2016年6月中國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國(guó)工程教育認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)了國(guó)際“實(shí)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(diǎn)。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(wèn)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(shí)現(xiàn)和專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)。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(fèi)。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(duì)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(shí)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(lái)，蘭州理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)貫徹工程教育理念，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，通過(guò)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(píng)價(jià)方法，探索建立起了基于成果導(dǎo)向教育（outcome based education, OBE）的自動(dòng)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(shí)踐”課程群教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(shí)踐，為自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)積累了不少成功的經(jīng)驗(yàn)。

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(shí)踐”課程群包括自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、過(guò)程控制基礎(chǔ)+過(guò)程控制綜合訓(xùn)練及控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真，共計(jì)4門課程、5個(gè)獨(dú)立開設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)，該課程群是我?！凹t柳特色”國(guó)家一流自動(dòng)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(dòng)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(jì)、優(yōu)化的能力為核心，構(gòu)建“6個(gè)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(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)6個(gè)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(shí)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(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、控制系統(tǒng)仿真、過(guò)程控制基礎(chǔ)4門理論課程；模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)字仿真、綜合訓(xùn)練3種實(shí)踐模式。

圖1 “6443”課程群體系

其中：學(xué)科基礎(chǔ)課“自動(dòng)控制原理”，理論授課66學(xué)時(shí)+模擬實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)+仿真實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)，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(wèn)題；專業(yè)核心課“現(xiàn)代控制理論“，理論授課36學(xué)時(shí)+模擬實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，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(wèn)題；專業(yè)必修課“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”，理論授課16學(xué)時(shí)+項(xiàng)目仿真實(shí)踐16學(xué)時(shí)，著重解決學(xué)生利用現(xiàn)代工具仿真模擬設(shè)計(jì)各類數(shù)字孿生控制系統(tǒng)的問(wèn)題；專業(yè)核心課“過(guò)程控制基礎(chǔ)+過(guò)程控制綜合訓(xùn)練”，理論授課48學(xué)時(shí)+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(jì)、優(yōu)化等問(wèn)題。

同時(shí)，在課程群思政建設(shè)中，堅(jiān)持知識(shí)傳授與價(jià)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(jià)值、師德風(fēng)范、工程倫理等方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，緊密融合課程專業(yè)知識(shí)教育與思想政治教育，將價(jià)值塑造、知識(shí)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(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

“6443”課程體系中4門課程5個(gè)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(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系見表1，該課程體系不僅為自動(dòng)化工程實(shí)踐提供了堅(jiān)實(shí)的理論框架和知識(shí)體系，更確保了學(xué)生在復(fù)雜控制工程問(wèn)題的模型建立、系統(tǒng)分析、算法設(shè)計(jì)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(duì)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(píng)價(jià)-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(shí)型課程目標(biāo)，新的課程群課程目標(biāo)將原來(lái)籠統(tǒng)模糊的知識(shí)型目標(biāo)提升為具體準(zhǔn)確的能力型目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)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(shí)的掌握與理解，更為重要的是強(qiáng)化應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為課程教學(xué)過(guò)程與改革和達(dá)成情況評(píng)價(jià)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?！?443”課程體系能力目標(biāo)達(dá)成，教學(xué)團(tuán)隊(duì)保留重構(gòu)“機(jī)理-建模-分析-設(shè)計(jì)”等9個(gè)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(jiān)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(dòng)態(tài)增補(bǔ)符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求的前沿性和時(shí)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(shí)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(wèn)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(dòng)控制原理”僅在一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中，以逆向引導(dǎo)的方式予以建模應(yīng)用，重點(diǎn)由“過(guò)程控制基礎(chǔ)+過(guò)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(diǎn)解決理論方法層面的對(duì)角解耦、前饋解耦等問(wèn)題，更為實(shí)用的變量匹配解耦則由“過(guò)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(shí)代性現(xiàn)代控制技術(shù)內(nèi)容的補(bǔ)充方面，比如：①“自動(dòng)控制原理”引入了系列工程案例“計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)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(jì)的思想；③“過(guò)程控制基礎(chǔ)”拓展了推理控制、預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制方法；④“控制系統(tǒng)計(jì)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(shí)踐效果

經(jīng)過(guò)6年的探索與實(shí)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(shì)。由于遞進(jìn)培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)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(shí)現(xiàn)方式、測(cè)試手段、仿真工具、調(diào)試技能及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的能力，使學(xué)生在多種學(xué)科競(jìng)賽中成績(jī)突出（“西門子”杯中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽、“AB杯”全國(guó)大學(xué)生自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用大賽中先后獲得全國(guó)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)6項(xiàng)、二等獎(jiǎng)7項(xiàng)、其他分賽區(qū)一、二等獎(jiǎng)達(dá)40余項(xiàng)），得到了在校生和畢業(yè)生的一致好評(píng)。各課程近三年目標(biāo)達(dá)成情況如圖2～圖6所示。

以“自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生相應(yīng)能力的培養(yǎng)。同時(shí)，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(jī)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(duì)課程目標(biāo)5（控制器設(shè)計(jì)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(shí)也更真實(shí)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(shí)”產(chǎn)生的課程能力目標(biāo)達(dá)成情況的虛假性。

通過(guò)橫向?qū)Ρ葓D2中的5個(gè)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(guò)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(shí)效性，提高自主學(xué)習(xí)內(nèi)容的針對(duì)性，強(qiáng)化線下課堂重點(diǎn)講解內(nèi)容，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)模式；針對(duì)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(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證，綜合教學(xué)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)該目標(biāo)的支撐和能力達(dá)成；加強(qiáng)學(xué)情分析，重點(diǎn)關(guān)注各教學(xué)班級(jí)暫時(shí)落后學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以期實(shí)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(jì)算結(jié)果反饋至學(xué)生本人，以指導(dǎo)學(xué)生有針對(duì)性地對(duì)自身能力進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

圖2 自動(dòng)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(guò)程中，“自動(dòng)控制原理”課程先后成為校級(jí)雙語(yǔ)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(bào)國(guó)家一流課程，“現(xiàn)代控制理論”課程遴選為省級(jí)一流課程，其余課程均進(jìn)入校級(jí)本科一流或重點(diǎn)課程，課程群建設(shè)水平在學(xué)校乃至省內(nèi)、國(guó)內(nèi)均產(chǎn)生了較大的影響，示范意義強(qiáng)。

圖4 過(guò)程控制基礎(chǔ)近三年目標(biāo)達(dá)成情況

圖5 過(guò)程控制綜合訓(xùn)練近三年達(dá)成情況

圖6 控制系統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(shí)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(shí)、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(shí)結(jié)構(gòu)，遞進(jìn)協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維能力，提高自動(dòng)化專業(yè)教育質(zhì)量，增強(qiáng)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)對(duì)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(shí)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(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教改研究項(xiàng)目、甘肅省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量提高項(xiàng)目、甘肅省2020年省級(jí)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目、蘭州理工大學(xué)紅柳一流課程建設(shè)項(xiàng)目、蘭州理工大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目的支持。