魯春燕 李 煒 劉微容 王志文 蔣棟年

工程教育專業(yè)認證背景下控制類課程群體系構(gòu)建與實踐

魯春燕1,2,3李 煒1,2,3劉微容1,2,3王志文1,2,3蔣棟年1,2,3

（1. 蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050；2. 甘肅省工業(yè)過程先進控制重點實驗室，蘭州 730050；3. 蘭州理工大學電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心，蘭州 730050）

依據(jù)工程教育專業(yè)認證標準，結(jié)合蘭州理工大學自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式，探討控制類課程群體系構(gòu)建與實踐。圍繞畢業(yè)要求能力達成，首先構(gòu)建“控制理論與工程實踐”課程群，明確各課程對畢業(yè)要求能力達成的支撐關(guān)系；進而制定更新課程群能力型課程目標；最后重組優(yōu)化課程群教學內(nèi)容，有機融合課程群所承載的知識、能力與素質(zhì)，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級思維能力。實踐證明，“控制理論與工程實踐”課程群對自動化專業(yè)學生能力的提升收效顯著，對其他工程類專業(yè)核心課程群的構(gòu)建與實施有一定的示范與推廣意義。

工程教育專業(yè)認證；控制理論與工程實踐；課程群；構(gòu)建

0 引言

2016年6月中國正式加入《華盛頓協(xié)議》，標志著我國工程教育認證體系實現(xiàn)了國際“實質(zhì)等效性”。當前，工程教育專業(yè)認證已成為各大高校一流本科專業(yè)建設(shè)的重要標準，成為新一輪高等教育改革的熱點[1-6]。按照工程教育專業(yè)認證標準，高校在工程專業(yè)人才培養(yǎng)中應(yīng)秉承“以學生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進”的工程教育理念，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)人才培養(yǎng)思維，探索多學科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式，重構(gòu)專業(yè)課程體系，提升工程人才的綜合創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問題的應(yīng)用型工程技術(shù)人才[7]。

課程體系及課程是人才培養(yǎng)的主要載體，是專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心內(nèi)容，關(guān)系到人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)和專業(yè)培養(yǎng)標準的落實[8]。傳統(tǒng)的課程建設(shè)僅考慮單門課程的教學內(nèi)容和教學效果，容易造成資源的重復(fù)建設(shè)和浪費[9]。課程群建設(shè)是以多門相互關(guān)聯(lián)課程為基礎(chǔ)，更關(guān)注課程之間的綜合發(fā)展和整體效率，采用結(jié)構(gòu)體系化改革方式，對各門課程的教學目標、教學內(nèi)容和教學方法等進行一體化重整優(yōu)化，為學生的知識能力結(jié)構(gòu)塑造和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力保障，是進一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要支撐。

自2015年以來，蘭州理工大學自動化專業(yè)貫徹工程教育理念，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，通過重構(gòu)專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，變革課程教學目標、教學內(nèi)容和教學模式，補足閉環(huán)評價方法，探索建立起了基于成果導(dǎo)向教育（outcome based education, OBE）的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)新模式[10]。在此背景下，“控制理論與工程實踐”課程群教學團隊先后從課程體系、目標、內(nèi)容等方面開展了有效的探索與實踐，為自動化專業(yè)人才培養(yǎng)積累了不少成功的經(jīng)驗。

1 課程群體系構(gòu)建

1.1 課程群概況

我?！翱刂评碚撆c工程實踐”課程群包括自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、過程控制基礎(chǔ)+過程控制綜合訓練及控制系統(tǒng)計算機仿真，共計4門課程、5個獨立開設(shè)的教學環(huán)節(jié)，該課程群是我校“紅柳特色”國家一流自動化專業(yè)的學科基礎(chǔ)與專業(yè)方向的核心支撐課程。

1.2 構(gòu)建能力導(dǎo)向的“6443”課程群體系

圍繞我校自動化專業(yè)學生畢業(yè)要求的達成，貫徹工程教育OBE理念，按照循序漸進的學習原則，采用課程群支撐方式，以現(xiàn)代控制系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計、優(yōu)化的能力為核心，構(gòu)建“6個畢業(yè)要求-4類系統(tǒng)-4門課程-3種模式”能力導(dǎo)向協(xié)同遞進培養(yǎng)的“6443”課程群體系如圖1所示。具體包括：工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、個人與團隊6個畢業(yè)要求；單輸入單輸出控制系統(tǒng)（single input single output control system, SISO-CS）、多輸入多輸出控制系統(tǒng)（multiple input multiple output control system, MIMO-CS）、數(shù)字孿生控制系統(tǒng)（digital twin control system, DT- CS）、實際復(fù)雜工程控制系統(tǒng)（engineering control system, E-CS）4類控制系統(tǒng)；自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、控制系統(tǒng)仿真、過程控制基礎(chǔ)4門理論課程；模擬實驗、數(shù)字仿真、綜合訓練3種實踐模式。

圖1 “6443”課程群體系

其中：學科基礎(chǔ)課“自動控制原理”，理論授課66學時+模擬實驗8學時+仿真實驗6學時，著重解決單輸入單輸出控制系統(tǒng)的原理、建模、分析與綜合的問題；專業(yè)核心課“現(xiàn)代控制理論“，理論授課36學時+模擬實驗4學時，著重解決多輸入多輸出控制系統(tǒng)的原理、建模、分析與綜合的問題；專業(yè)必修課“控制系統(tǒng)計算機仿真”，理論授課16學時+項目仿真實踐16學時，著重解決學生利用現(xiàn)代工具仿真模擬設(shè)計各類數(shù)字孿生控制系統(tǒng)的問題；專業(yè)核心課“過程控制基礎(chǔ)+過程控制綜合訓練”，理論授課48學時+工程系統(tǒng)訓練2周，著重解決流程工業(yè)復(fù)雜工程控制系統(tǒng)的建模、設(shè)計、優(yōu)化等問題。同時，在課程群思政建設(shè)中，堅持知識傳授與價值引領(lǐng)相結(jié)合，挖掘梳理各門課程的思政元素，分別從核心價值、師德風范、工程倫理等方面進行教學設(shè)計，緊密融合課程專業(yè)知識教育與思想政治教育，將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體，充分發(fā)揮各門課程的育人功能。

1.3 構(gòu)建課程群對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

“6443”課程體系中4門課程5個環(huán)節(jié)著眼于不同層面的系統(tǒng)，依據(jù)“核心支撐、交叉互補、分層遞進”的原則，構(gòu)建課程群對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系見表1，該課程體系不僅為自動化工程實踐提供了堅實的理論框架和知識體系，更確保了學生在復(fù)雜控制工程問題的模型建立、系統(tǒng)分析、算法設(shè)計和深入研究等方面能力的有效達成。

表1 “控制理論與工程實踐”課程群對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

注：☆表示核心支撐，√表示交叉互補。

2 課程群教學目標重構(gòu)

為確保畢業(yè)要求與課程群之間的支撐關(guān)系達成，教學團隊認真梳理產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求，依據(jù)“理解-應(yīng)用-分析-評價-創(chuàng)新”循序漸進的學習原則，制定更新了課程群17條能力型課程目標見表2。

表2 “控制理論與工程實踐”課程群各門課程的課程目標

從表2所列課程群課程目標可以看出，相較于傳統(tǒng)的知識型課程目標，新的課程群課程目標將原來籠統(tǒng)模糊的知識型目標提升為具體準確的能力型目標，實現(xiàn)從知識傳授到能力培養(yǎng)和素質(zhì)固化的轉(zhuǎn)變，不僅強調(diào)基礎(chǔ)知識的掌握與理解，更為重要的是強化應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為課程教學過程與改革和達成情況評價指明了方向，也為學生確立了明確的能力目標。

3 課程群內(nèi)容重組優(yōu)化

依據(jù)新的課程目標，為確保“6443”課程體系能力目標達成，教學團隊保留重構(gòu)“機理-建模-分析-設(shè)計”等9個能力型經(jīng)典模塊，有效整合4類系統(tǒng)的冗余教學內(nèi)容，堅決擯棄不符合技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展要求的陳舊內(nèi)容，動態(tài)增補符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求的前沿性和時代性現(xiàn)代控制技術(shù)內(nèi)容，合理增加課程內(nèi)容難度，適度拓展課程內(nèi)容深度，有意識地延續(xù)、交叉、遞進培養(yǎng)和練就解決復(fù)雜控制工程問題的能力和高階思維能力。課程群主要內(nèi)容重組與優(yōu)化見表3。

在課程群中冗余的教學內(nèi)容方面，比如：①響應(yīng)曲線建模法，“自動控制原理”僅在一階系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)中，以逆向引導(dǎo)的方式予以建模應(yīng)用，重點由“過程控制基礎(chǔ)+過程控制訓練”從理論方法到工程系統(tǒng)予以深度完成；②復(fù)雜系統(tǒng)解耦，“現(xiàn)代控制理論”重點解決理論方法層面的對角解耦、前饋解耦等問題，更為實用的變量匹配解耦則由“過程控制基礎(chǔ)”完成。課程群內(nèi)容的優(yōu)化融合與整合，既保證了經(jīng)典內(nèi)容的精良保留，也為先進內(nèi)容的引入留余了空間。

在前沿性和時代性現(xiàn)代控制技術(shù)內(nèi)容的補充方面，比如：①“自動控制原理”引入了系列工程案例“計算機磁盤驅(qū)動器”和魯棒比例積分微分（proportional integral derivative, PID）控制；②“現(xiàn)代控制理論”延伸了最優(yōu)控制與估計的思想；③“過程控制基礎(chǔ)”拓展了推理控制、預(yù)測控制等先進控制方法；④“控制系統(tǒng)計算機仿真”則擴充了新工具箱的使用，尤其是陸續(xù)增補了人工智能、大數(shù)據(jù)與信息物理系統(tǒng)深度融合的新理論、新技術(shù)與新 方法。

表3 “控制理論與工程實踐”課程群主要內(nèi)容重組與優(yōu)化

4 實踐效果

經(jīng)過6年的探索與實踐，課程群各課程目標與畢業(yè)要求達成情況一致，表明學生均能有效達成所要求的能力，并呈持續(xù)上升態(tài)勢。由于遞進培養(yǎng)了學生解決復(fù)雜工程問題所需的系統(tǒng)原理、數(shù)學建模、性能分析、綜合優(yōu)化、實現(xiàn)方式、測試手段、仿真工具、調(diào)試技能及團隊協(xié)作等方面的能力，使學生在多種學科競賽中成績突出（“西門子”杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽、“AB杯”全國大學生自動化系統(tǒng)應(yīng)用大賽中先后獲得全國特等獎1項、一等獎6項、二等獎7項、其他分賽區(qū)一、二等獎達40余項），得到了在校生和畢業(yè)生的一致好評。各課程近三年目標達成情況如圖2～圖6所示。以“自動控制原理”課程為例，觀察圖2可以看出，各課程目標均能達成，實現(xiàn)了對學生相應(yīng)能力的培養(yǎng)。同時，各課程目標達成情況不均衡，2019秋與2018秋相比，課程目標1、2達成情況明顯上升，2019秋該課程成績達到近幾年最好狀態(tài)，雖是持續(xù)改進有了成效，但考題類型與以往相似度高也是值得反思的因素。因此，在2020秋考試題目類型調(diào)整中，針對課程目標5（控制器設(shè)計與優(yōu)化）的題目做了明顯變化，故而課程目標5由2019年的0.694下降至0.589，下降了0.105，致使其勉強達成，這也印證了反思的合理性，同時也更真實地反映出學生課程能力目標達成情況，在一定程度上避免了由于試題同質(zhì)化，僅憑“記憶性知識”產(chǎn)生的課程能力目標達成情況的虛假性。

通過橫向?qū)Ρ葓D2中的5個課程目標可以發(fā)現(xiàn)，課程目標2、4、5達成情況較低，尤其是課程目標5，因此在今后的教學過程中，課程組將持續(xù)豐富線上教學資源，提高線上自主學習的實效性，提高自主學習內(nèi)容的針對性，強化線下課堂重點講解內(nèi)容，進一步優(yōu)化教學模式；針對課程目標5，加強內(nèi)容講解的深入淺出、強化模擬實驗和仿真實驗對教學內(nèi)容的驗證，綜合教學過程中各個環(huán)節(jié)對該目標的支撐和能力達成；加強學情分析，重點關(guān)注各教學班級暫時落后學生的學習情況，以期實現(xiàn)整體達成目標；在課程結(jié)束后，將每位同學的課程目標達成情況計算結(jié)果反饋至學生本人，以指導(dǎo)學生有針對性地對自身能力進行持續(xù)改進。

圖2 “自動控制原理”近三年目標達成情況

圖3 “現(xiàn)代控制理論”近三年目標達成情況

課程群建設(shè)過程中，“自動控制原理”課程先后成為校級雙語與混合等教學示范課程、甘肅省精品資源共享課程、甘肅省本科一流課程，并被推薦申報國家一流課程，“現(xiàn)代控制理論”課程遴選為省級一流課程，其余課程均進入校級本科一流或重點課程，課程群建設(shè)水平在學校乃至省內(nèi)、國內(nèi)均產(chǎn)生了較大的影響，示范意義強。

圖4 “過程控制基礎(chǔ)”近三年目標達成情況

圖5 “過程控制綜合訓練”近三年目標達成情況

圖6 “控制系統(tǒng)計算機仿真”近三年目標達成情況

5 結(jié)論

本文圍繞蘭州理工大學自動化專業(yè)學生畢業(yè)要求的達成，構(gòu)建工程教育專業(yè)背景下“控制理論與工程實踐”課程群的OBE教學體系，探索形成層次遞進、交叉融合、協(xié)同優(yōu)化的能力導(dǎo)向“6443”體系結(jié)構(gòu)，有機融合課程間知識、能力與素質(zhì)目標，重組內(nèi)容精良、技術(shù)先進的課程內(nèi)容，優(yōu)化控制理論知識結(jié)構(gòu)，遞進協(xié)同培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級思維能力，提高自動化專業(yè)教育質(zhì)量，增強自動化專業(yè)人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。

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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

教育部高等學校自動化類專業(yè)教學指導(dǎo)委員會教改研究項目（2019A18）

甘肅省高等學校教學質(zhì)量提高項目（甘教高函[2021]16號）

甘肅省2020年省級一流本科課程建設(shè)項目（甘教高函[2020]47號）

蘭州理工大學紅柳一流課程建設(shè)項目（蘭理工發(fā)[2019]213號）

蘭州理工大學高等教育研究項目（GJ2021C-10）

2022-06-29

2022-08-31

魯春燕（1976—），女，寧夏中寧人，副教授，主要從事控制理論與控制工程方面的研究工作。