工程教育专业认证背景下控制类课程群体系构建与实践

鲁春燕 李 炜 刘微容 王志文 蒋栋年

工程教育专业认证背景下控制类课程群体系构建与实践

鲁春燕1,2,3李 炜1,2,3刘微容1,2,3王志文1,2,3蒋栋年1,2,3

（1. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州 730050；2. 甘肃省工业过程先进控制重点实验室，兰州 730050；3. 兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心，兰州 730050）

依据工程教育专业认证标准，结合兰州理工大学自动化专业人才培养模式，探讨控制类课程群体系构建与实践。围绕毕业要求能力达成，首先构建“控制理论与工程实践”课程群，明确各课程对毕业要求能力达成的支撑关系；进而制定更新课程群能力型课程目标；最后重组优化课程群教学内容，有机融合课程群所承载的知识、能力与素质，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维能力。实践证明，“控制理论与工程实践”课程群对自动化专业学生能力的提升收效显著，对其他工程类专业核心课程群的构建与实施有一定的示范与推广意义。

工程教育专业认证；控制理论与工程实践；课程群；构建

0 引言

2016年6月中国正式加入《华盛顿协议》，标志着我国工程教育认证体系实现了国际“实质等效性”。当前，工程教育专业认证已成为各大高校一流本科专业建设的重要标准，成为新一轮高等教育改革的热点[1-6]。按照工程教育专业认证标准，高校在工程专业人才培养中应秉承“以学生为中心、成果导向和持续改进”的工程教育理念，转变传统人才培养思维，探索多学科交叉融合的工程人才培养模式，重构专业课程体系，提升工程人才的综合创新能力和创业能力，培养能够解决复杂工程问题的应用型工程技术人才[7]。

课程体系及课程是人才培养的主要载体，是专业人才培养方案的核心内容，关系到人才培养目标的实现和专业培养标准的落实[8]。传统的课程建设仅考虑单门课程的教学内容和教学效果，容易造成资源的重复建设和浪费[9]。课程群建设是以多门相互关联课程为基础，更关注课程之间的综合发展和整体效率，采用结构体系化改革方式，对各门课程的教学目标、教学内容和教学方法等进行一体化重整优化，为学生的知识能力结构塑造和综合创新能力培养提供有力保障，是进一步提高人才培养质量的重要支撑。

自2015年以来，兰州理工大学自动化专业贯彻工程教育理念，以能力产出为导向，通过重构专业培养目标和毕业要求，变革课程教学目标、教学内容和教学模式，补足闭环评价方法，探索建立起了基于成果导向教育（outcome based education, OBE）的自动化专业人才培养新模式[10]。在此背景下，“控制理论与工程实践”课程群教学团队先后从课程体系、目标、内容等方面开展了有效的探索与实践，为自动化专业人才培养积累了不少成功的经验。

1 课程群体系构建

1.1 课程群概况

我校“控制理论与工程实践”课程群包括自动控制原理、现代控制理论、过程控制基础+过程控制综合训练及控制系统计算机仿真，共计4门课程、5个独立开设的教学环节，该课程群是我校“红柳特色”国家一流自动化专业的学科基础与专业方向的核心支撑课程。

1.2 构建能力导向的“6443”课程群体系

围绕我校自动化专业学生毕业要求的达成，贯彻工程教育OBE理念，按照循序渐进的学习原则，采用课程群支撑方式，以现代控制系统建模、分析、设计、优化的能力为核心，构建“6个毕业要求-4类系统-4门课程-3种模式”能力导向协同递进培养的“6443”课程群体系如图1所示。具体包括：工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、个人与团队6个毕业要求；单输入单输出控制系统（single input single output control system, SISO-CS）、多输入多输出控制系统（multiple input multiple output control system, MIMO-CS）、数字孪生控制系统（digital twin control system, DT- CS）、实际复杂工程控制系统（engineering control system, E-CS）4类控制系统；自动控制原理、现代控制理论、控制系统仿真、过程控制基础4门理论课程；模拟实验、数字仿真、综合训练3种实践模式。

图1 “6443”课程群体系

其中：学科基础课“自动控制原理”，理论授课66学时+模拟实验8学时+仿真实验6学时，着重解决单输入单输出控制系统的原理、建模、分析与综合的问题；专业核心课“现代控制理论“，理论授课36学时+模拟实验4学时，着重解决多输入多输出控制系统的原理、建模、分析与综合的问题；专业必修课“控制系统计算机仿真”，理论授课16学时+项目仿真实践16学时，着重解决学生利用现代工具仿真模拟设计各类数字孪生控制系统的问题；专业核心课“过程控制基础+过程控制综合训练”，理论授课48学时+工程系统训练2周，着重解决流程工业复杂工程控制系统的建模、设计、优化等问题。同时，在课程群思政建设中，坚持知识传授与价值引领相结合，挖掘梳理各门课程的思政元素，分别从核心价值、师德风范、工程伦理等方面进行教学设计，紧密融合课程专业知识教育与思想政治教育，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，充分发挥各门课程的育人功能。

1.3 构建课程群对毕业要求的支撑关系

“6443”课程体系中4门课程5个环节着眼于不同层面的系统，依据“核心支撑、交叉互补、分层递进”的原则，构建课程群对毕业要求的支撑关系见表1，该课程体系不仅为自动化工程实践提供了坚实的理论框架和知识体系，更确保了学生在复杂控制工程问题的模型建立、系统分析、算法设计和深入研究等方面能力的有效达成。

表1 “控制理论与工程实践”课程群对毕业要求的支撑关系

注：☆表示核心支撑，√表示交叉互补。

2 课程群教学目标重构

为确保毕业要求与课程群之间的支撑关系达成，教学团队认真梳理产业发展新需求，依据“理解-应用-分析-评价-创新”循序渐进的学习原则，制定更新了课程群17条能力型课程目标见表2。

表2 “控制理论与工程实践”课程群各门课程的课程目标

从表2所列课程群课程目标可以看出，相较于传统的知识型课程目标，新的课程群课程目标将原来笼统模糊的知识型目标提升为具体准确的能力型目标，实现从知识传授到能力培养和素质固化的转变，不仅强调基础知识的掌握与理解，更为重要的是强化应用、分析、评价和创新能力的培养，为课程教学过程与改革和达成情况评价指明了方向，也为学生确立了明确的能力目标。

3 课程群内容重组优化

依据新的课程目标，为确保“6443”课程体系能力目标达成，教学团队保留重构“机理-建模-分析-设计”等9个能力型经典模块，有效整合4类系统的冗余教学内容，坚决摈弃不符合技术进步和行业发展要求的陈旧内容，动态增补符合产业发展新需求的前沿性和时代性现代控制技术内容，合理增加课程内容难度，适度拓展课程内容深度，有意识地延续、交叉、递进培养和练就解决复杂控制工程问题的能力和高阶思维能力。课程群主要内容重组与优化见表3。

在课程群中冗余的教学内容方面，比如：①响应曲线建模法，“自动控制原理”仅在一阶系统动态响应中，以逆向引导的方式予以建模应用，重点由“过程控制基础+过程控制训练”从理论方法到工程系统予以深度完成；②复杂系统解耦，“现代控制理论”重点解决理论方法层面的对角解耦、前馈解耦等问题，更为实用的变量匹配解耦则由“过程控制基础”完成。课程群内容的优化融合与整合，既保证了经典内容的精良保留，也为先进内容的引入留余了空间。

在前沿性和时代性现代控制技术内容的补充方面，比如：①“自动控制原理”引入了系列工程案例“计算机磁盘驱动器”和鲁棒比例积分微分（proportional integral derivative, PID）控制；②“现代控制理论”延伸了最优控制与估计的思想；③“过程控制基础”拓展了推理控制、预测控制等先进控制方法；④“控制系统计算机仿真”则扩充了新工具箱的使用，尤其是陆续增补了人工智能、大数据与信息物理系统深度融合的新理论、新技术与新 方法。

表3 “控制理论与工程实践”课程群主要内容重组与优化

4 实践效果

经过6年的探索与实践，课程群各课程目标与毕业要求达成情况一致，表明学生均能有效达成所要求的能力，并呈持续上升态势。由于递进培养了学生解决复杂工程问题所需的系统原理、数学建模、性能分析、综合优化、实现方式、测试手段、仿真工具、调试技能及团队协作等方面的能力，使学生在多种学科竞赛中成绩突出（“西门子”杯中国智能制造挑战赛、“AB杯”全国大学生自动化系统应用大赛中先后获得全国特等奖1项、一等奖6项、二等奖7项、其他分赛区一、二等奖达40余项），得到了在校生和毕业生的一致好评。各课程近三年目标达成情况如图2～图6所示。以“自动控制原理”课程为例，观察图2可以看出，各课程目标均能达成，实现了对学生相应能力的培养。同时，各课程目标达成情况不均衡，2019秋与2018秋相比，课程目标1、2达成情况明显上升，2019秋该课程成绩达到近几年最好状态，虽是持续改进有了成效，但考题类型与以往相似度高也是值得反思的因素。因此，在2020秋考试题目类型调整中，针对课程目标5（控制器设计与优化）的题目做了明显变化，故而课程目标5由2019年的0.694下降至0.589，下降了0.105，致使其勉强达成，这也印证了反思的合理性，同时也更真实地反映出学生课程能力目标达成情况，在一定程度上避免了由于试题同质化，仅凭“记忆性知识”产生的课程能力目标达成情况的虚假性。

通过横向对比图2中的5个课程目标可以发现，课程目标2、4、5达成情况较低，尤其是课程目标5，因此在今后的教学过程中，课程组将持续丰富线上教学资源，提高线上自主学习的实效性，提高自主学习内容的针对性，强化线下课堂重点讲解内容，进一步优化教学模式；针对课程目标5，加强内容讲解的深入浅出、强化模拟实验和仿真实验对教学内容的验证，综合教学过程中各个环节对该目标的支撑和能力达成；加强学情分析，重点关注各教学班级暂时落后学生的学习情况，以期实现整体达成目标；在课程结束后，将每位同学的课程目标达成情况计算结果反馈至学生本人，以指导学生有针对性地对自身能力进行持续改进。

图2 “自动控制原理”近三年目标达成情况

图3 “现代控制理论”近三年目标达成情况

课程群建设过程中，“自动控制原理”课程先后成为校级双语与混合等教学示范课程、甘肃省精品资源共享课程、甘肃省本科一流课程，并被推荐申报国家一流课程，“现代控制理论”课程遴选为省级一流课程，其余课程均进入校级本科一流或重点课程，课程群建设水平在学校乃至省内、国内均产生了较大的影响，示范意义强。

图4 “过程控制基础”近三年目标达成情况

图5 “过程控制综合训练”近三年目标达成情况

图6 “控制系统计算机仿真”近三年目标达成情况

5 结论

本文围绕兰州理工大学自动化专业学生毕业要求的达成，构建工程教育专业背景下“控制理论与工程实践”课程群的OBE教学体系，探索形成层次递进、交叉融合、协同优化的能力导向“6443”体系结构，有机融合课程间知识、能力与素质目标，重组内容精良、技术先进的课程内容，优化控制理论知识结构，递进协同培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维能力，提高自动化专业教育质量，增强自动化专业人才培养对产业发展的适应性。

[1] 林小英, 徐升, 刘志鹏, 等. 基于工程教育认证背景下课程教学改革探析[J]. 高教学刊, 2022, 8(6): 136-138, 142.

[2] 谭伟, 杨浩森, 田铁. 工程教育专业认证下的测试技术课程教学研究与改革[J]. 大学教育, 2021, 10(12): 58-60.

[3] 李擎, 崔家瑞, 杨旭, 等. 面向工程教育专业认证的自动化专业持续改进[J]. 高等工程教育研究, 2019(5): 76-80, 96.

[4] 施晓秋. 遵循专业认证OBE理念的课程教学设计与实施[J]. 高等工程教育研究, 2018(5): 154-160.

[5] 陈斌, 周怡琳, 林雪燕, 等. 面向工程教育专业认证的现代控制理论高新课教学改革研究[J]. 高教学刊, 2021,7(25): 128-131.

[6] 杨慧, 闫兆进, 慈慧, 等. OBE驱动的工程教育课程教学创新设计[J]. 高等工程教育研究, 2022(2): 150-154.

[7] 郭琳, 杨维明. 新工科和工程教育专业认证下的信号与信息处理课程群体系构建[J]. 长江信息通信, 2022, 35(3): 235-237.

[8] 林健. 新工科专业课程体系改革和课程建设[J]. 高等工程教育研究, 2020(1): 1-13, 24.

[9] 王丽, 王威, 张杨梅. 新工科背景下信号与信息处理课程群构建[J]. 高教学刊, 2021, 7(8): 65-68.

[10] 刘微容, 刘朝荣, 李炜, 等. OBE模式下控制课程群闭环支撑体系建设与实践[C]//2015年全国自动化教育学术年会, 西安, 2015: 568-572.

Construction and practice of control curriculum group system under the background of engineering education certification

LU Chunyan1,2,3LI Wei1,2,3LIU Weirong1,2,3WANG Zhiwen1,2,3JIANG Dongnian1,2,3

(1. College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050; 2. Key Laboratory of Gansu Advanced Control for Industrial Processes, Lanzhou 730050;3. National Demonstration Center for Experimental Electrical and Control Engineering Education, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)

According to the professional certification standard of engineering education and the talent training mode of Automation major in Lanzhou University of Technology, the construction and practice of control curriculum group system is discussed in this paper. Firstly, the course group of “control theory and engineering practice” is constructed around the achievement of graduation required ability, and the supporting relationship of each course to the achievement of graduation required ability is determined. Secondly, the ability-based course objectives are formulated and updated for the control technology curriculum group. Finally, the teaching content of the course group is reorganized and optimized, and the knowledge, ability and quality carried by the course group are organically integrated to develop students’ advanced thinking ability and comprehensive ability of solving complex problems. Practice has proved that the course group of “control theory and engineering practice” has achieved remarkable results in improving the ability of students majoring in automation, and has certain demonstration and promotion significance for the construction and implementation of other core courses of engineering majors.

engineering education certification; control theory and engineering practice; curriculum group; construction

教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会教改研究项目（2019A18）

甘肃省高等学校教学质量提高项目（甘教高函[2021]16号）

甘肃省2020年省级一流本科课程建设项目（甘教高函[2020]47号）

兰州理工大学红柳一流课程建设项目（兰理工发[2019]213号）

兰州理工大学高等教育研究项目（GJ2021C-10）

2022-06-29

2022-08-31

鲁春燕（1976—），女，宁夏中宁人，副教授，主要从事控制理论与控制工程方面的研究工作。