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      工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下現(xiàn)代控制工程之“金課”建設(shè)

      2023-07-28 09:18:50肖會芹孔玲爽楊興果周文權(quán)周維龍趙凱輝
      大學(xué)教育 2023年6期
      關(guān)鍵詞:工程教育專業(yè)認(rèn)證金課

      肖會芹 孔玲爽 楊興果 周文權(quán) 周維龍 趙凱輝

      [摘 要]文章基于工程教育專業(yè)認(rèn)證背景,遵循“以學(xué)生為中心”的教育理念和“金課”的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),分別從教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)資源、教學(xué)形式和考核方式三方面探討現(xiàn)代控制工程“金課”建設(shè)思路:在整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,構(gòu)建以控制工程案例為主線的教學(xué)資源,提升課程的高階性;采用模塊集中授課、親歷實(shí)踐調(diào)研以及控制專題研討等多種教學(xué)形式,強(qiáng)化課程的創(chuàng)新性;加大過程性考核成績比重,提高課程的挑戰(zhàn)度。

      [關(guān)鍵詞]工程教育專業(yè)認(rèn)證;“金課”;現(xiàn)代控制工程;控制工程案例

      [中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437(2023)06-0015-03

      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[1],倡導(dǎo)以學(xué)生為中心的教育理念,并且要求聚焦學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)[2],對課程建設(shè)和教學(xué)過程有著較高的要求。課程建設(shè)是工程教育專業(yè)認(rèn)證的基礎(chǔ)。2018年6月,時任教育部部長陳寶生提出“金課”的概念,要求打造具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程[3]。“金課”建設(shè)與工程教育專業(yè)認(rèn)證都是高等教育改革的重要方向,二者可以有機(jī)結(jié)合,其共同的目的就是培養(yǎng)高水平的符合社會需要的新工科人才。工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心”的教育理念為“金課”建設(shè)指明了方向。將“金課”建設(shè)與工程教育專業(yè)認(rèn)證有機(jī)結(jié)合,綜合考慮,可以最大限度實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)專業(yè)人才的目標(biāo)[4]。

      湖南工業(yè)大學(xué)(以下簡稱我校)自動化專業(yè)每年招生人數(shù)約200多人,旨在培養(yǎng)能在自動化及相關(guān)專業(yè)工程領(lǐng)域從事科研、開發(fā)和管理工作的應(yīng)用型高級技術(shù)人才?,F(xiàn)代控制工程是我校自動化專業(yè)理論核心課程中的綜合建設(shè)課程,其教學(xué)目標(biāo)為:使學(xué)生在熟悉自動控制理論方法特點(diǎn)和先進(jìn)性的基礎(chǔ)上,具有電氣、機(jī)械、包裝自動化等控制系統(tǒng)的建模能力,并能夠運(yùn)用時域法、頻域法、狀態(tài)空間法等方法對其運(yùn)動過程、穩(wěn)定性、能控性和能觀性進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,對控制系統(tǒng)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)以及極點(diǎn)配置,掌握觀測器等的綜合設(shè)計(jì)方法,培養(yǎng)學(xué)生分析與解決自動化領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的基本能力,并使學(xué)生具有家國情懷、人生目標(biāo),以及科研創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作等精神。

      我校自動化專業(yè)2019年入選首批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn),2021年通過工程教育專業(yè)認(rèn)證,2008年被評為國家級特色專業(yè),為我校自動化專業(yè)現(xiàn)代控制工程課程建設(shè)和發(fā)展提供了契機(jī)。工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下,如何提升課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度,將現(xiàn)代控制工程課程打造成“金課”?本文擬結(jié)合近年來自動化專業(yè)控制理論課程群教學(xué)的方法、措施,給出一些思路。

      一、整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及建設(shè)教學(xué)資源,提升課程的高階性

      現(xiàn)代控制工程是我校自動化專業(yè)近年來課程體系重塑下課程改革的產(chǎn)物,是控制理論核心課程中的綜合建設(shè)課程,是對傳統(tǒng)三門控制類基礎(chǔ)課程(自動控制原理、現(xiàn)代控制理論以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng))進(jìn)行整合后開設(shè)的課程,旨在進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。為了提升課程的高階性,我校自動化專業(yè)在整合優(yōu)化傳統(tǒng)控制知識的基礎(chǔ)上,積極開發(fā)和建設(shè)能夠融合知識、能力和素質(zhì)教育的各種教學(xué)資源。

      整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的主導(dǎo)思想是對現(xiàn)代控制工程的分散知識點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一梳理,對有交叉以及過時的內(nèi)容進(jìn)行合并、精簡與刪除,重點(diǎn)突出“系統(tǒng)”的概念和“反饋”的控制思想,以“控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型—控制系統(tǒng)的分析—控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”為主線設(shè)計(jì)優(yōu)化該課程授課內(nèi)容,具體整合優(yōu)化方案如圖1所示。

      在“控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型”這一部分內(nèi)容中,主要包括三種數(shù)學(xué)模型:傳遞函數(shù)模型、脈沖傳遞函數(shù)模型和狀態(tài)空間模型。這三種經(jīng)典的控制系統(tǒng)模型能夠?qū)⑾到y(tǒng)外部和內(nèi)部的數(shù)學(xué)關(guān)系描述清楚。

      在“控制系統(tǒng)的分析”這一部分內(nèi)容中,經(jīng)典控制的時域分析、頻域分析以及現(xiàn)代控制的狀態(tài)空間分析為主要精簡保留的內(nèi)容,經(jīng)典控制的根軌跡分析安排學(xué)生課下自學(xué)。

      在“控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”這一部分內(nèi)容中,保留自動控制原理中線性定常連續(xù)系統(tǒng)的校正和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣控制系統(tǒng)的校正的內(nèi)容。此外,在現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中均涉及狀態(tài)反饋、極點(diǎn)配置和觀測器設(shè)計(jì)的內(nèi)容,新的內(nèi)容整合優(yōu)化方案將這兩門傳統(tǒng)課程的該部分內(nèi)容合并在一起,分別從連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的角度進(jìn)行整合優(yōu)化。

      經(jīng)過以上的整合優(yōu)化,現(xiàn)代控制工程課程內(nèi)容更加系統(tǒng)化、條理化了。

      在教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其最佳教學(xué)效果、提升課程的高階性是“金課”建設(shè)的一個重要方面。為了提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,現(xiàn)代控制工程的教學(xué)設(shè)計(jì)分為理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié),并采用模塊化設(shè)計(jì),將每個環(huán)節(jié)分解為4個教學(xué)模塊,每一個模塊采用的教學(xué)資源不盡相同。教學(xué)模塊設(shè)計(jì)與對應(yīng)教學(xué)資源使用情況如圖2所示。

      根據(jù)各模塊不同教學(xué)資源的需求,教師在選用指定經(jīng)典教材的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充以控制工程案例為主線的教學(xué)資源。我校自動化專業(yè)每年春秋兩季的畢業(yè)設(shè)計(jì)作品展案例、電子設(shè)計(jì)競賽作品案例、包裝自動化控制工程案例以及科研案例等素材中不乏優(yōu)秀的實(shí)例作品,如果能吸納其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念為課程所用,則更能體現(xiàn)理論知識的實(shí)踐應(yīng)用價值。除此之外,為了全方位培育人才,課程全程融入思政元素。思政資源來自思政課程、各類專業(yè)相關(guān)宣傳片和紀(jì)錄片。

      由上可見,在教學(xué)資源建設(shè)中增加大量的控制工程案例,這于課程而言,更容易突出“系統(tǒng)”和“反饋”的核心概念,于工程教育專業(yè)認(rèn)證而言,更易于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。各種優(yōu)秀翔實(shí)的實(shí)時控制案例,尤其是豐富的行業(yè)背景突出的包裝自動化控制工程案例資源,一方面使得我校自動化專業(yè)特色更加鮮明,另一方面也更有助于體現(xiàn)“金課”高階性的要求。

      二、采用以學(xué)生為中心的教學(xué)形式,強(qiáng)化課程的創(chuàng)新性

      課程教學(xué)遵循“以學(xué)生為中心”的教育理念,采用模塊集中授課、親歷實(shí)踐調(diào)研、控制專題研討三種形式。整個教學(xué)過程由專業(yè)教師、思政教師以及學(xué)生共同參與,具體組織實(shí)施如下:

      (一)模塊集中授課

      模塊集中授課旨在使學(xué)生破解難點(diǎn)、掌握重點(diǎn),同時適時切入思政元素,培養(yǎng)具有家國情懷、人生目標(biāo)以及科研創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作等精神的新工科人才。教學(xué)設(shè)計(jì)中的理論環(huán)節(jié)主要采用此教學(xué)形式。各模塊具體授課知識點(diǎn)、工程能力培養(yǎng)以及思政切入點(diǎn)由專業(yè)教師和思政教師共同組織研討。例如,模塊一中的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模知識能夠培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程問題進(jìn)行提煉、定義和建模的能力。該部分可以引導(dǎo)學(xué)生了解通過表面認(rèn)清本質(zhì)的道理,并且其中的數(shù)學(xué)變換(例如狀態(tài)空間表達(dá)式的線性變換)也蘊(yùn)含著誠信、友愛、平等等思政元素。模塊二中的控制系統(tǒng)運(yùn)動過程、穩(wěn)定性和能控能觀性分析能夠培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和自動化工程科學(xué)的基本原理對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析和評價的能力。該模塊中控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性之間的關(guān)系體現(xiàn)事物之間相互制約、對立統(tǒng)一的一面,有助于學(xué)生辯證思維能力的培養(yǎng)。模塊三中的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分能夠提升學(xué)生分析和解決自動化領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。該部分可以將“校正”在控制系統(tǒng)中的重要作用映射到人本身這個特殊系統(tǒng)中:在控制系統(tǒng)偏離預(yù)期的時候,通過校正可以使系統(tǒng)穩(wěn)定;同樣,在人生偏離預(yù)期目標(biāo)時,及時的自我反思校正可以避免誤入歧途。模塊四通過將前沿性的科研案例進(jìn)行模塊知識分解,聯(lián)系模塊一至模塊三知識內(nèi)容,使得控制理論知識與科研開發(fā)案例深度融合,有利于學(xué)生工程化思維模式的形成。該部分最能體現(xiàn)社會主義事業(yè)需要學(xué)科交叉人才、需要具有綜合能力的人才等思政元素。

      (二)親歷實(shí)踐調(diào)研

      此教學(xué)形式重在提升學(xué)生對復(fù)雜工程問題解決方案的理解分析、對信息資料的采集歸納以及團(tuán)隊(duì)合作中的交流溝通等綜合能力及素養(yǎng),主要通過實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)施,采用問題引領(lǐng)和任務(wù)驅(qū)動機(jī)制。每班首先進(jìn)行分組,5人一組,設(shè)定組長1人,組織控制工程案例實(shí)踐調(diào)研,調(diào)研自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)作品展案例(現(xiàn)場)、電子設(shè)計(jì)競賽作品案例(現(xiàn)場)以及包裝自動化工程案例(行業(yè)展會及工程師網(wǎng)站),調(diào)研結(jié)果形成PPT,由小組代表以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式將案例穿插于理論及實(shí)踐教學(xué)中。小組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作完成課內(nèi)實(shí)踐調(diào)研項(xiàng)目。該教學(xué)環(huán)節(jié)能夠從工程教育專業(yè)認(rèn)證中團(tuán)結(jié)協(xié)作的角度培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識??刂乒こ贪咐{(diào)研任務(wù)及安排以具體的工程實(shí)際問題作為引導(dǎo),構(gòu)建全過程的控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練項(xiàng)目,聚焦學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng),從系統(tǒng)建模、機(jī)理分析、軟硬件實(shí)現(xiàn)、按照明確的需求承擔(dān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本任務(wù)等方面進(jìn)行任務(wù)布置與分配,借此提升學(xué)生工程思維能力。這樣就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的理論性、完整性而忽略工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的不足,使得理論知識與實(shí)踐案例深度融合。在此環(huán)節(jié)中,學(xué)生不僅對各類優(yōu)秀翔實(shí)的控制案例設(shè)計(jì)理念進(jìn)行吸納、傳承,而且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自己創(chuàng)新性的思維開發(fā),同時也為構(gòu)建系統(tǒng)化的課程實(shí)踐控制工程案例庫提供了充足的素材。此環(huán)節(jié)亦可以體現(xiàn)學(xué)生調(diào)研結(jié)果的探究性和個性化,充分體現(xiàn)課程的創(chuàng)新性。

      (三)控制專題研討

      此教學(xué)形式旨在體現(xiàn)“師生均為教學(xué)共同體”的創(chuàng)新教學(xué)理念,由教師和小組長共同組織,采用開放式課堂教學(xué),穿插于課程教學(xué)設(shè)計(jì)中理論環(huán)節(jié)模塊一至模塊三以及實(shí)踐環(huán)節(jié)模塊四。師生共同將課程中的重要知識點(diǎn)及其工程理解與實(shí)踐應(yīng)用歸納為幾個控制專題進(jìn)行研討。專題研討一般具有針對性和探討性特點(diǎn)。這種教學(xué)形式既能吸引學(xué)生的注意力,又能促進(jìn)學(xué)生對集中授課知識點(diǎn)的吸收。因此,廣大師生應(yīng)該充分研究課程授課特點(diǎn),將理論內(nèi)容與實(shí)踐案例進(jìn)行科學(xué)整合,形成若干個專題,合理安排時間,組織高水平、高質(zhì)量、高效率的專題研討,從而使得教學(xué)效果更佳。在此過程中,學(xué)生能夠深刻體會到,教學(xué)不是由教師的教和學(xué)生的學(xué)構(gòu)成,應(yīng)該是由師生共同體來完成一門課程的教學(xué)。

      三、優(yōu)化考核方式,加大過程性考核成績比重,提高課程的挑戰(zhàn)度

      挑戰(zhàn)度是指課程要有一定難度,“金課”提高挑戰(zhàn)度的要求使得學(xué)生僅靠期末考試突擊復(fù)習(xí)就能通過一門課程考核的時代成為過去。挑戰(zhàn)度的要求實(shí)際上對教師和學(xué)生均提出了新的要求,教師需要花更多的時間和精力去備課、講課,尤其是各個教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),要保障學(xué)生課上、課下有較多的時間學(xué)習(xí)和思考,聚焦學(xué)生綜合能力的提升。那么如何對學(xué)生的綜合能力進(jìn)行評價?這就要求在各個教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施過程中,不斷進(jìn)行考核,即增加過程性考核,這樣既能督促學(xué)生緊跟各個教學(xué)環(huán)節(jié),不斷思考、學(xué)習(xí),也增加了課程學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度和難度。現(xiàn)代控制工程課程考核由“過程性考核+終結(jié)性考核”構(gòu)成。2015級以前,過程性考核(出勤和作業(yè))成績占總成績的30%,期末考試成績占總成績的70%。自2015級開始,過程性考核成績占總成績的50%,期末考試成績占總成績的50%,其中過程性考核成績由平時出勤成績、平時作業(yè)成績、專題研討成績以及課內(nèi)實(shí)踐模塊成績構(gòu)成。過程性考核增加了教師教學(xué)的工作量,如平時出勤、提問發(fā)言記錄,作業(yè)批改,成績登記,翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)評分,課堂及調(diào)研視頻錄制等。過程性考核的形式多種多樣,并且貫穿學(xué)習(xí)的整個過程,通過不斷的考核督促學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、思考與進(jìn)步,提高了學(xué)習(xí)的廣度、難度和深度以及課程和學(xué)業(yè)的挑戰(zhàn)度。

      四、結(jié)語

      工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下,“金課”建設(shè)勢在必行,大學(xué)教師只有不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、更新教育理念、豐富教學(xué)資源、改變教學(xué)方法,才能真正打造出大學(xué)的“金課”。我校在現(xiàn)代控制工程課程建設(shè)過程中,契合工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求,轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念,整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,豐富以控制工程案例為主線的教學(xué)資源,提升課程的高階性;持續(xù)改進(jìn)教學(xué)手段和方法,采用模塊集中授課、親歷實(shí)踐調(diào)研、控制專題研討等教學(xué)形式,同時輔以問題引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)手段,強(qiáng)化課程的創(chuàng)新性;構(gòu)建更加合理的考核評價方式,不斷提高課程的挑戰(zhàn)度,努力打造特色更為鮮明的“金課”。

      [ 參 考 文 獻(xiàn) ]

      [1] 林健. 工程教育認(rèn)證與工程教育改革和發(fā)展[J]. 高等工程教育研究,2015(2): 10-19.

      [2] 羅勇,劉曉蘭. 工程教育專業(yè)認(rèn)證理念下電子信息類人才培養(yǎng)方案優(yōu)化:以鄭州大學(xué)自動化專業(yè)為例[J]. 大學(xué)教育,2019(8): 24-27.

      [3] 郭恒川,趙國增,王勤. 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的“金課”建設(shè)[J]. 教書育人(高教論壇),2020(21):66-68.

      [4] 李海平,胡志和. 工程教育認(rèn)證背景下“食品安全監(jiān)督管理”課程的“金課”建設(shè)思路探討[J]. 黑龍江教育(高教研究與評估),2021(2):34-35.

      [責(zé)任編輯:周侯辰]

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