2016年6月中國正式加入《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國工程教育認(rèn)證體系實現(xiàn)了國際“實質(zhì)等效性”。當(dāng)前，工程教育專業(yè)認(rèn)證已成為各大高校一流本科專業(yè)建設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)，成為新一輪高等教育改革的熱點。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，高校在工程專業(yè)人才培養(yǎng)中應(yīng)秉承“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”的工程教育理念，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)人才培養(yǎng)思維，探索多學(xué)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。

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(biāo)的實現(xiàn)和專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的落實。傳統(tǒng)的課程建設(shè)僅考慮單門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)效果，容易造成資源的重復(fù)建設(shè)和浪費。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(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等進(jìn)行一體化重整優(yōu)化，為學(xué)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(jìn)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(xué)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(biāo)和畢業(yè)要求，變革課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，補(bǔ)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。在此背景下，“控制理論與工程實踐”課程群教學(xué)團(tuán)隊先后從課程體系、目標(biāo)、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(xùn)練及控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真，共計4門課程、5個獨立開設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)，該課程群是我?！凹t柳特色”國家一流自動化專業(yè)的學(xué)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(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成，貫徹工程教育OBE理念，按照循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)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(jìn)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(tuán)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(xùn)練3種實踐模式。

圖1 “6443”課程群體系

其中：學(xué)科基礎(chǔ)課“自動控制原理”，理論授課66學(xué)時+模擬實驗8學(xué)時+仿真實驗6學(xué)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(xué)時+模擬實驗4學(xué)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(jī)仿真”，理論授課16學(xué)時+項目仿真實踐16學(xué)時，著重解決學(xué)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(xùn)練”，理論授課48學(xué)時+工程系統(tǒng)訓(xùn)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(fēng)范、工程倫理等方面進(jìn)行教學(xué)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(bǔ)、分層遞進(jìn)”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(xué)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(dá)成。

表1

2 課程群教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)

為確保畢業(yè)要求與課程群之間的支撐關(guān)系達(dá)成，教學(xué)團(tuán)隊認(rèn)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(jìn)的學(xué)習(xí)原則，制定更新了課程群17條能力型課程目標(biāo)見表2。

表2

從表2所列課程群課程目標(biāo)可以看出，相較于傳統(tǒng)的知識型課程目標(biāo)，新的課程群課程目標(biāo)將原來籠統(tǒng)模糊的知識型目標(biāo)提升為具體準(zhǔn)確的能力型目標(biāo)，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(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識的掌握與理解，更為重要的是強(qiáng)化應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為課程教學(xué)過程與改革和達(dá)成情況評價指明了方向，也為學(xué)生確立了明確的能力目標(biāo)。

3 課程群內(nèi)容重組優(yōu)化

依據(jù)新的課程目標(biāo)，為確保“6443”課程體系能力目標(biāo)達(dá)成，教學(xué)團(tuán)隊保留重構(gòu)“機(jī)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(xué)內(nèi)容，堅決擯棄不符合技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展要求的陳舊內(nèi)容，動態(tài)增補(bǔ)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(jìn)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(xué)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(xùn)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(jìn)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(bǔ)充方面，比如：①“自動控制原理”引入了系列工程案例“計算機(jī)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(jìn)控制方法；④“控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真”則擴(kuò)充了新工具箱的使用，尤其是陸續(xù)增補(bǔ)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

4 實踐效果

經(jīng)過6年的探索與實踐，課程群各課程目標(biāo)與畢業(yè)要求達(dá)成情況一致，表明學(xué)生均能有效達(dá)成所要求的能力，并呈持續(xù)上升態(tài)勢。由于遞進(jìn)培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題所需的系統(tǒng)原理、數(shù)學(xué)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(tuán)隊協(xié)作等方面的能力，使學(xué)生在多種學(xué)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(xué)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(dá)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(biāo)達(dá)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(biāo)均能達(dá)成，實現(xiàn)了對學(xué)生相應(yīng)能力的培養(yǎng)。同時，各課程目標(biāo)達(dá)成情況不均衡，2019秋與2018秋相比，課程目標(biāo)1、2達(dá)成情況明顯上升，2019秋該課程成績達(dá)到近幾年最好狀態(tài)，雖是持續(xù)改進(jìn)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(biāo)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(biāo)5由2019年的0.694下降至0.589，下降了0.105，致使其勉強(qiáng)達(dá)成，這也印證了反思的合理性，同時也更真實地反映出學(xué)生課程能力目標(biāo)達(dá)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(biāo)達(dá)成情況的虛假性。

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

圖2 自動控制原理近三年目標(biāo)達(dá)成情況

圖3 現(xiàn)代控制理論近三年目標(biāo)達(dá)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(xué)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(jìn)入校級本科一流或重點課程，課程群建設(shè)水平在學(xué)校乃至省內(nèi)、國內(nèi)均產(chǎn)生了較大的影響，示范意義強(qiáng)。

圖4 過程控制基礎(chǔ)近三年目標(biāo)達(dá)成情況

圖5 過程控制綜合訓(xùn)練近三年達(dá)成情況

圖6 控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真近三年達(dá)成情況

5 結(jié)論

本文圍繞蘭州理工大學(xué)自動化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)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(xué)體系，探索形成層次遞進(jìn)、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(jī)融合課程間知識、能力與素質(zhì)目標(biāo)，重組內(nèi)容精良、技術(shù)先進(jìn)的課程內(nèi)容，優(yōu)化控制理論知識結(jié)構(gòu)，遞進(jìn)協(xié)同培養(yǎng)學(xué)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(qiáng)自動化專業(yè)人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。

本文編自2022年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下控制類課程群體系構(gòu)建與實踐”，作者為魯春燕、李煒 等。本課題得到教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會教改研究項目、甘肅省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量提高項目、甘肅省2020年省級一流本科課程建設(shè)項目、蘭州理工大學(xué)紅柳一流課程建設(shè)項目、蘭州理工大學(xué)高等教育研究項目的支持。