面向控制工程的教學(xué)案例平臺建設(shè)

周林 劉樾 胡振濤 金勇

摘要：為了增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、培養(yǎng)學(xué)生的批判思維，彌補工科類案例缺少的困境，為控制工程方向的學(xué)生提供案例教學(xué)支撐，開展了面向控制工程相關(guān)課程設(shè)計的教學(xué)案例平臺建設(shè)。結(jié)合人才培養(yǎng)的目標導(dǎo)向與科學(xué)研究的問題導(dǎo)向，依托教師的國家級科研項目和軍民融合項目，建立的案例平臺能為控制工程方向的學(xué)生培養(yǎng)提供教學(xué)和實踐資源，并為教學(xué)改革提供驗證平臺。

關(guān)鍵詞：控制工程? 實踐教學(xué)? 案例平臺? 教學(xué)改革

Abstract： In order to enhance students' learning autonomy， cultivate students' critical thinking， make up for the lack of engineering cases， and provide case teaching support for students majoring in control engineering， a teaching case platform for control engineering-related course design is built. Combined with the goal orientation of talent training and the problem orientation of scientific research， relying on teachers' national scientific research projects and military civilian integration projects， the established case platform can provide teaching and practice resources for students controlling the direction of engineering， and provide a verification platform for teaching reform.

Key Words： Control engineering; Practical teaching; Case platform; Teaching reform

案例指由各種媒體組合表現(xiàn)的有現(xiàn)實指導(dǎo)意義和教學(xué)意義的代表性的事件或現(xiàn)象，屬于混合性、綜合性、知識內(nèi)容相對完整的“模塊式”教學(xué)資源[1]。案例平臺是針對特定受眾群的多個案例的集合。案例教學(xué)法起源于美國，是從知識向能力轉(zhuǎn)變的一種行之有效的教學(xué)模式，有利于改革傳統(tǒng)概念教學(xué)，它被國際上很多國家視為一種從理論到實踐轉(zhuǎn)換的重要教學(xué)方法。在案例教學(xué)法中，教師不再僅僅進行填鴨式授課，學(xué)生也不再緊隨教師的個人思想進行機械記憶，教師與學(xué)生之間是引領(lǐng)方向與主動前進的關(guān)系，極大提高了課程中的互動性。因此，不管是教師還是學(xué)生，都能從中獲益頗多。但國內(nèi)案例教學(xué)法的開展與國外相比還沒有普及，案例平臺資源供應(yīng)不足、質(zhì)量欠缺，案例庫建設(shè)對工科類教學(xué)尤為重要。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生主要作為聽眾接受知識，偶爾會準備部分課程內(nèi)容走上講堂進行講解，這種教學(xué)模式不利于學(xué)生迅速地從研究生學(xué)習(xí)過渡到實際工作。而在案例教學(xué)中，學(xué)生主動對手中的案例進行學(xué)習(xí)，從圖書館資料庫或網(wǎng)絡(luò)平臺搜索所需材料，各小組學(xué)生之間互幫互助，增加了團隊交流協(xié)作的能力，通過向教師請教疑難問題能夠加深對擴展知識的理解。選擇學(xué)生自身參與的案例建設(shè)點，具有天然的優(yōu)勢，能夠降低門檻，更容易讓學(xué)生消化并領(lǐng)會領(lǐng)域知識，更容易區(qū)分業(yè)務(wù)知識與開發(fā)技術(shù)，主動查閱資料的訓(xùn)練更容易快速聚焦，從而使其對專業(yè)內(nèi)容理解和掌握得更加深刻。通過對面向控制工程的教學(xué)案例庫進行建設(shè)，能夠發(fā)展可供教學(xué)的案例庫的系統(tǒng)性和成熟性，從而提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]，為雙一流建設(shè)提供支持，發(fā)展軍民融合建設(shè)。

1? 建設(shè)意義

建設(shè)面向控制工程的教學(xué)案例庫，既符合實際軍民需求又迎合國際形勢發(fā)展需要，能夠促進專業(yè)工程碩士的實踐教育開展[3-5]，既為專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)提供教學(xué)資源，又為專業(yè)學(xué)位研究生的高質(zhì)量培養(yǎng)提供幫助，能夠為國家的雙一流建設(shè)貢獻力量，主要具有以下意義。

1.1 提高教師的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平

案例教學(xué)的基礎(chǔ)是教師具備豐富的教學(xué)與實踐經(jīng)驗，越是這樣的教師，越能在傳統(tǒng)至新興教學(xué)模式中做到平穩(wěn)過渡并快速轉(zhuǎn)變。案例教學(xué)要求教師關(guān)注課程領(lǐng)域的前沿動向，及時對現(xiàn)有案例庫進行補充與修改。此外，案例教學(xué)能調(diào)動教師的教育教學(xué)改革積極性，豐富教學(xué)模式，從而更好地去引領(lǐng)學(xué)生與課程的融合。

1.2 增強研究生的學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)能力

學(xué)生從機械學(xué)習(xí)課堂中的死知識轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮處熞龑?dǎo)下主動學(xué)習(xí)原有內(nèi)容與書本之外的擴展內(nèi)容，在案例教學(xué)中，將所學(xué)的理論知識與具體實踐的結(jié)合，能發(fā)揮他們在學(xué)習(xí)過程中的主導(dǎo)作用，提高學(xué)習(xí)能力并增強批判思維。

1.3 增強師生互動

案例教學(xué)過程中，教師和學(xué)生都積極參與，在學(xué)習(xí)、分析和討論等環(huán)節(jié)起著自己的主導(dǎo)作用，加強了師生交流、活躍了教學(xué)氣氛、強化了學(xué)生的實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)。

1.4 完善培養(yǎng)體系

目前，專業(yè)學(xué)位研究生以實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)為重點，但工科類面向任務(wù)需求案例庫的案例源奇缺;研究所、院校的需求任務(wù)的第一手資料的獲取機會不多;案例數(shù)量不足、質(zhì)量難以保證。通過案例庫的建設(shè)，可以改革教學(xué)模式、豐富教學(xué)資源，最終有利于完善工科類研究生培養(yǎng)體系。

2? 現(xiàn)狀分析

在我國，教育部和人力資源社會保障部在2015年聯(lián)合發(fā)布了《教育部關(guān)于加強專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》。意見中指出，要發(fā)展專業(yè)學(xué)位研究生教育，深入推進培養(yǎng)模式改革，加快完善體制機制，不斷提高教育質(zhì)量;要求培養(yǎng)單位和全國專業(yè)學(xué)位研究生教育指導(dǎo)委員會要積極組織有關(guān)授課教師在準確把握案例教學(xué)實質(zhì)和基本要求的基礎(chǔ)上，致力于案例編寫，同時吸收行業(yè)、企業(yè)骨干以及研究生等共同參與。鼓勵教師將編寫教學(xué)案例與案例的科學(xué)研究相結(jié)合，編寫過程注重理論與實際相結(jié)合，開發(fā)和形成一大批基于真實情境、符合案例教學(xué)要求、與國際接軌的高質(zhì)量教學(xué)案例。將優(yōu)秀教學(xué)案例、教材編寫、行業(yè)服務(wù)等教學(xué)、實踐、服務(wù)成果納入專業(yè)學(xué)位教師考核評價體系;專業(yè)學(xué)位論文應(yīng)反映研究生綜合運用知識技能解決實際問題的能力和水平，可將研究報告、規(guī)劃設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、案例分析、管理方案、發(fā)明專利、文學(xué)藝術(shù)作品等作為主要內(nèi)容，以論文形式表現(xiàn);案例教學(xué)、實踐基地建設(shè)等改革試點成效將作為培養(yǎng)單位申請新增專業(yè)學(xué)位授權(quán)點及專業(yè)學(xué)位授權(quán)點定期評估的重要內(nèi)容。案例教學(xué)以其獨特的優(yōu)勢必將成為我國專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的重要方式和發(fā)展趨勢，所以如何突破案例教學(xué)的現(xiàn)有困境就成為亟待解決的重要課題。

本院的專業(yè)學(xué)位研究生類別為電子信息專業(yè)，方向為控制工程，研究生培養(yǎng)的目的是為社會提供技術(shù)服務(wù)。教師扮演著傳授知識和協(xié)調(diào)技術(shù)轉(zhuǎn)化的角色，教師在講授理論知識的同時，應(yīng)通過案例教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生參與理論與實踐的結(jié)合活動。目前，案例教學(xué)中所用的國內(nèi)案例庫大多來源于中國專業(yè)學(xué)位案例中心[6]，但案例庫種類為會計、公共管理、教育、工商管理、法律等案例，缺少工科類的案例，無法為現(xiàn)有的電子信息類專業(yè)學(xué)位研究生提供案例教學(xué)支撐。

2018年，習(xí)近平主持召開中央軍民融合發(fā)展委員會第二次全體會議時指出：要抓好《關(guān)于加強軍民融合發(fā)展法治建設(shè)的意見》貫徹實施，推進軍民融合領(lǐng)域立法;通過戰(zhàn)略性重大工程有效推動科技創(chuàng)新。通過建立軍民融合的科技創(chuàng)新體系，發(fā)展軍民兩用技術(shù)，促進軍民兩個領(lǐng)域的雙向技術(shù)交流，實現(xiàn)軍民雙贏。為了響應(yīng)軍民融合國家戰(zhàn)略，積極應(yīng)用信息技術(shù)，深入開發(fā)、廣泛利用信息資源，培養(yǎng)適應(yīng)軍民融合要求的創(chuàng)新人才，因此，在不同任務(wù)需求下需要建立案例，為培養(yǎng)人才提供教學(xué)參考[7-] [8]。

3? 建設(shè)內(nèi)容

案例平臺建設(shè)結(jié)構(gòu)的實施方案主要由5個部分組成，如圖1所示，在此框架下進行建設(shè)內(nèi)容的設(shè)計。

以需求為依托，從開發(fā)遇到的關(guān)鍵問題入手，開展面向控制工程的教學(xué)案例平臺建設(shè)，建設(shè)的主要內(nèi)容如下。

3.1 需求分析

需求分析就是解決“做什么”的問題，是整個方案建設(shè)的開端，解決了這一步，就能對其進行分析與規(guī)劃，其目的就是將人的需求轉(zhuǎn)換為計算機軟件的需求，需求分析的開發(fā)過程包括獲取需求、確認需求、分析及維護需求、評審需求材料、創(chuàng)建需求。

3.2 概要設(shè)計

概要設(shè)計也稱總體設(shè)計，這一階段能為計算機軟件的需求提供大致思路，其開發(fā)過程主要包含3個方面。首先是系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計，通過需求框架定義組成系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)環(huán)境等;其次是軟件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，用于定義構(gòu)造子系統(tǒng)的功能模塊、模塊接口、模塊之間的調(diào)用與返回關(guān)系，以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等。通過將系統(tǒng)架構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以得到最終的需求。

3.3 詳細設(shè)計

詳細設(shè)計就是對上一步驟中的簡潔抽象思路具象化，如同在骨架中增添鮮血與肌肉紋理，使原本沒有生命的架構(gòu)富含活力，展現(xiàn)出更加形象完整的形態(tài)。這一步將總體設(shè)計中的架構(gòu)與模塊作為依據(jù)，賦予的局部任務(wù)和對外接口，體現(xiàn)出每個部分的算法、流程與狀態(tài)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。

3.4 實現(xiàn)與測試

實現(xiàn)就是正式進入編碼階段。為了更好地滿足用戶需求，工作者要深入掌握專業(yè)技能時刻注意用戶的想法動向，便于更新軟件程序，高效實現(xiàn)。編碼過程需注意全面兼容性能等，因此完成后需要進行功能測試。

3.5 運行維護

項目開展之后，當硬件環(huán)境發(fā)生變化，或在系統(tǒng)軟件使用后就進入運行維護階段。通常以源代碼為基本依據(jù)、以用戶的新需求為主要依據(jù)進行，類似于常見的電腦和手機軟件的版本更新操作，占據(jù)軟件生命周期中的絕大部分，只要軟件還在投入使用，運行程序修改維護就是必不可少的一個環(huán)節(jié)。

3.6 實施方案

項目完成之后，系統(tǒng)還不能馬上投入使用，因為無法保證后期用戶應(yīng)用的質(zhì)量效果。為了確保達到良好的開發(fā)結(jié)果，除了盡可能提高開發(fā)質(zhì)量之外，還要求工作者進行一系列調(diào)試、測評與培訓(xùn)等工作，這就是具體的項目實施。

3.7 綜合項目1——多源信息融合仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

多源信息融合仿真系統(tǒng)提供了良好的人機交互接口，以及多種融合和濾波算法的選擇。該仿真系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)同類/異類標量、矢量多傳感器量測數(shù)據(jù)的模擬生成、融合處理及各類融合方法在目標運動狀態(tài)估計中可行性和有效性的驗證，提供一個通過融合異類傳感器信息實現(xiàn)目標認知可靠性提升方式的研究平臺。

3.8 綜合項目2——多源信號處理仿真及測試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

多源信號處理仿真及測試系統(tǒng)采用雙通道高速視頻信息采集，多串口協(xié)同通信、多線程圖像顯示及處理等技術(shù)搭建，分為一體化對抗和雙脈沖引偏兩個設(shè)備平臺。一體化對抗設(shè)備平臺包括紅外圖像的獲取、顯示，威脅目標信息的獲取、顯示及對威脅目標的近紅外和遠紅外目標干擾等功能。雙脈沖引偏設(shè)備平臺包括原始視頻圖像的獲取、顯示，激光告警信息獲取、顯示及對目標發(fā)射激光干擾等功能。

該軟件基于C#語言進行編寫和開發(fā)，具有Windows風格的操作界面，能對現(xiàn)場畫面進行實時傳輸顯示，對各個設(shè)備運行狀態(tài)進行實時檢測，并將結(jié)果清晰、直觀地顯示在軟件主界面上，并且具備歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。

3.9 綜合項目3——機載多加速度計協(xié)同量測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

機載多加速度計協(xié)同量測系統(tǒng)分別從硬件、軟件上研制空投加速度記錄儀和信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的記錄儀用于測量空投設(shè)備在開傘和落地瞬間的沖擊力，記錄被空投設(shè)備在空中的加速度信息，應(yīng)用于空投裝備抗沖擊力的測試;同時，信息處理系統(tǒng)用于采集、處理、分析和存儲記錄儀的信號。

3.10 綜合項目4——機載/艦載多傳感器智能協(xié)同管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

機載/艦載多傳感器智能協(xié)同管理系統(tǒng)是建立一種傳感器協(xié)同管理仿真軟件框架，可方便地進行有針對性的機載傳感器協(xié)同管理仿真。軟件系統(tǒng)功能模塊的交互界面主要包括5個部分：任務(wù)控制區(qū)、模型配置區(qū)、數(shù)據(jù)圖形顯示區(qū)、綜合數(shù)據(jù)區(qū)、系統(tǒng)日志顯示區(qū)。

本系統(tǒng)基于MS Visual C++ 6.0設(shè)計并開發(fā)了XJTU軟件包。軟件包包括任務(wù)生成仿真平臺、目標運動模型、衛(wèi)星模型、雷達模型和總控模型。所有模型均采用dll方式，用戶可用相同接口的dll模型進行更換。

通過以上案例平臺的建設(shè)，學(xué)生可以更了解控制工程專業(yè)中理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的過程。針對不同的工程任務(wù)需求，聚焦的開發(fā)重點不同，可以從不同的案例中剝離出相同的理論知識和適用于本專業(yè)的開發(fā)技術(shù)。此外，隨著開發(fā)項目的積累和提煉，該案例平臺可以按照工程任務(wù)需求進行不斷擴充，使案例平臺建設(shè)得更加豐富。

4? 結(jié)論

通過本文的案例平臺建設(shè)，可以從不同的案例中剝離出相同的理論知識和適用于本專業(yè)的開發(fā)技術(shù)，將理論知識與實踐相結(jié)合，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高教育教學(xué)創(chuàng)新質(zhì)量，響應(yīng)國家關(guān)于人才培養(yǎng)導(dǎo)向?；谝延许椖拷?jīng)驗和數(shù)據(jù)可以建立豐富的案例庫，但隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同等新技術(shù)的出現(xiàn)，案例平臺建設(shè)有必要繼續(xù)與時代接軌，不斷融入新知識和新技術(shù)，在應(yīng)用于本專業(yè)的案例教學(xué)同時，還對其他創(chuàng)新研修課的教學(xué)提供一定借鑒。

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基金項目：河南省“十四五”普通高等教育規(guī)劃教材立項建設(shè)項目（項目編號：CX3010A0950024）

作者簡介：周林（1975—），女，博士，副教授，研究方向為系統(tǒng)偏差估計、多源信息融合、傳感器管理等。

通訊作者：劉樾（1997—），女，碩士，研究方向為傳感器管理、目標跟蹤等。E-mail：liuyue@henu.edu.cn。

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