工程教育认证背景下自动控制实验教学研究

郭 鹏，陈晓雷，仇国庆，蔡 军，张开碧

（重庆邮电大学自动化学院，重庆 400065）

0 引言

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。工程教育专业认证的核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价。[1]

工程教育专业认证的理念：（1）以学生中心。强调以学生为中心，围绕培养目标和毕业要求的达成进行资源配置和教学安排。（2）成果导向。强调专业性教学设计和教学实施以学生接受教育后所得的学习成果为导向，并对照毕业生核心能力和要求，评价专业教育的有效性。（3）持续改进。强调专业必须建立有效的质量监控和持续改进机制，能持续跟踪改进并用于推动专业人才培养质量不断提升[2]。因此毕业要求达成度评价作为实施成果导向教育的重要依据。而在工程教育认证的12条毕业要求中，对“复杂工程问题”的识别、分析和解决能力是最重要的能力。

复杂工程问题源自现代工程的多样性、综合性、多学科融合等特征。2018版公布的工程教育认证标准中，有8条明确地含有“解决复杂工程问题”的要求，就说明复杂工程问题在专业认证中的重要性。

我校自动化专业于2019年通过工程教育认证。由于历史的原因，大多数教师还停留在传统教学方法。即围绕着“三中心”：“课堂中心”“教材中心”“教师中心”进行教学。传统的课堂教学模式往往形成了老师单向灌输、学生被动接受的局面。容易使学生失去学习的兴趣[3]。如何落实“以学生为中心”工程教育的基本理念还缺乏深入研究。评估专家在现场考察时指出我校的自动化专业培养学生的在理解复杂工程问题、解决复杂工程问题的能力还缺乏有效地支撑。

1 我校运动控制实验项目的现状

“自动控制系统实验”是我校自动化专业的专业核心实践类课程，在目前的教学过程中：（1）自动控制系统实验仅被定位于实践教学，实验环节和步骤仍较为简单，过于强调对基础理论的理解和验证，实验内容的综合性、复杂性、设计性不足；（2）自动控制系统实验近年来固定不变，缺乏创新性。

图1 智能小车控制系统综合实验教学平台设计方案

教学团队已充分认识到目前教学环节存在的问题，已经进行了以下持续改进方案：根据我校自动化专业的教学特点，结合我校信息学科优势，借鉴其他高校的经验，以提高学生处理解决复杂工程问题的综合能力为背景，搭建了智能小车控制系统综合实验教学平台，开设主要内容为直流电机为控制对象，以单片机为核心搭建硬件平台，设计控制器，涉及信号检测、系统辨识、控制系统设计、系统调试等知识等综合性研究性实验。后续可指导表现优异的学生参与该方向的课程设计或毕业设计。

2 课程目标

（1）课程目标1：具备自动化专业所需的设计/开发能力和创新意识，在解决自动化工程等领域复杂工程问题时，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等非技术因素，制定解决方案、设计满足特定需求的自动化部件或系统。

（2）课程目标2：能够选择、使用系统仿真、理论分析、实验验证等技术和文献、数据库等资源，运用Matlab/Simulink、Proteus、组态软件等现代工程工具及测试仪表，解决自动化工程等领域复杂工程问题，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

（3）课程目标3：能够就自动化工程等领域复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，并具备一定的国际视野，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

表1 课程目标对毕业要求指标点的支撑关系

3 根据课程目标进行任务分解：运用工程原理，经过分析得到解决方案

（1）目标任务——直流电机以光电编码器为检测装置，通过单片机计算控制量，以实现不同参考速度下的转速调节。

（2）被控对象——必须深入分析直流电机的数学模型才能进行有针对性的控制设计方案。

（3）硬件设计——只有掌握并灵活运用单片机才能完成转速测量模块、数据显示模块、输入模块、电机驱动电路模块等设计。

（4）软件设计——在学习掌握C语言及单片机理论的基础上，与硬件电路相结合，灵活运用编程方法，完成电机转速测量、数据显示、控制参数调节等功能设计。

（5）控制设计——在学习掌握自动控制理论的基础上，通过实验观察到直流电机存在的非线性特性，才能深刻理解线性控制器的局限性，设计分段PID或采用模糊控制等非线性控制设计方法，完成较为理想的控制算法设计。

（6）使用现代工具——实验项目的开发需掌握多种现代工具。开发方面，硬件包括基础的示波器、信号发生器、直流电机、编码器，以及嵌入式MCU调试使用的JTAG、BDM，软件包括Proteus、开发环境Keil、MDK等等；控制算法设计方面包括Matlab/Simulink等。

（7）综合性——涉及电机学、单片机技术、信号检测、自动控制理论、电路设计等多方面的理论技术；所需功能及性能要求涉及元器件选型、经费、制版、调试电路等具体问题；对于完成较好的队伍，后续可考虑结合更为复杂的工程案例作为课程设计或毕业设计选题，如无人机控制、智能车控制、倒立摆控制等。

4 与智能车竞赛相结合，采用学科竞赛驱动式的案例教学设计

我校从2018年，连续3年承办了“恩智浦”杯智能车竞赛西部赛区的比赛。根据承办竞赛的经验，结合工程教育论证的基本理念，将智能车竞赛引入实验教学。即教学与竞赛相结合，有利于培养学生良好的创新意识。学生参与创新的积极性和主动性是最为关键的因素。采用学科竞赛驱动式的教学是以“比赛为主线、教师为主导、学生为主体”的教学方法[4]。是一种赛教结合的教学创新思路。通过顶层设计，将课程知识点从上而下分解，生成知识点清单。围绕这些知识点组织教学。学生在教师的指导下全程参与方案论证、系统设计、动手组装等，实现的全过程、全员参与的活动。是一种开放式的教学形式。培养学生面对工程复杂问题，独立思考、分析问题、解决问题的能力，以及协同合作能力等。同时提高其综合素质，树立终身学习意识。

在实验教学中，要求学生，根据“恩智浦”杯智能汽车竞赛规则，自主设计控制方案，组装智能车，根据竞赛的规则、要求搭建比赛道路场地。在最短的时间内，完成比赛规定的动作要求为胜。智能车竞赛实验项目的设置，完全符合工程教育论证要求的复杂工程问题诸多指标点，主要包括：硬件设计、电子技术、程序编程、单片机应用、车辆运动学、动力学、信号处理、自动控制、图像处理、模式识别等。该竞赛涉及众多基础课程和专业课程，属本专业各知识点应用的综合项目。涵盖了机械、电子、传感器、计算机控制等多学科交叉与融合的科技创意性比赛，主要实验项目由道路识别、图像处理、角度及车速控制等功能模块组成。

将智能车设计引入控制综合实验，作为持续改进环节，其意义在于：

（1）积极培学生的本专业科研工作能力。智能车竞速赛主要是根据智能竞赛组委会事先制定好的智能竞赛的规则，通过学生认真的努力，寻找解决具体问题方案，用时最少，完成竞赛的一种方法。在这过程当中，就要求学生面对复杂工程问题，列出问题清单，对各种问题逐—进行细化与分解，促使学生去积极努力地寻找改进提升自己水平的各种方案来提升自己智能车的比赛的速度。竞赛过程也就是在一个进行科学问题探索思考及实践研究解决问题的一个过程，锻炼培养和充分挖掘发挥了学同学们独立思考各种问题能力的潜力。

（2）有助于提升实验项目的教学效果。学校每年都会举办全校性的智能车竞赛。要求自动化专业的同学都要参加校级及以上比赛。使得每一位学生都有可能够带着各种竞赛问题走进实验教学课堂。在课堂中进行讨论、探索，加深实验教学内容的理解，从而掌握知识要的。

（3）培养学生的自学能力。智能车竞赛涵盖了信息技术、传感技术、电子技术、控制技术和机械等多个学科交叉融合。对自动化专业的学生而言，对智能车设计及控制的知识点较多、完全掌握较为困难，这就要求学生在准备比赛时，查阅相关文献资料，并掌握理解，培养了学生的自学能力。培养具有自主学习和终身学习的意识，养成终身学习的知识基础和自主学习的方法。

（4）培养学生的动手能力。智能车比赛实验项目本身就是一个复杂工程问题，需要自动化专业的学生具备本专业所需的设计/开发能力和创新意识同时，需要综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等非技术因素，制定解决方案、设计满足特定需求的部件或系统。通过智能车比赛这样一个复杂过程系统的学习过程，学生从方案设计、动手制作、系统调试，在系统开发过程中，需要结合自己掌握的理论知识的基础上，及时发现存在的问题，找到解决新方法，不断地迭代。并且不断地更新和完善自己的知识体系结构，从而实现创新[5-6]。

（5）培养竞争意识与合作精神。实验前，组建智能车竞赛小组，实验小组长，根据实验任务，自上而下进行任务分解，分配至实验小组成员，成员之间只有加强沟通、互相信任、团结协作，才有可能圆满完成既定任务。各实验小组之间又存在竞争关系，要完成实验项目，取得好的成绩，项目组之间免不了要进行竞争。

（6）增长见识和提高综合素质。学生通过了解车模制作、布局、参数设置及调试等诸多问题，不断地积累、总结。使得自己的知识不断地积累，不断完善。

（7）培养归纳与总结的能力。在实验完成后，要求撰写实验报告。要求学生对比赛的技术做出必要的归纳和总结。陈述清晰地表达个人观点。

5 结语

本课程改革实践表明，通过对自动控制系统实验进行持续教学改进，在提升学生解决“复杂工程问题”能力过程中，综合考虑了工程知识、经济管理和社会责任等非技术因素，锻炼了学生的工程应用能力，提高了本专业学生在经济、健康、文化、环境和社会责任感等方面的认识。通过实验课程的改革，自动控制系统实验有效提高了学生对解决“复杂工程问题”的能力，达到了自动化专业工程教育认证的毕业要求。本专业毕业的学生社会满意度进一步得到提升。