基于工程案例的系列课程团队教学新模式

李兴玮 曹聚亮 白圣建 何晓峰 冯国虎

(国防科技大学 智能科学学院,长沙 410073)

系列课程的划分已经不是一个新的概念,团队教学的思路也已经有了一段时间。但系列课程的现行团队教学模式上还是存在一定的问题。首先,所谓的“系列课程”只是从专业角度的划分上来说是属于同一个学科系列,并没有从教学的角度将系列课程贯穿起来,并形成有机的整体。目前,系列课程中的各门课程依然相互独立,相互之间没有密切的联系。其次,所谓的“团队”教学主要还是停留在狭隘意义的“团队”上,即停留在某一门课程的团队教学上。也就是说,目前的“团队”教学主要还是某一门课程的小团队教学,并未形成真正意义上的系列课程的大团队教学局面。所以,“系列课程的团队教学”并未被赋予名副其实的内容。

此外,随着素质教育的不断深入,对学生实践能力的要求也在不断提高[1],目前还是主要关注学生在某一门课程上的动手能力[2],而不是基于系列课程中的所有课程知识的运用能力。因此,能否将系列课程的团队教学融为一体,形成基于案例的“贯穿式”的教学模式,使学生真正从全局的角度把握系列课程中的所有课程知识,以达到培养学生的创新思维、提高学生的综合实践运用能力的目的呢?本文就此展开研究工作。

1 系列课程的团队教学新思想

在多年的本科课程教学实践中,我们逐步意识到:所谓的“系列”课程不能只停留在专业角度划分上的“系列”意义,必须从学生专业知识体系构建的角度形成共性的、用以区别于其它系列课程的内容体系;系列课程中的各门课程也不应该是一种松散的结合,而应该是在教学方法和教学手段上的紧密结合。系列课程的教学团队也应该有其具体的、公共的亮点,这不仅包括教材、教案的内容、风格、模式等,也包括试验单元的相互联系与统筹规划,还包括教学过程中的组织、试验的实施等相关内容。

根据“控制科学与工程”自动化专业系列课程的具体特点,基于将理论教学与实验教学融为一体的教学理念,遵循突出工程应用特色的原则,提出了以一个脱密并改进的导弹控制系统为案例,将大学该系列主要课程的主要内容、知识点、实验单元有效连接和贯通的系列课程创新教学新模式。

1.1 强调与“控制系统”的紧密结合

“控制科学与工程”自动化专业系列课程的核心是“控制”,控制的对象则是“系统”。如何落实“控制”,当然主要靠“控制器”的设计和实现,但“控制器”的设计和实现又与控制对象“系统”的特性密切相关。因此,应该强调教学内容与研究对象“系统”的紧密结合,让学生明白到底什么是控制系统、什么是被控系统、我们日常生活中常见的控制系统是什么样子、被控系统是什么样子。为了增强对研究对象的感性认识,我们以一个脱密并改进的导弹控制系统为例,对典型的控制系统进行详细介绍。

1.2 实验教学与理论教学融为一体

考虑到“控制科学与工程”自动化专业系列课程的实践性,坚持理论教学和实验教学相结合的思想来规划教学实践单元,使每门课程的实践活动延伸到系列课程的整个教学单元中。不仅利用本科生公共实验设备,还应考虑共享研究生的实验环境,特别是可以通过参观和学习一些工程项目的半实物仿真试验环境,使学生实践能力得到全面的锻炼和提高[3]。

1.3 划分系列课程为若干课组

国内外大学关于“控制科学与工程”本科课程的设置差异较大[4-7],但是本质上不超出数理基础、控制理论、方法与算法、软件技术、硬件技术以及相关的实验技术等。根据课程内容之间的关系,将大学开设的“控制科学与工程”自动化专业系列课程下的所有课程划分为若干课组,每个课组由若干相关课程组成,参见表1。

表1 “控制科学与工程”系列课程的课组划分

1.4 以案例贯穿系列课程教学全过程

尝试以一个脱密的导弹武器系统为例,对它进行改进和完善,将“控制科学与工程”自动化专业系列的主要课程有效连接和贯通,使课程实践活动贯穿到课程教学的整个过程中,加强实践单元的锻炼,集中培养学生的创新能力[8]。使学生体会到“控制科学与工程”自动化专业系列课程在实际工程应用的巨大作用,进一步激发他们的学习积极性,并培养他们的科研兴趣。

如图1所示,一个导弹武器系统从分析论证到鉴定与定型一般至少有如下几个大的单元:分析与论证阶段、设计阶段、试验阶段。在分析与论证阶段,需要进行动力学分析、计算和仿真等工作;在设计阶段,需要进行理论分析、设计和指标优化等工作;在试验阶段,需要进行具体的实现、试验、鉴定与定型等工作。

图1 导弹控制系统实例的工程实现中各阶段所涉及的控制理论学科基础知识

事实上,这几个阶段,都可以由“控制科学与工程”自动化专业系列课程提供详细的技术支撑。如图2所示,在分析与论证阶段,数理课组和方法算法课组可以提供动力学分析、计算、自身特性的仿真研究等方面的支撑。在设计阶段,控制理论课组可以提供控制理论方面的技术支撑;导航与制导课组可以提供制导、控制、导航理论方面的技术支撑;方法算法课组可以提供具体设计工具和控制信号实现、设计方案优化、控制参数寻优等方面的技术支撑。在实现阶段,硬件及接口课组可以提供导弹系统硬件实现的技术支撑;软件与程序实现课组可以提供导弹系统软件实现的技术支撑。在试验阶段,硬件及接口课组可以提供具体试验时的技术支撑;实验技术课组可以提供具体试验的技术支撑;数据采集与处理课组可以提供导弹系统设计、试验等大量可利用数据的归档管理和重用方面的数据库技术支撑。

图2 导弹控制系统实例的工程实现与“控制科学与工程”系列课程之间的关系

这样,通过一个导弹武器系统的研制过程,就把很多大学“控制科学与工程”自动化专业系列课程下的主要课程有效地连接、贯穿在一起了。

2 贯穿式系列课程综合实践试验

依托现有本科教学实验室以及后续逐步落实的其它各类学生实验条件,并新建部分配套试验环境[9],将课程中所学到的知识进行全面的运用、总结和复习,使学生真正从全局角度上把握“控制科学与工程”自动化专业系列课程下的主要课程知识,培养学生的创新思维,提高学生的综合运用能力。

2.1 构建相互独立又密切联系试验单元

以一个脱密的导弹武器系统为例,对它进行适当的改进[10],用九个既相互独立,又密切联系的试验单元来完成全系统的试验,如表2所示。

表2 导弹控制系统实例的相关试验单元

值得说明的是,E9试验单元是基于C/S模式实现的网络环境下的六自由度弹体运动模型三通道控制仿真。该模式下,客户端是六自由度弹体运动模型三通道控制仿真,服务器端是SQL SERVER 2000数据库。客户端所生成的所有数据通过C/S模式存入事先设计好的SQL SERVER 2000数据库中。所有九个实验均在Windows平台下,基于Matlab环境或VC6.0环境实现。

2.2 建立试验单元与内容及知识点关系

将“控制科学与工程”自动化专业系列课程的主要课程的主要内容、知识点与上述各个实验单元建立有效的连接关系。导弹控制系统实例相关试验单元与“控制科学与工程”自动化专业系列课程可以开展的实验内容之间的对应关系参见表3。

表3 导弹控制系统实例相关试验单元与系列课程可以开展的实验内容之间的对应关系

3 “贯穿式”系列课程教学实施

3.1 立足教研试验条件落实各试验单元建设

具体依托现有的本科教学实验室以及后续逐步落实的其它各类学生实验条件,并新建部分配套试验环境,落实各试验单元的具体建设,形成完善的试验体系[11-12]。

3.2 依试验单元前后关联安排上课和试验顺序

对于学生有一定认识的问题,我们以问题做引导[13],开展课内实例演示(Classroom Demonstration)单元,促使学生展开讨论,加强师生互动交流,激发学生的学习热情,培养学生的创新能力,从而提高其对问题的理解和重视程度,避免枯燥的讲述。

4 拓展应用

上述系列课程的具体实验单元并不是要抛弃现有各门课程的相关实验,其实两者可以紧密结合[14]。系列课程的具体实验单元所考虑问题的层次更高,所看问题的角度更全面[15]。因此,可以将系列课程的具体实验单元作为主体,以各门课程的现有相关实验为辅。

事实上,这种团队教学新模式完全可以拓展应用于其它专业课程建设。比如,国防科技大学智能科学学院正在规划建设的无人机技术保障与维修专业系列课程就可以应用该模式。该课程成立了“首席教授-课程负责人-课程组成员”的系列课程教学团队,首席教授负责组建无人机作战应用课程群,从顶层设计课程群内各课程的知识体系,课程负责人结合课程内容进一步分解和细化课程知识点和实验单元,实现这些课程设置的知识和实验单元能够前后衔接、互相支撑。比如在实验单元设计上,“无人机态势感知与情报处理”课程瞄准的是无人机作战过程的“OODA”(Observation-Orientation-Decision-Action,观察、判断、决策、执行)环中OO两个环节无人机在情报处理过程的作战运用,设置的实验单元既满足学生理解和掌握本课程的知识点的要求,又可作为系列课程综合实践课程的前导实践内容的一部分,避免了课程之间知识点的重复出现和遗漏,让学生成体系地了解系列课程中各知识点之间的前后关系。

5 结语

以上是我们在教学工作中摸索和总结出来的一些想法和改革措施,目前正在积极尝试。这种通过一个典型工程应用的案例,将“控制科学与工程”一级学科下自动化专业系列课程中所学到的知识进行了全面的运用、复习、总结的举措是一个教学和试验模式的创新。这种模式对于学生形成系统化的知识体系、从全局把握“控制科学与工程”一级学科下自动化专业系列课程、加强综合实践单元的锻炼、集中培养创新思维、提高综合运用能力都具有重要的影响,其效益是长期的、深远的。