揮了本門課程應(yīng)有的作用。

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