基于CDIO的測控工程專業(yè)課程設計教學模式探索

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)學員崗位任職需求，對課程設計實踐教學進行改革探索。結合CDIO工程教育理念，分析了測控工程專業(yè)實踐教學的特點與現(xiàn)狀，提出以人才需求為導向，以項目驅(qū)動為核心，以學員能力培養(yǎng)為根本的教學理念。結合CDIO教學模式，從教學內(nèi)容設計、教學實施和考核評價等方面對控制系統(tǒng)類綜合課程設計教學進行探索與改革。實踐表明，CDIO教學模式可提高學員的學習興趣、實踐動手能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作精神，為綜合課程設計教學改革提供了借鑒。

關鍵詞：測控工程;CDIO模式;課程設計;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：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)是精密機械、光學、電子技術、計算機技術多學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、工程實踐性強等特點，實踐教學是該專業(yè)本科教學不可或缺的組成部分[2]，是培養(yǎng)學員工程實踐能力、團隊協(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)類綜合課程設計是火箭軍工程大學測控工程專業(yè)重要的實踐教學環(huán)節(jié)，該課程以電子技術、自動控制原理和現(xiàn)代控制理論為基礎，綜合利用慣性導航、光電探測、目標信號獲取與處理、計算機控制等知識進行控制系統(tǒng)綜合設計，在夯實學員專業(yè)基礎、強化實踐動手能力、培養(yǎng)學員綜合運用所學專業(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，構思-設計-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)、全面的實施指導以及結果檢驗的標準，該理念以項目為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程間的有機聯(lián)系的方式學習工程的理論、技術和經(jīng)驗。CDIO理念倡導“基于項目教育和學習”、“做中學”的教學方法，該理念不僅重視知識積累，更為重視提高學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊合作意識[6-8]，與控制系統(tǒng)類綜合課程設計的教學目標十分貼近，具有較強的可操作性和指導性，按照CDIO理念開展控制系統(tǒng)類綜合課程設計實踐教學模式將有助于提高學員的工程實踐能力、團隊協(xié)作、創(chuàng)新精神和科學素養(yǎng)[9，10]。因此，我們結合火箭軍工程大學測控工程專業(yè)實踐教學改革，基于CDIO理念，將項目驅(qū)動思路融入實踐教學，對控制系統(tǒng)類綜合課程設計在教學理念、教學內(nèi)容、教學模式和考核評價等方面進行了探索與實踐。

一、測控工程專業(yè)實踐教學存在問題

為了突出專業(yè)特色，結合部隊崗位任職需求，我校在測控工程專業(yè)實踐課程設置及教學內(nèi)容等方面進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)容設置系統(tǒng)性、設計性、綜合性不強

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，相關性不強，缺乏系統(tǒng)的整體性觀念;實踐內(nèi)容偏重電子技術實訓，忽視了與專業(yè)方向的有效結合，項目缺乏設計性、綜合性內(nèi)容的設計與指導，導致部分實踐課程只能幫助學員熟悉各課程理論知識，難以實現(xiàn)對學員綜合實踐能力的培養(yǎng)。

（二）組織形式和課堂教學模式單一

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

（三）學員工程素養(yǎng)與創(chuàng)新能力偏弱

實踐教學實施過程中，學員基本按照指導書給定的步驟順序執(zhí)行，學員關注更多的是功能的實現(xiàn)，而對性能指標要求、設計的規(guī)范性等工程和應用背景不夠重視;由于缺乏團隊協(xié)作意識和科研創(chuàng)新能力的引導，導致部分學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知識來解決工程實際問題，無法按時完成設計任務。

（四）考核方式不夠完善，難以實現(xiàn)有效的過程控制

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

二、基于CDIO模式的控制系統(tǒng)類綜合課程設計教學改革

控制系統(tǒng)類綜合課程設計是我校測控工程專業(yè)除畢業(yè)設計外，一門較大的綜合性實踐課程，是電子技術、計算機技術、控制理論等專業(yè)基礎課程的深化和融合，具有很強的實踐性和應用型，特別符合CDIO理念倡導的“基于項目的教育和學習”和“做中學”工程教育模式。針對測控工程專業(yè)實踐教學存在的主要問題，結合CDIO教育理念，開展控制系統(tǒng)類綜合課程設計教學改革，對于培養(yǎng)學員創(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的教學理念構建

火箭軍工程大學測控工程專業(yè)培養(yǎng)的是面向武器系統(tǒng)測試與控制技術的專門人才，控制系統(tǒng)類綜合課程設計既是對學員前期理論和實踐教學效果的檢驗，也是對學員綜合運用所學知識，解決實際工程問題能力的培養(yǎng)。因此在教學理念上應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，以夯實學員專業(yè)基礎、培養(yǎng)學員綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力為目的，促進崗位任職能力的全面提高?；诖?，構建我校測控工程專業(yè)控制系統(tǒng)類綜合課程設計教學理念如下：

1. 以人才需求為導向，突出工程實踐能力的培養(yǎng)。通過課程設計，采用學員探究為主，教員啟發(fā)為輔的方式，進一步培養(yǎng)學員綜合運用專業(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，增強工程實踐創(chuàng)新能力。

2. 以項目驅(qū)動為核心，促進團隊協(xié)作意識培養(yǎng)。教學采取項目驅(qū)動，分組實施，各組成員根據(jù)個人專長進行合理分工，教員引導學員分析問題、互相討論、互相啟發(fā)、互相促進，并最終解決問題，共同完成課程設計任務，提高學員團隊協(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)學員探索與創(chuàng)新精神。教學以導航、制導與控制理論、計算機技術為基礎，持續(xù)引入新理論、新技術、新方法，兼顧先進性與科學性，突出專業(yè)特色和武器系統(tǒng)應用背景，激發(fā)學生的探索與創(chuàng)新精神，促進崗位任職能力的提升。

（二）基于CDIO的教學內(nèi)容設計

控制系統(tǒng)類綜合課程設計的教學內(nèi)容設計是否合理，直接影響到課程設計的教學效果。在教學內(nèi)容設計上，應符合教學要求，結合CDIO工程教育理念，突出專業(yè)特色，確保具有工程性、先進性、課程性、綜合性等特點。在內(nèi)容設計時，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)新型設計題目;二是結合學科競賽，提取具有代表性的競賽型設計題目;三是結合學科前沿，教員引導鼓勵學員根據(jù)自己的想法擬定一些學科前沿及自主命題型設計項目，激發(fā)學員興趣和創(chuàng)造性。在知識層面上，各類型選題應覆蓋電子技術、導航制導與控制、計算機測控等關鍵知識要素，由淺入深，循序漸進。設計層面上每個題目應有所偏重，具有一定的區(qū)分度，切實提高學員分析問題、解決問題的能力，以及自主創(chuàng)新、團隊協(xié)作溝通能力。結合學員實際，基于實驗室教學條件，設計的選題如表1所示。

表1 教學內(nèi)容項目設計

（三）基于CDIO的教學過程實施

控制系統(tǒng)類綜合課程設計是一門綜合性課程，具有較強的工程實踐性，特別符合CDIO工程教育理念倡導的“做中學”和“基于項目教育和學習”。教學中以任務為核心，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，以控制系統(tǒng)設計的一般流程和方法為核心，按照方案構思、系統(tǒng)分析、原理設計、計算機仿真、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計教學，改為5周，每周4課時，除集中授課外，指導教員在每周固定一個下午在實驗室集中答疑。同時，為提高教學效率，每名指導教員只負責2-3個題目，以便與學員就相關題目進行深入討論指導。

圖1 基于CDIO的課程設計教學實施流程

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

題目：C51智能小車實驗系統(tǒng)設計

設計任務：設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）。跑道設計如圖2所示，寬度0.5m。表面貼有白紙，兩側設有擋板，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最小（以車輛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的控制系統(tǒng)設計課題，在整個教學實施過程中，教學組遵循“構思-設計-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、新技術的應用，強調(diào)學員的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(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. 構思階段

在課程設計開課之前，組織教學雙方見面會，發(fā)布題目，明確控制系統(tǒng)類綜合課程設計教學要求。學員選定課程設計題目后，根據(jù)個人意愿組隊，參考學科競賽模式，形成每組3人的課程設計小組，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，指導教員組織1次理論授課（2課時），強調(diào)以工程觀念來規(guī)劃整個設計過程，重點明確設計要求、設計方法、設計流程和注意事項，對現(xiàn)有車模進行概要介紹，包括單片機最小系統(tǒng)、光電傳感器、電機驅(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)方案的初步設計，并與指導教員討論，優(yōu)化完善設計方案。此過程主要培養(yǎng)學員自主學習意識，時間約為1周。

2. 設計階段

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

3. 實施階段

學員按照設計方案，領取C51智能小車各主要模塊，并根據(jù)設計原理圖進行組改裝，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)學員工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作精神與溝通協(xié)調(diào)能力，時間約為2周。

4. 運行階段

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

（四）基于CDIO的考核評價機制

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

1. 平時表現(xiàn)

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

2. 作品展示

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

3. 總結報告

總結報告是對控制系統(tǒng)類綜合課程設計的全面總結，是學員最終成績的一項重要指標，課程設計結束后指導教員根據(jù)各設計小組提交的總結報告給出相應成績，主要考察學員知識水平、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能力等。

4. 答辯

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

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

三、結束語

本文提出的CDIO工程教育模式下的控制系統(tǒng)類綜合課程設計教學改革，突出了測控工程專業(yè)特色，細化和規(guī)范了課程設計實施過程。通過近幾年的實踐表明，在“構思-設計-實施-運行”的過程中，CDIO教學模式進一步提升了測控工程專業(yè)實踐教學水平，充分調(diào)動了學員的主觀能動性，提高了學員綜合運用所學知識解決實際問題的能力以及團隊協(xié)作精神、溝通協(xié)調(diào)能力，培養(yǎng)了學員嚴謹求實的工作態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神，為學員適應崗位任職需求奠定了良好的基礎。

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