提高研究生创新能力的控制学科实践体系建设

龙志强，谢海斌，史美萍

（国防科技大学智能科学学院，长沙 410073）

0 引言

控制学科是研究自动控制理论、方法、技术及工程应用的学科，其要求控制专业相关的研究生应具有良好的工程应用实践能力。然而控制专业的课程会介绍大量的严格证明和数学运算，容易掩盖控制学科的工程应用背景，让同学们误以为控制学科仅仅是解决数学问题的学科，同学们缺少一个将理论融会贯通的综合实践环节，因而急需构建研究生创新能力培养体系，使研究生在课程学习阶段尽早接触与其研究方向紧密联系的研究背景和技术问题，并通过系统性学习实践，掌握本学科先进研究方法，为其进入学位论文研究打下良好的工程实践基础。本文在分析该实验课程建设的必要性基础上，重点介绍该研究生综合实践的教育教学体系建设内容，具体从研究生实验室环境建设、教育教学资源建设、课程内容设计、创新教学方法、课程评价体系5 个方面进行总结介绍。

1 现代控制实验室建设

控制学科是国防科技大学国家一级学科，始建于哈尔滨军事工程学院导弹工程系。“控制系统综合实践”课程主要授课对象是控制科学与工程专业、电子信息专业硕士研究生，主要目的是使控制科学与工程等专业的研究生加深对控制科学与工程学科分析、设计方法的理解，提高研究生在控制系统分析、设计、仿真与调试的理论与实践水平，培养研究生分析问题、抽象问题的能力，为研究生从事控制工程相关研究奠定坚实的理论和实践基础。学校高度重视本课程实验室建设与管理，结合我校控制学科重点研究方向，研制了控制系统快速原型设计系统、无人驾驶试验车、分布式仿真平台等设备和器材180 余台（套）［1］。同时，立足学院多学科交叉融合优势，研发了以dSPACE为核心，无人车、磁悬浮等典型被控对象为支撑的系列化教学资源，建成了专门面向研究生教学的控制学科研究生综合实验中心，满足研究生综合实训需求；集聚多地形微缩自然场景、飞控转台等科研资源，增配无人车和制导弹药等缩比样机，打造了高性能机电与控制系统研究生创新实践基地，满足研究生贴近工程开展科研创新需求；依托磁浮技术中心全尺寸磁浮车、制导研发中心型号样机、无人装备工程中心地面无人平台，支撑研究生开展拓展/自主创新实验项目（见图1）。形成了“数字仿真+半实物仿真+缩比样机+全尺寸实装”学科特色鲜明的一流创新实验环境［2-3］，有力地支撑了控制学科研究生课程实验教学［4-5］、综合实践项目［6］、创新实践活动和教育教学改革［7-8］。

图1 全流程贯通教研融合创新实践环境

2 构建多维度立体化教学资源共享系统

利用多种信息化手段整合和优化各种教学资源，迭代式构建多维度立体化教学资源共享系统［9-12］，见图2。

（1）教学资源建设。依托我校在无人车、磁悬浮、导航制导、任务规划等优势科研方向的最新研究成果，结合型号任务和学科前沿，动态更新课程教学内容和实验教程，优化完善多媒体课件和电子教案，科学分解教学知识点和教学重难点进行微课资源建设，形成个性化、泛在化学习条件。

（2）导学资源建设。根据课程教学计划和教学日历，结合学情分析，制定了包含学员自主选课表、线上预习测验、翻转课堂选题、线下实验预约、自主开展实验、实验考核验收、经验交流研讨、课前课后评测与实验资料归档等一系列课程导学资源，确保实践教学有序进行。

（3）考核资源建设。结合学科专业特色，分模块制定了实验验收评分标准。以无人车专业实践模块为例，构建了面向路标/道路识别、车辆/行人检测等不同应用需求的标准实验数据库，以及对应的算法评价准则和自动评价方法，既可用于实践教学，同时又反哺科学研究。

（4）档案资源建设。构建了基于B/S架构的FTP专用服务器，分模块搜集和整理历年产生的优秀教学案例，典型问题及解决方案，包括项目源代码、实验报告、实验视频、配套硬件设备及说明文档等，形成了一整套动态更新的多媒体实验案例库，以方便教师备课和研究生学习及递进式研发。

（5）保障资源建设。构建了实验环境常见故障数据库和实验关键测试点DEMO 库，形成了一套规范的实践教学准备流程；建成了基于校园网的数字化资源一体化服务平台，包括实验室门禁管理系统、网上实验预约系统、设备管理系统、电子教室和全程视频实时监控系统等，满足教师、学生和管理人员多重需求，确保实践教学高效运行。

实践表明，已建成的实验教学环境和教学资源共享系统可满足教师和学生真正实现研究生实践教学在“人员、时间、空间、项目、内容、专业”上全面开放，调动了学生自主学习的积极性和主动参与实践的热情，促进学生的个性化发展，使研究生实践教学和管理上水平、出效益。

3 优化设计课程教学内容

本课程聚焦高素质人才培养需求，紧密对接我校控制学科优势科研方向，按照“三阶四段”的体系结构，建设了“基础+专业+拓展”的挑战难度递进的12个技术先进、应用前沿的综合实践模块，旨在培养研究生解决控制系统研发应用和仿真中的综合实践能力和自主创新能力。“三阶”是指按照“基础实验-专业实践-拓展实践”逐级、进阶开设综合实践模块，兼顾基础性、综合性与挑战性，研究生按照能力基础、研究方向和兴趣驱动合理组配选修综合实践模块，满足研究生个性化能力提升需求，其中1 个基础实验为必选模块，10 个专业实践中选修1 个以上（X），拓展实践模块为必选内容。“四段”是指各模块由“建模、设计、仿真、验证”4 个教学环节构成，聚焦同一对象，划分阶梯性目标，明确阶段性考核要求，渐次提升研究生知识运用与综合实践能力。如图3 所示为“三阶四段”课程体系结构。

图3 “三阶四段”课程体系结构

（1）以“为国育人、立德树人”为牵引，坚持“铸魂性”。以武器装备自动化、无人化、智能化发展为牵引，建设专业模块，引导研究生开展自主创新拓展实验模块，突出“铸魂性”。以培塑研究生“严谨务实、自主创新、坚韧不拔、热爱祖国、献身祖国”为导向，深挖学科发展史、先辈奋进史以及工程伦理等思政元素，全课、全程、全员实施思政教育。

（2）掌握控制系统先进设计方法，提升“高阶性”。摈弃传统软件、硬件设计分离、线性推进的控制系统设计方法，开设“控制系统快速原型设计与硬件在回路仿真”必修的基础实验模块，培养研究生掌握先进的控制系统分析与设计方法。

（3）紧密对接特色科研开展专业实践，突出“创新性”。以优势科研方向为支撑，以控制领域典型工程问题为牵引，开设无人车、制导控制、仿真系统、智能决策等10 个紧密对接特色科研方向的专业实践模块，研究生根据论文研究需求，选择其中1 个以上的专业实践模块，培养研究生聚焦专业方向的创新实践能力。

（4）聚焦技术难题拓展实践项目和模块，强化“挑战度”。为满足创新思维活跃、综合实践能力突出的研究生个性化能力提升需求，开设“面向工程应用的创新设计”拓展实践模块，引导研究生聚焦技术难题或产业应用痛点，自主设计开放性实验项目，不断孵化金点子，助力科研出成果。在主要的专业实践模块中，也设置了拓展实验项目，进一步提高专业实践模块的挑战度。

形成“1 +X+1”的综合实践课程体系，各实践模块的要求如图4 所示。

图4 课程实践模块的设置与要求

4 创新教学新方法

近年来，随着科技的飞速发展，人类社会走进了“信息化”“智能化”时代，这就要求培养的控制类研究生具有更强的创新意识、更好综合实践能力以及解决实际问题能力。我们结合控制学科无人系统、导航制导、任务规划、磁悬浮控制等优势科研方向，立足培养研究生科研创新能力，不断探索创新教育新方法，主要有4 个特点：

（1）按科研管理流程实施教学。专业实践和拓展实践模块按照“课题发布/自主命题-方案设计-开题论证-项目实施-答辩验收-报告撰写-资料归档”流程实施，在实践技能、团队协作、组织协调、项目管理等方面全面锻炼研究生的工程组织与管理能力。参照型号项目的文档撰写及节点验收要求，对研究生进行文档撰写及资料归档训练。

（2）融入各种新形态教学手段。践行“微课导学+翻转课堂释疑+问辩式启发指导+研讨共享经验+成果资源共享”多手段融合的立体化实践教学现代学习新模式，构建了标准实验数据库、典型实验案例库、常见故障数据库、实验关键测试点DEMO 库、多媒体教学视频库等多维度立体化教学资源，探索实践教学线上线下混合施教新模式，显著提升研究生实践教学质量。

（3）设置开放式项目和模块。设置专业实践模块，每个专业模块包括基本项目和拓展项目，通过专业模块的基本项目促进研究生尽早理解专业背景知识，掌握本研究方向的基本实践技能，另外，在专业模块设置有一定难度的开放式拓展项目，不断提升研究生实践能力。设置专门的拓展实践模块，面向装备、面向工程、面向未来，聚焦技术难题/工程应用痛点，鼓励研究生自主选题，孵化培育新成果，提升课程的两性一度。

（4）跨模块、跨方向联合指导。梳理能力素质培养要求，创新跨模块联合指导机制，组建了“快速原型设计+智能无人系统”“硬件在回路仿真+精确制导”等跨模块指导团队，按照“模块合并、联合指导、分步实施、整体验收”模式开展实验，解决挑战度大、跨学科方向的专业实践模块指导难题。

5 完善课程评价体系

课程目标的达成离不开课程教学考核评价，实验课程考核普遍采取的办法是指导教师根据学生课程预习报告、实践动手表现、实验结果、实验报告等情况给定成绩，亦或再结合选定某相关实验作为考核实验科目给出最终成绩。这种考核方式存在的缺点在于：①考核内容过于单一，考核形式缺少“创新性”，无法激发学生的学习积极性和学习热情，直接导致部分学生在实验课课程的课前、课中及课后都处于敷衍了事、走过场的心态，无法达到预期的学习效果。②考核过程不能体现“高阶性”，无法真正掌握实验技能和灵活运用所学知识，实验课程训练变成了只是“照方抓药”，学生不能将自己所学知识、动手能力及科学素质有机融合，无法培养学生解决复杂问题的创新实践能力。③考核难度没有“挑战性”，考核流于形式，实验课程逐渐变为“水课”，导致出现学生在实验课程中轻松学习就可以“混学分”的现象。

考核只有科学、全面、合理、公平才能调动学生实验的积极性和主动性，才能实现科研人才培养的目标。为此我们细化规范考核节点和评价标准，实施全流程分阶段标准化考核，潜移默化培塑研究生严谨细致的科研素养，形成“多阶段形成性评价、多模块结构化评分”的实践教学评价体系。让学生在完成控制实践实验课程后真正掌握实实在在的知识、方法，提高实践创新能力。

（1）多阶段形成性评价体系设计。结合研究生阶段学生学习特点，充分利用“雨课堂”平台创设了信息化教学环境，发挥“线上”+“线下”相结合的优势，基于课前预习、预习测试评估，预习汇报，实验操作，报告论文与实验总结构建全过程评价体系，给定符合每个学生实际能力水平的实验评价，进而充分调动学生学习的积极性，提高学生们的参与度，为后续专业模块实验及科学研究打下坚实的基础。

（2）多模块结构化评分构建。传统的实验课程没有详细的评分标准，教师在打分的时候容易有一定的主观性和偏颇性，无法做到公平与公正。另外，因学生本科基础不同，单一的评分标准无法客观衡量出此次实验课中学生的学习态度、学习状态、学习习惯和学习效果。因此在控制实验考核与评价实施过程中，我们针对每一个模块课题制定专属的、详细的、全面的、科学的评分细则，使得教师有理有据地对学生进行评分，从而提高学生的学习主动性和学习热情。同时，为了提升教学效果，切实反映学生学习状态，调整传统考核评分划分，基础模块、专业模块及拓展模块各占总成绩的40%、40%、20%。

6 结语

“控制系统综合实践”课程连续14 年面向全校开设，选课人数达1 300 余人。课程学习为研究生开展学位论文研究打下了良好的基础，获得导师和研究生的一致好评。根据我校控制系统实践应用课程教学组近年的教学经验、教学成果和学生反馈情况，本文总结了课程教学组在该门课程的实验室建设、课程资源配套、课程内容设置、教学方法和考核评价等五个方面进行的建设和积极探索，在课程建设中不断总结经验教训，逐步解决研究生基础实验课程传统教学模式理念和考核形式单一等问题，有力支撑了研究生综合实践能力、工程实践能力和创新实践能力的培养，本文研究工作对控制学科的本科实践体系建设也有参考价值。