案例式教学模式下卓越工程师人才培养改革探索——以重庆科技学院自动控制原理课程为例

苏盈盈，胡文金，王晓峰

案例式教学模式下卓越工程师人才培养改革探索
——以重庆科技学院自动控制原理课程为例

苏盈盈，胡文金，王晓峰

卓越工程师教育培养计划是中国高等教育工程专业认证的前驱工作。如何在当前教学模式下，有效地加强学生工程实践能力的培养，是亟待解决的问题之一。以重庆科技学院自动化专业的专业理论课自动控制原理课程为例，突破以往的教学大纲模式，按照课程目标体系中各知识点的关系，将其有机地融合为多个实际工程案例，从教学内容、教学思路、教学手段等方面阐述案例式教学模式，实现了卓越工程师培养中理论课程教学模式的转型。

自动控制原理；案例式；卓越工程师；人才培养；改革

教育部“卓越工程师教育培养计划”是高等教育服务国家特色新型工业化道路发展的重要举措。高等教育将向工程型教育转型，主动服务行业企业的需求，改革工程教育人才培养模式，提升学生的工程实践能力、创新能力和国际竞争力［1］。

近年来，重庆科技学院自动化本科专业被纳入国家卓越工程师计划项目，其所属的控制科学与工程专业也被确定为重庆市“十二五”规划的市级重点建设学科之一，目前正在积极申报重庆市特色专业。在机遇与挑战并存的契机下，自动化专业卓越工程师培养计划从课程设置、学生考核方式、校企合作以及学生创新项目等方面进行了变革，探索了卓越工程师人才培养模式的改革方式。以专业基础课自动控制原理为例，案例式教学改革是目前正在探索的一种新的教学模式。

一、自动控制原理课程存在的问题

自动控制原理课程具有理论性强、概念抽象、工程实用等特点［2］。学生在学习初期，普遍能够认识到课程的重要性，也具有较高的学习热情和积极性。

随着课程的推进，由于自动控制原理课程涉及很多数学知识，如拉普拉斯变换、时域分析、根轨迹、频域特性等多种数学运算，使其变成了数学课，包含了各种公式的推导、定理、定义及性质等枯燥乏味的教学内容。为了抓住学生的注意力，授课教师多以例题的形式，通过对问题的求解，加深学生对知识点的认识。但由于课时有限，教师没有时间还原实际的控制问题，例题大多是抽象出来的数学问题［3］，如RC电路被抽象为一阶传递函数、电动机的转速系统被抽象为二阶传递函数。由于例题与实际控制对象有所差别，学生无法将所求解的问题与实际控制对象的稳定性、快速性、准确性有效地联系起来。课堂学习积极性不高，理论与实践脱节，所学知识不能在有效的时间内被消化、吸收，无法解决实际的控制系统分析与设计问题。

在自动化卓越工程师人才培养中，重庆科技学院不再单独开设自动控制原理课程的前期基础课——复变函数，而是将现有的自动控制原理课程从原来的56学时增加为80学时。自动控制原理课程的授课教师负责讲授复变函数，知识点仍然包括复数及其性质、拉普拉斯变换、Z变换、傅里叶变换等［4］。以工程实现的角度引入复变函数知识点，使学生接受知识点的重要性和工程价值，并在工程中还原这些理论方法的意义，让学生体会到技术的掌握离不开理论的学习，从而消除他们对枯燥数学的厌烦情绪。

重庆科技学院以自动化卓越工程师培养为目的，通过设计教学案例，以工程讲解的教学理念和方法，加大理论与实际结合的案例讲解过程。将理论知识工程化、实例化，使理论知识与工程相结合，在工程中学习理论知识，打造应用型本科人才，培养学生具有显著的工程实践能力，为卓越工程师培养提供新的教学模式。

二、案例式教学模式的教学框架及需要思考的问题

案例式教学框架如图1所示。首先，深入各个兄弟院校进行卓越工程师培养计划、实践计划和人才培养方案调研，掌握第一手资料。其次，组织重庆科技学院自动化专业的优秀骨干教师开展讨论，明确各章知识点，设计符合学生接受能力的案例库主体问题，完成案例库的设计、实现MATLAB的编译过程、设计课堂提问等具体环节。再次，组织校内外专家对重庆科技学院自动化卓越工程师案例式教学内容进行评审，讨论该方案的可行性、可操作性以及有效性等方面。最后，将制定好的计划应用到自动化专业中，通过实践进行检验。经过这一系列扎实有效的工作，形成思想成熟、计划合理、方案可行的卓越工程师案例式教学模式。

案例式教学模式下，教师需要思考以下4个方面的问题。一是，如何在有限的课时范围内，分配理论讲解和实践案例教学的时间。二是，理论知识讲解什么内容、讲到什么程度，既能满足学生在案例工程中的应用，又能激发学生的自学兴趣。三是，案例安排到什么难度，既能满足教学需要，又能让学生透彻理解、熟练运用知识。四是，如何安排各案例之间的关系。

图1 案例式教学框架

三、案例式教学模式下的教学手段——虚拟仿真软件

20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB软件。它是由美国MathWorks公司［5］发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。

自动控制原理课程以操作简单的虚拟仿真软件MATLAB为授课手段，在符合教学大纲对实验知识点要求的基础上，重新设计与实际控制对象一致的、新的仿真实例。通过直观的仿真效果图，可观察到控制系统参数的改变对系统的稳定性、平稳性、快速性的影响，有助于学生快速理解和掌握方法的实际应用价值及意义。对于根轨迹、频率特性等比较抽象的控制系统性能分析方法，通过MATLAB仿真软件更是可以轻松绘制，有助于学生自我验证手绘图形的正确性。改革后的教学模式，实验操作简单、直观有效、方便后续控制算法的开发，同时有益于满足自动化专业本科毕业设计对MATLAB软件的需要。

四、案例式教学模式下的教学内容

（一）梳理各章的重要知识点，还原易于学生理解的实际问题

根据教学大纲的内容，确定各章需要学生掌握的重要知识点和难点。以此为理论依据，通过查阅资料、书籍等，调研企业，围绕各知识点进行扩展，将其还原到石油、化工等行业的具体控制对象中，找到与书本知识相符合的实际具体问题，并将其作为各案例的问题来源。

（二）根据本科学生的学习能力，编写符合教学实际的案例

围绕已找到的实际控制问题，反复推敲，建立符合教学时间、教学规范的案例库。通过这些案例，学生能够在实际问题中掌握各个知识点，快速地举一反三，推广理论的应用价值。

（三）探索案例式教学的教学方法、教学手段、教学计划等具体实施过程

案例式教学还原了实际问题，教师需要对教学时间的安排、各知识点讲解程度的把握、问题的设计、如何启发学生对问题的再思考等进行具体的设计。

（四）利用虚拟现实软件MATLAB，编译案例的仿真实现过程

由于案例还原了实际的控制问题，在有限的教学时间内，增加了对问题本身的描述时间。因此，以虚拟仿真软件MATLAB为平台，编译程序代码，使学生能够通过图示化窗口，快速直观地观察控制的效果。学生还可以在课后对控制问题进行自我加工、设计和再控制，有助于提高学生的创新能力。

（五）应用验证，对案例的难易程度进行微调

在教学规范下，进行案例式教学，根据学生的理解程度和兴趣，收集学生对案例式教学存在问题的建议，修改和完善案例的难度和厚度。

五、结语

以案例式教学替代单一的理论及实验教学，丰富了课堂教学内容，充分提高了学生理论联系实际的能力，极大地促进了学生的学习热情，结合知识与实际的复杂工程问题，充分体现了知识就是生产力的高级教学目标，为培养理论联系实际的卓越工程师提供了有力的教学支撑。

[1]林健.面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）.

[2]李明大，刘小河，管萍，等.“自动控制原理”教学改革探索[J].教育教学论坛，2016（16）.

[3]李斌，黄建明，谢昭莉，等.“自动控制原理”课程改革思考[J].电气电子教学学报，2016（3）.

[4]郭爱文，余亮英.“自动控制原理”在核工程与核技术专业教学中的探讨[J].中国电力教育，2014（9）.

[5]牛慧芳，孟青，臧俊斌.MATLAB在自动控制原理课程教学中的应用[J].中国教育技术装备，2016（14）.

（编辑：刘姝）

G642.0

A

1673-1999（2017）02-0121-03

苏盈盈（1982—），女，博士，重庆科技学院电气与信息工程学院副教授，研究方向为复杂系统建模、优化及故障诊断；胡文金（1965—），男，硕士，重庆科技学院电气与信息工程学院教授，研究方向为过程控制；王晓峰（1980—），男，博士，重庆科技学院数理学院副教授，研究方向为图像检测与识别。

2016-10-17

重庆市教育教学改革重点研究项目“面向大学之道的教研室‘活动’运行模式优化与实践”（0824094）；重庆市研究生教育教学改革研究一般项目“面向企业需求的研究生校外工程实践能力培养及监管机制研究”（YJG153008）；重庆市研究生教育教学改革研究一般项目“应用科技大学背景下工科研究生数学教学和实验体系的工程化、实用化、特色化改革与实践”（YJG133032）；重庆科技学院研究生教育教学改革研究一般项目“面向企业需求的研究生校外工程实践能力培养及监管机制研究”（YJG2015Y002）；重庆科技学院本科教育教学改革项目“面向自动化专业卓越工程师培养的案例式教学改革与实践”（201428）。