以学生为中心的教学理念在教学中的应用

李宗帅 王修岩

[摘要]课题组分析了自动控制系统工程设计课程的特点，根据课程培养目标，合理设置教学内容，并制订了以学生为中心的教学新措施：为了提高学生的工程实践能力，以学生为中心，转变教学思路，采用专题化教学、翻转课堂教学提高学生的积极性，发挥学生的主观能动性;基于CDIO模式进行项目设计，培养学生的工程思维;进行高效的实践教学;基于在线问卷调查，及时反馈学生知识掌握情况;校企合作共建实验室。以上措施，提高了学生的工程实践能力。

[关键词]工程实践;专题化教学;翻转课堂;CDIO;问卷调查

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2019）12-0035-04

随着社会以及教育的不断发展，随着新时代大学生所处环境、所接受教育的不同，社会需求对高校以及高校的教学方法都提出了新的挑战。教学正在逐步地由教师主导型向以学生为主体的方式转变，教师的教学观念也随着悄然地发生改变。计算机的普遍应用、网络的发达、学生获取知识途径的增多，都对传统的教学方式产生了影响，教师应该从传统的填鸭式知识灌输者向引导型方向转变，引导学生学习的方向、正确的价值观、学习的兴趣、培养综合能力的方法等。笔者教授自动化专业学生自动控制系统工程设计课程，结合课程以及学生特点，在以学生为中心的教学理念指导下，开展了教学方法改革的探索与实施。

一、课程性质

自动控制系统工程设计是自动化专业高年级学生的一门专业课，主要任务是培养学生将自动控制专业的相关理论技术知识综合应用，解决实际工程问题的能力。该门课程的典型特点是：很多知识点学生以前都有学习过，关键是聚点成线、综合应用。因此，在实际授课过程中笔者采用了引导式教学，引导学生如何利用图书馆、网络资源自己提出问题、分析问题、解决问题。课程的重点是培养学生的工程思维能力。工程思维能力是工程实践能力提高的根本原因，只有具备了成熟的工程思维能力，有了成熟工程设计指导思想，才可以较好地进行工程实践。

工程思维能力与学术思维能力是有所不同的，图1是二者之间的对比图，图1（a）是从工程思维的角度考虑解决问题的方式，从图中可以看出工程思维解决问题侧重点在于工程目标以及工程上的可实施性，最终需要进行实际的检验使用，在这个过程中还要涉及复杂的工程技术问题，涉及的知识领域比较宽泛，同时涉及工程管理、财务预算、市场分析，等等。

二、课程内容

自动控制系统工程设计涉及的知识领域比较宽泛，除了自动控制领域的相关知识，还涉及工程管理、财务预算、市场分析，等等。因此，对教学内容的设置是课程组教师一个很大的考验。目前，很难找到一本涵括以上知识的教材，并通过不断优化、实践合理设置教学内容，既做到全面又做到深入浅出，以培养学生基本的工程思维能力。然而目前新毕业的学生又在以下工程能力方面有明显缺失：工商业方式方法、管理能力、项目管理方法、质量管理方法、沟通能力、市场原则知识、道德和职业感等。针对以上内容的缺失，笔者为自动控制系统工程设计课程进行了内容设置，如表1所示。

三、教学方法改革策略

（一）“专题化”教学

根据课程以及知识的特点，理论教学环节主要采用“专题化”教学方法，根据课程教学大纲的培养目标，将每个知识模块设计成专题，并将专题问题化，按照“是什么”“为什么”“解决什么问题”的方式展开。该教学方法侧重于引导，能发挥学生的主观能动性。“执行机构”是自动控制系统工程设计中的一个，下面以“执行机构”为例具体说明专题化教学应如何展开，如表2所示。

（二）基于翻转课堂理念的教学

翻转课堂教学法能够调动学生的积极性，充分发挥学生的主观能动性。该门课程是自动化专业高年级学生的专业课，其中很多知识点学生在以前都或多或少地接触过，因此尤其适合使用翻转课堂教学法。

实例：“电梯逻辑控制系统设计”一课。教师课堂上进行简单的讲解，然后出题目让学生按照以前讲过的工程设计的步骤内容进行设计。

题目要求：设计某电梯控制系统。已知：电梯有10层，额定载重1500kg，轿厢自重1000kg，需要电梯运行速度2m/s。（设计内容包括：电力拖动系统、电气控制系统）

要求4人一组，以组为单位来完成，时间是1周。学生利用课下时间来设计完成。完成后每组要在课上进行讲解，如图2所示。学生讲解完后，再通过教师点评、学生问学生、学生问教师三种形式的讨论，加深对系统设计的理解。

（三）基于CDIO的生命周期模型设计控制系统

在课程的最后布置一份大作业，要求学生按照工程设计的思路设计控制系统，但是由于真实的工程设计涉及内容太多，所以要求学生按照“构思一设计一实施一运行”的方式（即CDIO模式）设计控制系统。CDIO模式基本包含了实际工程设计中应该涵括的所有理念。表3是按照CDIO模式设计的控制系统的生命周期模型，但并不是严格按照顺序列出的设计内容，因为很多产品或者系统的设计都是螺旋式开发的，需要很多任务进行大量的迭代，图2所示的这些工作则都必须进行。图2是学生讲解自己按照CDIO模式设计的控制系统。

（四）将MATLAB应用于课堂分析

在进行某些控制理论的講解时，为了更加形象理解参数的变化对于系统的影响，将MATLAB直接应用于课堂教学，采用现场演示的方式，进行系统分析。

实例：在研究控制系统工程设计中扰动通道和前向通道的时间常数、放大倍数以及延迟时间对控制系统的影响时，设计了如图3所示的仿真模型。在改变Kf、Tf、Tf、Ko、To以及π。的值后就可以通过输出曲线观察时间常数、放大倍数以及延迟时间对控制系统的影响。例如图4就是Tf对输出的影响情况。

（五）考核方式和实践环节

科学设计考核内容，考核内容要能够体现课程培养目标的相关要求，并且能够反映不同学生的学习情况。题型既要有评价学生较低层次知识记忆、一般理解能力的填空、选择、简答等题型，又要有评价较高层次理解力、归纳总结和综合应用能力的分析、设计题型。期末试卷中，尽量以能力考核为主，弱化纯记忆性的内容，分析、设计型题目占总分的70%以上。未来计划采取开卷考试的形式，考试内容为按照工程设计思路设计指定的控制系统。

实践环节主要是依据实验室现有的电梯系统、过程控制系统、伺服控制系统、变频控制系统开展实验教学，学生自己设计整个控制系统、编制程序、调试、设计上位机监控系统，并结合理论课内容进行相互验证。如图5所示，学生在进行实验，并且要将自己设计的内容进行讲解。

（六）校企合作

校企合作共建实验室，提高学生的工程能力。根据行业特点和企业需求，将民航特色的装置、系统引入实验室，并根据行业、企业的需求结合课程设置相关的实验内容，让学生在校园内就可以近距离接触行业、了解行业，使教学做到有的放矢。我校与广州白云空港设备技术发展有限公司共建机场地面设备校企合作实验室，充分利用企业的设备优势、生产条件和成熟的研发技术为学生提供良好的实验条件以及校外实训基地。图6是学生到企业实践以及企业赠送的实验设备。

（七）教学反馈

以学校“三回路”质量监控体系为基础，健全课程质量监控机制。除此以外借助问卷星对学生每章结束后的学习情况进行调查，如图7所示。通过调查可以实现两个目的：一是让学生了解自己对该章知识的掌握情况，有哪些不足的地方需要加强;二是让任课教师掌握学生的总体情况。

综上，整个自动控制系统工程设计的总体教学思路如图8所示。

四、总结

通过近两年的教学改革实践，学生对该门课程的兴趣明显增大，教学效果也有了很大的提升，尤其是在分组讲解上，学生表现出了浓厚的兴趣，基本每年都有2～3组学生表现很优秀。总之，教学方法多种多样，但核心都是以学生为中心，目的在于充分调动学生的积极性，培养学生主动发现问题、解决问题的能力。