工程教育专业认证下应用型本科教学改革探讨——以“自动控制原理”课程为例

李庆华，杨瑞田，王升旭

（无锡学院自动化学院 江苏 无锡 214105）

为了适应工程领域人才需求，提高工程教育的质量和效益，与工程领域职业资格制度相衔接，促使我国工程教育人才培养国际化，我国在2005 年开始构建工程教育专业认证体系，并逐步开展专业认证工作。目前已有不少大学的工科专业陆续通过了专业认证，很多应用型高校也正在不断尝试教学改革，希望通过专业认证工作，建立高效的工程教育人才培养体系，提高工程教育质量，提高工程教育人才培养对地方与区域产业的适应性，为高校所在地方和区域提供更多的高素质工程技术应用型人才。

在应用型本科高校教学改革的探索过程中，课程改革无疑是最关键的也是最难的。本文将针对应用型本科教学的特点和要求，以无锡学院（以下简称“我校”）自动化专业开设的“自动控制原理”课程为例，从工程教育“以学生为中心、以成果为导向、持续改进”的三大基本理念出发，在剖析传统教学不足的基础上，以提高教学质量、培养及提升学生学习兴趣、分析问题与解决问题的能力、解决复杂工程问题的意识与能力为导向，对自动控制原理课程的教学内容、教学模式、教学方法、实践教学及考核方式等方面进行研究探讨，为工程认证背景下的应用型本科课程教学改革提供参考。

1 自动控制原理课程教学现状及存在的问题

自动控制原理课程是自动化专业最重要的专业核心课程。通过自动控制原理课程的学习，学生既可以掌握自动控制技术的基础理论和基本方法，又能够获得设计、分析控制系统的基本技术和基本技能。该课程不仅是后续专业课程如计算机控制技术、过程控制系统、运动控制等控制类专业课程的理论及方法论基础，而且关乎学生专业综合技术知识的实践融合效果，对于应用型本科自动化专业培养目标的达成至关重要。该课程理论性强、抽象，需要学生有较好的高等数学、复变函数与积分变换的基础，不易理解，学习难度大。目前我校自动化专业自动控制原理课程的教学学时为56 学时，其中8 个学时为实验学时，学时偏少。该课程的开展包含课堂理论讲授环节及实验箱模拟仿真验证实践环节。学生通过课堂听课，课后完成习题，简单地模拟仿真来掌握课程内容。整个教学过程没有体现“以学生为中心、以成果为导向”的工程教育理念，没有有效的质量监控和持续改进机制。课程的学习过程中学生没有建立整体的系统概念，其解决复杂工程问题的意识与能力没有得到启发和培养，不能将所学对接到实际工程应用中去，理论与实践脱节比较严重。同时，应用型本科学生中也普遍存在着自主学习动力不足，学习能力与自我管理能力参差不齐的状况，这很大可能导致教与学两难的局面，从而导致课程目标难以实现，学生毕业能力要求无法达成。

因此，有效的实施自动控制原理教学改革并不断持续改进、创新，以实现该课程在专业人才培养体系中的作用，最终使学生达成工程教育专业认证的毕业能力要求，不仅是当前应用型本科自动化专业教学面临的重要任务，也是非常值得深入探讨的课题。

2 教学改革探讨

2.1 优化教学内容，以适应应用型本科教学要求

自动控制原理课程理论性强、概念抽象、数学推导与计算繁多，结合无锡学院应用型本科自动化专业培养应用型人才的要求，该课程的教学则需要从应用性出发，同时考虑系统性，使学生在系统思维的前提下，既能学习掌握课程理论内容的精髓，又能从烦琐的公式推导中解放出来，理论与实践相结合，形成工程师思维。因此，非常需要教师梳理自动控制原理课程的内容，选择基本实用的内容进行教学[1]。为使专业课程体系更趋合理，课程组考虑以“系统理念”为主线对课程进行整合，并确保与后续专业课程的衔接和知识点的完整性，增加、压缩和取消相关课程内容。

关于自动控制的一般概念，内容重点介绍自动控制的概念、反馈控制原理、自动控制系统组成和要求。连续线性定常系统的数学模型、线性系统的时域分析方法、频域分析法三部分内容为课程最主要的内容[2]。数学模型部分重点讲解时域模型的一般求解方法、复数域数学模型——传递函数概念与求取、控制系统结构图的变换与通过信号流图求取系统的传递数。时域分析法部分，在建立系统时间响应性能指标概念的基础上，典型二阶系统的分析是最重要的内容，是教学的重点。系统稳定性分析的代数判据部分重点是会用劳斯判据判别系统稳定性。稳态误差计算部分，要在理解控制系统稳态误差概念的基础上会求解典型信号输入下系统的稳态误差。频域分析法部分，频率特性的概念理解是后续奈氏图绘制的基础，是重点讲解内容。典型环节的奈氏图对系统奈氏图的绘制帮助不大，此部分少讲，典型环节的频率特性对后续开展伯德图绘制影响很大，需要多讲。系统奈氏图和伯德图的绘制是重点讲解内容。奈氏判据是分析系统稳定性的图形判据，需要重点讲解，但是从如何应用奈氏判据的角度去剖析，而对于如何得出判据的理论推导部分则不需要过多讲解。系统相对稳定性概念的建立需要通过相角裕度、幅值裕度概念来获得，因此，这部分概念也是学生需要掌握的内容。对于线性系统根轨迹部分，在介绍根轨迹的概念基础上重点讲授常规根轨迹绘制方法，参变量根轨迹部分重点讲解向常规根轨迹绘制方法的转换过程。线性系统校正方法中，从工程应用角度出发，重点介绍基于伯德图的串联校正方法。

2.2 创建多维度的分层教学模式，提高学生学习兴趣，提升教学质量

为贯彻工程教育“以学生为中心”的理念，在专业核心课中培养学生解决复杂工程问题的意识，同时，结合前述课程教学现状，考虑应用型本科高校学生学情特点，从时间、空间、教学手段等维度进行改革，创建多维度的分层教学模式。

从时间和空间维度增加课前预习环节任务，并对预习任务进行难度分层；丰富课后作业形式，对于不同诉求的学生体现难度、广度差异。课前预习环节，主要是在新课开始的前一周通过“超星学习通”平台向学生推送下一次课自动控制系统所需数学基础的知识视频、自控系统基本概念的讲解视频、示例讲解视频、系统综合与设计的示例视频等，并说明难度属于基本内容还是扩展内容，学生可在课堂之外的时间根据兴趣预习并完成预习后的题目。对于课后作业，可根据学生的情况分梯度进行布置，为体现难度和广度分为必做部分和选做部分，必做部分是必须完成，选做部分自主完成。课后作业除了完成教材或讲义要求的习题，增加综合性的大作业。我校自动控制应用技术实验室现有“电机伺服控制系统”自控原理实验台20 套，数学模型和时域分析方法教学内容完成后，可针对电机伺服实验系统开展开环速度系统建模、速度控制和位置控制闭环系统时域特性研究综合内容；根轨迹法、频域分析法和校正方法的教学内容完成后，可开展控制系统校正设计的综合内容，要求学生以2―3 人团队的形式开展综合性作业，一个团队提交一份大报告。

从教学手段维度兼顾传统教学手段的优点同时引入计算机仿真辅助教学。课堂教学中，对于理论性系统性较强的课程，为了加强学生对理论的理解，必要的粉笔板书还是很有效果的。然而，图文并茂的PPT 课件也是很必要的。提前准备好的课件可以减少不必要的书写时间，同时对于一些实际的示例或理论的讲解，图形和必要的文字，或者动图，既形象又准确，使学生印象深刻。因此，传统板书教学与现代的多媒体教学恰当结合，更能有效提高课堂教学效果。根据课堂教学内容的不同，增加课堂讨论和课堂小测验。比如校正设计部分，可以开展关于使系统既能跟踪输入信号又能抑制噪声扰动信号的多种校正方法的讨论，增强学生们对已学内容理解的同时提高学生对课堂学习的兴趣。课堂小测验的开展一方面可以及时检验学生课堂学习的效果，同时也在没有额外占用课堂时间的情况下进行了考勤，掌握了学生课堂出勤的情况。除此之外，在课堂教学中使用MATLAB/SIMULINK 仿真软件，侧重对模拟实验不易实现的教学内容进行仿真演示，并布置一定的综合性课后仿真作业，一方面提高学生学习兴趣，培养其建模、仿真、编程能力；另一方面，培养学生的独立思考能力和自主学习能力。

在课堂之外，为满足学生的差异化学习诉求，录制易错习题讲解视频，重点工程案例讲解视频、课程实验讲解视频等短视频，通过“超星学习通”平台发送给学生，供学生即时学、按需学、重复学。同时，根据课程进度开展课外测验2―3 次，要求学生独立完成测验。通过测验成绩，并结合课堂学习情况，了解学生学习的真实成效。对于成绩不理想、学习有困难的少数学生进行单独辅导，帮助这些学生提高学习成绩。多维度分层教学、单独辅导等课外教学过程充分体现了定制化教学，关注每位学生的学习达成，从而促进课程目标的达成。

2.3 启发式教学法与实例式教学法有机结合，打造“以学生为中心”的课堂

自动控制原理课程理论多、方法多、图形多、数学推导多，教师想教好学生往往是有难度的。传统的以教师为主，学生为辅的填鸭式教学，教师是课堂的主角，学生一直是被动地接受知识，不能体现“以学生为中心”的工程教育理念，也不能取得很好的教学效果。开始一门新的专业课程总要解决“这门专业课程是讲什么内容？有什么用？”这两个问题。我们可以找到合理的切入点，比如数控车床如何按预定的程序自动地切削工件？校园中京东无人驾驶快递车为什么会按预定的路线自动行驶？对大家熟悉的应用领域或科技感较强的生活实例进行设疑，进而抓住学生的好奇心，让学生了解课程能解决什么问题？课程目标是什么？在专业中的意义是什么？后面的学习要求是什么？等问题，从而在后面的学习中可以主动地学、有目的地学。因此在启发式课堂教学中，教师合理设疑，带动学生主动释疑，是调动学生主动思考、调节课堂教学气氛的有效方法。

教师针对教学内容，通过选择合适的工程应用实例，赋予理论物理意义，在引证时结合启发式教学法，合理设疑，引导学生讨论和分析，形成自主学习、探究性学习及合作学习的课堂氛围。学生通过对工程实例的学习，对理论有了准确的理解，对于后面理论的应用也就有了较好的基础。而启发式教学，通过合理设疑，引导学生主动发问，主动思考，学生兴趣浓郁，课堂变成学生为主、教师为辅的课堂。启发式教学与实例教学有机结合，可以很好地体现“以学生为中心”的理念，培养学生解决复杂工程问题的意识，提高教学效果。

2.4 改革实践环节，体现应用型本科院校办学特色

对于应用型本科院校而言，实践教学是达成毕业生毕业能力目标最有效的途径，最体现应用型本科院校的办学特色和“以毕业出口为导向”的工程教育理念。目前我校自控原理课程实践环节为实验箱模拟仿真完成对典型环节、典型二阶系统时域特性、三阶系统稳定性、频率特性等内容的验证，在一定程度上锻炼学生动手操作的技能和分析问题的能力。但是，缺乏对理论与工程实践融合的综合实践能力、自主实践能力、创新能力等多方面能力的培养。

基于我校目前的实验条件并结合未来课程实践的发展方向，建立“实验箱模拟基础性实验+MATLAB仿真综合性设计实验+基于实际电机系统的研究性实验”的实验教学模式。具体为通过我校自动控制应用技术实验室的MATLAB仿真平台增加控制系统的综合性设计实验，基于自动控制应用技术实验室现有的实际的电机对象开发研究性实验，如速度与位置系统校正PID 参数整定、频域法校正实验等。课堂之外，鼓励教师带领学生踊跃参加大学生学科竞赛（比如全国大学生智能汽车竞赛、西门子杯智能制造挑战赛）和大学生创新训练计划等，培养学生的创新意识与自主实践能力。除此之外，我校与无锡知名企业——无锡信捷电气股份有限公司、无锡新松机器人自动化有限公司等共建有产教融合实习实训基地，学生可以到企业参加实训，了解实际生产过程场景、生产过程中相关控制问题的解决方案，也可进入企业导师团队学习、参与项目开发与课题研究，从而开阔视野，提高综合实践与应用创新的能力。

2.5 改革考核方式，加强过程考核，促进课程目标达成

目前我校自动控制原理课程的考核采用了结构评分，分期末考核（占60%）和平时成绩（占40%）两部分，存在一些问题。平时成绩考核方面问题相对突出，比如平时成绩结构组成不科学，学生出勤在平时成绩中比重过高；平时成绩平均化，平时成绩在课程结束后给出，没有学生平时成绩的积分过程，对学生学习过程的约束力不够。此外，平时成绩反馈存在滞后性，学生难以及时和持续地优化自身学习行为，对学生学习过程的正确引导力度不够[3]；教师理念没有转变，教学实际过程中没有切实进行过程考核，过程考核不透明不公开，学生与教师的互动少，教师对学生学情掌握不够准确。

为了全面系统反应教学过程中学生的学习情况与教师的教学成效，并及时形成对教学的反馈和正作用，需要强化对过程的考核，同时由于工程认证的需要，应规范期末考核。改革后，期末考核在课程考核中的占比不变（60%）。期末试卷要严格按照课程大纲的要求命题，各内容分数比例要能匹配课程大纲要求的各课程目标的占比，题型要减少机械记忆性题型，以计算、分析、综合、设计题目为主，重点考核学生分析问题、解决问题的能力，以及解决复杂工程问题的意识。因此，期末试卷的命题需经课题组多次研讨后出题，教学基层组织同时对试卷进行全面审核把关。平时成绩在课程考核中的占比也不变（40%），但改变平时成绩的结构，由课前预习得分、课堂出勤、课堂回答问题（占10%），课程作业（习题作业和大作业各占5%），期中测试（占10%），实验（占10%）环节构成。其中，课程作业、期中测试环节是评价教师教学效果的主要来源和重要依据，教师可以据此了解教学过程中学生的学习效果，一方面用于优化整体教学，另一方面对少部分掉队的学生进行帮扶。实验环节改变以往仅凭实验报告定实验成绩的习惯，从实验的预习、操作、实验报告的撰写等三个过程全流程考核学生，实现对学生实践、分析、应用、创新、文档处理能力的全方位考核。同时，坚持每周实时评估学生平时成绩，并在下一周的第一次课前通过“超星学习通”平台发布给学生，让学生可以及时看到自己学习行为的数据，及时优化自己的学习行为。通过以上方式解决平时成绩结构不合理、平均化、反馈不及时、考核不公开不透明的问题，从而真正落实过程考核，形成对教学的实时跟踪与质量监控，促进课程目标的达成。

3 结语

工程教育背景下，各应用型本科高校都在努力探索如何通过教学改革来提高工程人才的培养质量，以适应地方与区域对高素质工程应用型人才的需求。自动控制原理课程作为应用型本科自动化专业的核心课程，是后续控制工程实践的基础，本文针对无锡学院自动化专业的自动控制原理课程教学现状，从工程教育专业认证的三大理念出发，对该课程的教学内容、教学模式、教学方法、实践教学及课程考核方式等教学环节进行了探讨，并提出了一系列切实可行的课程教学改革思路。通过教学改革，旨在培养与提高学生的学习能力、分析、综合、自主实践与创新能力，解决复杂工程问题的意识，为高素质技术应用型人才的培养提供支撑。