李興瑋 曹聚亮 白圣建 何曉峰 馮國虎

(國防科技大學 智能科學學院,長沙 410073)

系列課程的劃分已經不是一個新的概念,團隊教學的思路也已經有了一段時間。但系列課程的現行團隊教學模式上還是存在一定的問題。首先,所謂的“系列課程”只是從專業(yè)角度的劃分上來說是屬于同一個學科系列,并沒有從教學的角度將系列課程貫穿起來,并形成有機的整體。目前,系列課程中的各門課程依然相互獨立,相互之間沒有密切的聯系。其次,所謂的“團隊”教學主要還是停留在狹隘意義的“團隊”上,即停留在某一門課程的團隊教學上。也就是說,目前的“團隊”教學主要還是某一門課程的小團隊教學,并未形成真正意義上的系列課程的大團隊教學局面。所以,“系列課程的團隊教學”并未被賦予名副其實的內容。

此外,隨著素質教育的不斷深入,對學生實踐能力的要求也在不斷提高[1],目前還是主要關注學生在某一門課程上的動手能力[2],而不是基于系列課程中的所有課程知識的運用能力。因此,能否將系列課程的團隊教學融為一體,形成基于案例的“貫穿式”的教學模式,使學生真正從全局的角度把握系列課程中的所有課程知識,以達到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、提高學生的綜合實踐運用能力的目的呢?本文就此展開研究工作。

1 系列課程的團隊教學新思想

在多年的本科課程教學實踐中,我們逐步意識到:所謂的“系列”課程不能只停留在專業(yè)角度劃分上的“系列”意義,必須從學生專業(yè)知識體系構建的角度形成共性的、用以區(qū)別于其它系列課程的內容體系;系列課程中的各門課程也不應該是一種松散的結合,而應該是在教學方法和教學手段上的緊密結合。系列課程的教學團隊也應該有其具體的、公共的亮點,這不僅包括教材、教案的內容、風格、模式等,也包括試驗單元的相互聯系與統(tǒng)籌規(guī)劃,還包括教學過程中的組織、試驗的實施等相關內容。

根據“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的具體特點,基于將理論教學與實驗教學融為一體的教學理念,遵循突出工程應用特色的原則,提出了以一個脫密并改進的導彈控制系統(tǒng)為案例,將大學該系列主要課程的主要內容、知識點、實驗單元有效連接和貫通的系列課程創(chuàng)新教學新模式。

1.1 強調與“控制系統(tǒng)”的緊密結合

“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的核心是“控制”,控制的對象則是“系統(tǒng)”。如何落實“控制”,當然主要靠“控制器”的設計和實現,但“控制器”的設計和實現又與控制對象“系統(tǒng)”的特性密切相關。因此,應該強調教學內容與研究對象“系統(tǒng)”的緊密結合,讓學生明白到底什么是控制系統(tǒng)、什么是被控系統(tǒng)、我們日常生活中常見的控制系統(tǒng)是什么樣子、被控系統(tǒng)是什么樣子。為了增強對研究對象的感性認識,我們以一個脫密并改進的導彈控制系統(tǒng)為例,對典型的控制系統(tǒng)進行詳細介紹。

1.2 實驗教學與理論教學融為一體

考慮到“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的實踐性,堅持理論教學和實驗教學相結合的思想來規(guī)劃教學實踐單元,使每門課程的實踐活動延伸到系列課程的整個教學單元中。不僅利用本科生公共實驗設備,還應考慮共享研究生的實驗環(huán)境,特別是可以通過參觀和學習一些工程項目的半實物仿真試驗環(huán)境,使學生實踐能力得到全面的鍛煉和提高[3]。

1.3 劃分系列課程為若干課組

國內外大學關于“控制科學與工程”本科課程的設置差異較大[4-7],但是本質上不超出數理基礎、控制理論、方法與算法、軟件技術、硬件技術以及相關的實驗技術等。根據課程內容之間的關系,將大學開設的“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程下的所有課程劃分為若干課組,每個課組由若干相關課程組成,參見表1。

表1 “控制科學與工程”系列課程的課組劃分

1.4 以案例貫穿系列課程教學全過程

嘗試以一個脫密的導彈武器系統(tǒng)為例,對它進行改進和完善,將“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列的主要課程有效連接和貫通,使課程實踐活動貫穿到課程教學的整個過程中,加強實踐單元的鍛煉,集中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[8]。使學生體會到“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程在實際工程應用的巨大作用,進一步激發(fā)他們的學習積極性,并培養(yǎng)他們的科研興趣。

如圖1所示,一個導彈武器系統(tǒng)從分析論證到鑒定與定型一般至少有如下幾個大的單元:分析與論證階段、設計階段、試驗階段。在分析與論證階段,需要進行動力學分析、計算和仿真等工作;在設計階段,需要進行理論分析、設計和指標優(yōu)化等工作;在試驗階段,需要進行具體的實現、試驗、鑒定與定型等工作。

圖1 導彈控制系統(tǒng)實例的工程實現中各階段所涉及的控制理論學科基礎知識

事實上,這幾個階段,都可以由“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程提供詳細的技術支撐。如圖2所示,在分析與論證階段,數理課組和方法算法課組可以提供動力學分析、計算、自身特性的仿真研究等方面的支撐。在設計階段,控制理論課組可以提供控制理論方面的技術支撐;導航與制導課組可以提供制導、控制、導航理論方面的技術支撐;方法算法課組可以提供具體設計工具和控制信號實現、設計方案優(yōu)化、控制參數尋優(yōu)等方面的技術支撐。在實現階段,硬件及接口課組可以提供導彈系統(tǒng)硬件實現的技術支撐;軟件與程序實現課組可以提供導彈系統(tǒng)軟件實現的技術支撐。在試驗階段,硬件及接口課組可以提供具體試驗時的技術支撐;實驗技術課組可以提供具體試驗的技術支撐;數據采集與處理課組可以提供導彈系統(tǒng)設計、試驗等大量可利用數據的歸檔管理和重用方面的數據庫技術支撐。

圖2 導彈控制系統(tǒng)實例的工程實現與“控制科學與工程”系列課程之間的關系

這樣,通過一個導彈武器系統(tǒng)的研制過程,就把很多大學“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程下的主要課程有效地連接、貫穿在一起了。

2 貫穿式系列課程綜合實踐試驗

依托現有本科教學實驗室以及后續(xù)逐步落實的其它各類學生實驗條件,并新建部分配套試驗環(huán)境[9],將課程中所學到的知識進行全面的運用、總結和復習,使學生真正從全局角度上把握“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程下的主要課程知識,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,提高學生的綜合運用能力。

2.1 構建相互獨立又密切聯系試驗單元

以一個脫密的導彈武器系統(tǒng)為例,對它進行適當的改進[10],用九個既相互獨立,又密切聯系的試驗單元來完成全系統(tǒng)的試驗,如表2所示。

表2 導彈控制系統(tǒng)實例的相關試驗單元

值得說明的是,E9試驗單元是基于C/S模式實現的網絡環(huán)境下的六自由度彈體運動模型三通道控制仿真。該模式下,客戶端是六自由度彈體運動模型三通道控制仿真,服務器端是SQL SERVER 2000數據庫?？蛻舳怂傻乃袛祿ㄟ^C/S模式存入事先設計好的SQL SERVER 2000數據庫中。所有九個實驗均在Windows平臺下,基于Matlab環(huán)境或VC6.0環(huán)境實現。

2.2 建立試驗單元與內容及知識點關系

將“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程的主要課程的主要內容、知識點與上述各個實驗單元建立有效的連接關系。導彈控制系統(tǒng)實例相關試驗單元與“控制科學與工程”自動化專業(yè)系列課程可以開展的實驗內容之間的對應關系參見表3。

表3 導彈控制系統(tǒng)實例相關試驗單元與系列課程可以開展的實驗內容之間的對應關系

3 “貫穿式”系列課程教學實施

3.1 立足教研試驗條件落實各試驗單元建設

具體依托現有的本科教學實驗室以及后續(xù)逐步落實的其它各類學生實驗條件,并新建部分配套試驗環(huán)境,落實各試驗單元的具體建設,形成完善的試驗體系[11-12]。

3.2 依試驗單元前后關聯安排上課和試驗順序

對于學生有一定認識的問題,我們以問題做引導[13],開展課內實例演示(Classroom Demonstration)單元,促使學生展開討論,加強師生互動交流,激發(fā)學生的學習熱情,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,從而提高其對問題的理解和重視程度,避免枯燥的講述。

4 拓展應用

上述系列課程的具體實驗單元并不是要拋棄現有各門課程的相關實驗,其實兩者可以緊密結合[14]。系列課程的具體實驗單元所考慮問題的層次更高,所看問題的角度更全面[15]。因此,可以將系列課程的具體實驗單元作為主體,以各門課程的現有相關實驗為輔。

事實上,這種團隊教學新模式完全可以拓展應用于其它專業(yè)課程建設。比如,國防科技大學智能科學學院正在規(guī)劃建設的無人機技術保障與維修專業(yè)系列課程就可以應用該模式。該課程成立了“首席教授-課程負責人-課程組成員”的系列課程教學團隊,首席教授負責組建無人機作戰(zhàn)應用課程群,從頂層設計課程群內各課程的知識體系,課程負責人結合課程內容進一步分解和細化課程知識點和實驗單元,實現這些課程設置的知識和實驗單元能夠前后銜接、互相支撐。比如在實驗單元設計上,“無人機態(tài)勢感知與情報處理”課程瞄準的是無人機作戰(zhàn)過程的“OODA”(Observation-Orientation-Decision-Action,觀察、判斷、決策、執(zhí)行)環(huán)中OO兩個環(huán)節(jié)無人機在情報處理過程的作戰(zhàn)運用,設置的實驗單元既滿足學生理解和掌握本課程的知識點的要求,又可作為系列課程綜合實踐課程的前導實踐內容的一部分,避免了課程之間知識點的重復出現和遺漏,讓學生成體系地了解系列課程中各知識點之間的前后關系。

5 結語

以上是我們在教學工作中摸索和總結出來的一些想法和改革措施,目前正在積極嘗試。這種通過一個典型工程應用的案例,將“控制科學與工程”一級學科下自動化專業(yè)系列課程中所學到的知識進行了全面的運用、復習、總結的舉措是一個教學和試驗模式的創(chuàng)新。這種模式對于學生形成系統(tǒng)化的知識體系、從全局把握“控制科學與工程”一級學科下自動化專業(yè)系列課程、加強綜合實踐單元的鍛煉、集中培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高綜合運用能力都具有重要的影響,其效益是長期的、深遠的。