自动化专业“四位一体”的实践教学体系构建研究

刘小河，马 洁，管 萍，付兴建，刘丽华

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192)

自动化专业属于电子信息与电气信息学科专业群，作为当今发展较快和在校生最多的本科工科专业之一，其学生培养质量对发展我国现代电子信息与自动化技术、实现我国信息化带动工业化的发展战略将发挥十分重要的作用。随着我国高等教育的发展，部分地方高等教育已经开始从大众化向普及化转化。面向地方区域经济发展、面向行业应用培养高素质应用型人才，是地方高校本科人才培养的首要任务。随着我国高等教育大众化进程的推进,部分发达地区，例如北京、上海等，高等教育开始进入普及化的发展过程。生源的变化使得过去以精英教育为主导的高等教育人才培养模式已经不能适应目前应用型人才的培养要求[1-3]。

如何在高等教育从大众化进入普及化的背景下探索地方高校应用型人才的培养模式与体系，无疑具有十分重要的现实意义。因此，对地方高校自动化专业应用型人才培养体系进行研究和探索，是当前需要重点研究的课题之一[4-5]。

1 首都高校自动化专业实践教学概况

对于首都地区来说，北京市属高校的生源质量较前些年发生了很大变化[6]。学生的择业需求也从学术型、工程研发型为主开始向技术服务、销售服务型转变。最近几年就业形势严峻，用人单位对应届毕业生的实践能力要求越来越高。因此在强调理论教学的同时，实践教学的地位显得越来越重要。但多数市属高校电气信息类专业培养模式和体系和重点大学的精英教育模式还没有明显区别，这样，一是会造成很多学生学习吃力，难于高质量完成学习目标；二是知识体系主要围绕学术型建立，学生对分析知识学习较多，综合性知识学习较少，不适应企业应用型人才的需要。更为重要的是，教学过程中重视学术体系的完整性，对实践环节的重要地位没有给予充分的重视。尽管近年来一再强调要加强实践环节，但是着力点更多地是在加大实验学时、加大实践环节的学分等方面，而对于实践环节教学体系的研究开展不够，对于实践体系在完成学生能力训练的功能要求研究不够，对专业实践体系如何相互配合达到最佳培养结果较少涉及。

近年来，部分高校实验仪器厂家为了更好推广相关实验仪器，对实验平台进行了精心设计。其优点是便于教师在实验平台上进行实验教学，但其负面作用也不容忽视。其中最大的问题是验证性实验过多的现象还没有完全克服，而实验对象过于理想化的现象又有所凸显。其次，不同课程实验平台相互配合也存在一些问题。因此，建立相互配合、有利于学生能力培养与训练的专业实践教学体系，就有十分重要的现实意义和应用价值。

2 自动化专业实践教学存在的问题

目前，自动化专业实践教学存在的突出问题如下[8]。

2.1 很多实验课程内容仍然没有摆脱验证性为主的格局

很多专业基础课实验教学内容往往按理论课程知识点设计实验内容，这些实验内容与工程应用距离较远，学生缺乏学习的积极性和主动性。例如“自动控制原理”课程，很多学校都采用一类标准的控制原理实验箱，实验箱采用模拟电子系统来代替工程对象，使学生很难对实际的工程控制建立概念。从实验内容的安排来看，实验内容以验证性为主，例如一阶系统、二阶系统的动态特性观察及频率特性的测量等，实验内容仍与传统实验教学内容相同，这尽管对理解课本知识有一些帮助，但是和工程应用还有很大距离。学生做完了这些实验，无法对反馈控制的作用产生深刻理解，无法对控制的三大基本问题——稳定性、动态指标、静态指标如何结合具体的工程设计灵活应用建立概念。这样，尽管学习了知识，做了实验，但是不会对工程中遇到的具体问题进行分析与判断，更难以做出高质量的工程设计。尽管也有设计性实验内容，但往往把原有实验指导书内容稍稍改动，要求学生进行一定的理论计算以备实验对照用，与实际的工程设计要求差别较大，起不到工程设计的训练作用。

2.2 实验课程的实验内容缺乏整体性和系统性

自动化专业的专业基础课及专业课可以分为若干系列课程，例如控制理论及应用系列课程就包含自动控制原理、现代控制理论、自动控制系统仿真、计算机控制系统、运动控制系统、过程控制、先进控制理论等。每一门课程都有相应的实验内容，并且有些课程还有课程设计环节，最后还有自动化专业综合实验，综合进行实践能力的训练。但是各个实验内容往往局限于一门课程的范围，无法将本专业内相互联系的课程内容贯通起来，使学生学习后对控制系统仍缺乏整体概念，知识能力没有得到持续锻炼。

2.3 考核形式单一，要求简单，缺乏对能力培养效果严格要求

各个实验课程考核内容往往比较简单，实验考核形式单一，考核要求不严格，学生不够重视，学生缺乏兴趣和成就感。以我校为例，由于实验考核要求不严格，多数以实验报告或设计报告作为考核的依据。自动化专业学生对实验课程学习积极性普遍较差，实验课前几乎不预习实验内容，不提前设计电路或编写实验程序，实验课上相当一部分学生照抄班级里部分同学所编写的程序或电路设计，实验报告抄袭情况比较严重，认真完成实验的学生较少。综合实验由于设备台套数的限制，只有少数学生认真进行设计后在设备上调试，多数学生扮演了被动观看的角色。因此，实验教学对学生实践能力特别是创新能力和自学能力培养效果不佳。

2.4 大学生课外科技创新活动和课内实践环节结合不够

近些年国家和地方教育主管部门十分重视通过大学生科技活动来提高学生的实践能力和创新能力，学校也尽力创造条件让更多的学生参与到大学生各类科技竞赛活动及创新项目中来。应当说在这些活动中培养了一批动手能力较强的学生，取得不少成绩。但是这些活动往往和课内实践环节结合不够，参与活动的学生数量偏少，很多学生不能将课堂所学知识灵活应用到大学生课外创新活动中去，不会利用专业基本实践技能带动提升课外科技活动的水平，使得课外科技活动的效果受到影响。个别学生甚至脱离专业学习来进行课外科技活动，既影响了课内学习，也不能在科技活动中取得应有的成绩，这是应该给予正确引导的。

由于以上几点原因，必须进行实践教学体系的整体化改革和构建，以提高实践教学的效果。

3 “四位一体”实践教学体系的构建

3.1 实践教学体系构建的目标

实践教学体系构建的目标是：以培养具有创新意识的专业应用型人才为出发点，进行工程教育实践教学体系改革与实践[8-9]。构建思路是：“以电工和控制理论为基础，以计算机为核心，强电与弱电相结合，元件和系统相结合”，结合应用型自动化本科专业人才培养的目标要求，以我校“电气与电机”、“控制理论及应用”等系列课程实际情况，从实践教学体系、实验室建设、课程实验、仿真实验和综合实验、课程设计、大学生课外科技活动等诸多方面进行系统的一体化改革，使系列课程实验前后衔接合理，知识能力培养螺旋式上升，课程建设相互配合。力求创建一套课内实践教学和课外科技实践活动一体化的新体系。

3.2 建立课程实验、计算机仿真设计、课程设计、课外科技创新活动“四位一体”的实践教学体系

根据上述实践教学体系构建的目标，在实践教学上，尝试建立课程实验(基础、综合、高级综合)、计算机仿真设计、课程设计、课外科技创新活动“四位一体”的实践教学体系。

3.2.1 课程实验

在课程实验方面，对课程内容和实验教学安排进行精心设计，注意前后课程实验教学内容、知识和能力的衔接、深化，认真总结实验课教学和集中实践教学环节实施两轮的经验，精选实验课练习题和实践环节专题，特别注重强化基本技能和动手能力上的培养。注重计算机仿真在实践环节中的作用，将计算机仿真作为联系理论和实验、联系各个实验和实践环节的纽带。精心设计课程设计内容，使课程设计在专业实验基础上对综合能力训练起到重要作用。注重将课外科技创新活动与课内实验和实践环节有机结合，课内实验和实践环节为课外科技活动提供坚实基础，课外科技活动为课内实验和实践环节提供生动案例，两者相互促进。

课程实验是实践教学体系的基础，在多年的探索实践中，我们将自动化专业课程实验分为以下几类：

(1) 基础实验。基础实验包含自动化专业核心专业基础课的实验，例如自动控制原理实验、电机与拖动原理实验、电力电子技术实验等。这些基础性实验对课程的依附性比较大，实验的主要目的是通过基础性实验，熟悉自动化专业所涉及控制器设计、能量变换、执行及机电能量转换等部件或设备的设计、使用、特性测量、调试及故障排除方法，为后续专业综合实验打下牢固基础。

(2) 综合性实验。综合性实验包含电力拖动自动控制系统、过程控制、运动控制综合实验。这些实验往往包含一个复杂系统，需要综合运用基本实验所培养的能力和专业基础知识才能顺利完成一个实验任务，这些实验可以为学生进行毕业设计所需实践活动打下坚实基础。

(3) 高级综合研究性实验。高级综合研究性实验包含控制系统半实物仿真、倒立摆控制、机器人控制等。这些实验需要学生具备坚实的计算机(单片机或DSP)软硬件知识，利用先进控制理论知识进行高级综合研究性实验，实验内容具有挑战性，需要学生灵活利用所学知识进行实验设计、制订实验方案、检验实验结果，对学生的能力培养具有很大益处。

在课程实验体系的构建中，注意将基本的控制理论概念和方法(例如PID控制)在各个层次实验中反复应用，体现螺旋式上升认识过程。

3.2.2 计算相仿真

计算机仿真是实验教学体系中一个重要的环节和纽带。我们除了在自动控制仿真实验中系统介绍在Matlab环境下的控制系统仿真实验外，还从基础实验开始，就将计算机仿真作为学生实验的必要工具。在自动控制原理、电机与拖动基础、过程控制、运动控制等课程综合实验及课程设计中，采用Matlab作为工具进行必要仿真，作为实验的前期准备。这可以使学生对模型的重要性体会更深，真正实现自主设计。到了课外科技创新活动时，多数参与的学生达到熟练使用计算机仿真，将仿真作为进行相关设计的工具

3.2.3 课程设计

课程设计是专业实践中的重要环节。我们在计算机控制系统、过程控制、运动控制均安排集中1 周时间的控制类课程设计，和综合型课程实验密切配合。进一步明确先进的课程内容设计和合理的教学安排，注意前后实验教学内容、知识点与课程设计的衔接、深化，注意理论、实践教学的相互配合，实施两轮驱动。

3.2.4 课外科技创新活动

课外科技创新活动是实践教学体系设计中提升创新能力、自主学习和设计能力的重要组成部分。我们将学科竞赛和课外科技活动同传统实践课程相渗透相结合，实现理论课程和实践环节一体化设计，探索实践教学新模式。例如，将智能汽车竞赛、机器人竞赛等与控制原理类相关课程的理论与实践密切结合起来，将这些系统的设计问题引入课堂上以丰富教学内容。为了使广大学生都能参与，要将学生分类对待，对于竞赛和课外科技活动的内容学生可以根据兴趣和自身能力自选或在教师指导下选择。所有学生分组分任务，动手能力弱的学生必须完成最初调研和整体设计部分，包括资料整理、方案论证和软硬件初步设计，实践能力强的学生通过层层选拔进入到最后硬件实现和软件调试阶段，这部分学生才需要实验室的软硬件资源。使多数学生都能参与到实际系统的设计中来，从而可锻炼学生的自学能力和实践能力，又能较好地解决实验室资源紧张的问题。

总之，要建立课程实验、计算机仿真设计、课程设计、课外科技创新活动“四位一体”的实践教学体系，就要以课程实验为基础，以计算机仿真为纽带，以课程设计为重点，以课外学科竞赛和科技活动为补充，在基本能力方面反复训练，在知识使用、能力训练方面注意相互配合，使能力培养过程螺旋式上升，达到学生实践能力获得根本提高的目的。

4 实践效果

几年来，我校自动化专业控制理论系列课程教学团队致力于实践教学体系改革研究，做了许多工作，取得一定效果。“控制理论及应用”系列课程教学团队由理论教学和实践教学教师组成，研究方向属于复杂非线性系统的建模、分析与控制、电机与电器、电力电子技术等学术方向，具体进行非线性系统控制与鲁棒控制，智能控制、电机与控制、电力电子系统、系统辨识与故障检测、工业过程控制等方面的研究。具有一批高水平学科实践平台，对专业平台建设具有很好的引领和提升作用。

在实践教学改革过程中，我们发挥教学团队优势，进行大“自动控制原理”、“电机与控制”系列课程建设和实践环节改革，对先修、后续课程进行梳理，将控制理论及应用系列课程进行分类建设。其基本思路是“整体构建、闭环监控、强化实践”，体现了鲜明特色。具体做法是“专业基础课求精，专业课求新，知识面求广”。将团队所涉及课程、实验及实践平台建设成为自动化专业和电气工程专业的主要支撑，体现应用性、高水平的鲜明特色。争取更多国家级、省部级和企业合作项目，不断提高科学研究水平，使科研平台建设、学科建设、特色专业建设与实践教学质量提高相辅相成、互相促进、共同提高、持续发展。

经过多年建设，我校自动化专业教学改革方面取得了一些显著成绩：

(1) 由清华大学主持、我校作为主要参加单位之一完成的项目“我国高等教育自动化专业人才培养面临的新问题与对策研究及实践”，2009年9月获第六届国家教学优秀成果一等奖，2009年3月获北京市高等教育教学优秀成果一等奖。

(2) 2010年，我院“电机与拖动”被评为北京市精品课程。2011年，“控制理论及应用”系列课程教学团队被批准为校级优秀教学建设团队。2009年—2013年，出版教材4部，其中“自动控制原理”为教育部自动化教学指导分委员会牵头规划的工程应用型自动化专业系列教材之一。

(3) 完成北京信息科技大学教学教改项目“自动化专业的自动控制系列课程建设研究”，获2008年度校级教育教学成果二等奖；北京信息科技大学教学教改项目“应用型自动化人才培养模式与体系研究实践”、 “电机与拖动精品课程建设”，获2012年度校级教育教学成果二等奖。

(4) 我校自动化专业2008年被评为北京市特色专业建设点，2009年，自动化专业成为国家级特色专业建设点和校级创新人才培养试点专业。2012年又进入全国第二批“卓越工程师”计划试点高校。

以上课程改革和实践教学改革的做法和成果曾多次在自动化、电子信息类全国性教学经验交流会介绍，得到较好反响。

5 结束语

工程教育面临新的挑战和发展机遇，现有的教育教学模式必须快速地做出调整，一方面，应该加强专业基础理论知识的教学，打下牢固的专业理论基础，使更多的学生有机会进一步深造；另一方面，应该培养一批动手能力强，具有创新意识的应用型人才，使其能够更好地适应社会的需要。如何突出我校自动化专业的办学特色、加强专业建设、创建应用型人才培养的控制系列课程理论教学与实践教学一体化改革与实践，是我们需要继续深入研究和探索的课题。

[1] 王孙禺，范静波.中国工程教育生源状况实证研究[J].高等工程教育研究,2010(6)：65-71.

[2] 王伯庆.工程专业生源及新生适应性分析[J].高等工程教育研究,2013(6)：33-39.

[3] 余寿文.工程教育发展的目标与分类分层推进的策略思考[J].高等工程教育研究,2013(6)：6-12.

[4] 杨玉海.地方高校人才培养模式的构建[J]. 河南理工大学学报:社会科学版,2010(2):233-236.

[5] 苑迅,郭辉,秦昌明.地方高校应用型人才培养与实践教学体系构建的探索与实践[J]. 实验技术与管理,2011，28(8)：1-4.

[6] 姚林修.影响北京市属高校招生规模的若干因素分析[J]. 首都师范大学学报:社会科学版，2011(3)：144-148.

[7] 杨少武，李化树.大众化阶段高校学生就业问题解决的创新研究[J]. 文史博览:理论，2012(1)：65-67.

[8] 刘小河，马洁，管萍,等.控制类教学团队和系列课程建设的实践与思考[J]. 工业和信息化教育，2013(4)：28-32,37.

[9] 马洁，刘小河，付兴建,等, 理论教学和实践教学一体化模式探究[J]. 实验技术与管理，2013，30(11)：172-175.

[10] 马洁，刘小河，申闫春.自动化专业应用型人才工程教育培养途径探索[J].电气电子教学学报，2009(31)：29-32.

[11] 马洁，刘小河.自动化专业的自动控制系列课程教学构想[J].黑龙江省高教研究，2007(2):141-144.

[12] 刘小河. 应用技术主导型自动化专业课程体系的构建与思考[G]//国际自动化教学学术年会论文集.长沙：2006.