基于CDIO教育理念自动控制理论精品课教学改革研究与实践-

论文导读：高各种课外学习活动的覆盖面和参与面，通过研究小组、讨论班、报告会、俱乐部、沙龙、社团等各种载体，让每一个学生都有锻炼施展多方面能力和才华的舞台。教学的关键点是教给学生一种思考问题的思维方法，有些知识问题的具体细节，忘记了可以查书，但思考问题的方式，一旦领悟并加以应用后，具备的是解决更多新问题、领悟更多新知识
[摘要]CDIO，即构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运作(operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。本文选用自动化专业的一门主干课“自动控制理论”为研究对象，运用CDIO教育理念对该课程的教与学进行探讨和实践，形成了以学生为主的“活跃课堂、积极实践、学术探讨、项目研究、网络助学”的教学模式，经过5年的教学实践，取得了很好的教学效果和教改成绩，使学生在实际动手能力、独立创新能力、团队合作能力方面有所提高，为创新人才成长搭建了宽广舞台。
[关键词]CDIO；工程教育；自动控制理论；教育理念
[]A　[文章编号]1005-4634(2012)03-0041-03
1　研究背景
CDIO工程教育培养模式是由教师简洁明了地介绍要学的相关概念后，将学生分成小组，每个小组5～6人。各个小组自己设计实验方案、确定操作流程、选择器材，分工合作完成实验。通过分析实验结果，学生提出其中存在的问题，然后教师开始剖析概念、讲解原理，并和学生一起探讨。该模式可以培养学生分析问题、解决问题的能力，同时能够增强学生的自学能力、沟通协调能力、团队合作能力以及大系统的运作能力并最大地发挥学生的积极性和创造I生。自动控制理论是指导人们在一定工程背景下实现对复杂系统设计与分析的方法论，理论性很强，而CDIO工程教育模式的精髓——CDIO代表的构思、设计、实现和运作正是自动控制理论思想的具体体现，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，旨在培养学生的工程能力，是一种新的高等工科教育模式。它包括个人的工程科学能力和技术知识能力、终生学习能力、团队交流能力和大系统协调等方面的能力。显然，CDIO的教学目标与应用型高校本科专业的培养目标是一致的，即培养理论与实践相结合、工程技术与市场需求相结合的高级专门人才。以人才培养为目标，以教学改革为指导，以教材创新为核心，以科学研究为基础，对自动控制理论课程进行改革，以适应国内快速发展的工控领域对自动化人才的要求。
2　教学理念的转变

2.1　教学模式改革

“培养什么样摘自：7彩论文网毕业论文www.7ctime.com
的人才、如何培养人才”始终是高等教育的基本问题，“教什么、怎么教，学什么、如何学”始终是教学过程中的一对基本矛盾。很多教师认为“教什么”最重要，至于“怎么教”、“怎么学”全在个人，不重视教学方法的研究，习惯于个人传统方式的延续。认为“怎么教”是教师的事情，“怎么学”是学生的事情，“教”与“学”分离，对教师主导、学生主体、师生互动交流认识不足；对教学大纲的把握、对教学目标的实现认识不足，认为教材、讲义、网上资料师生可以自由使用，殊不知，这是教师不负责任、偷工减料的表现；对课程的规律性与学习能力培养的重要性认识不足，有的教师过分强调讲课面面俱到，“填鸭式”教学方法反而贻误了学生创造思维的训练和培养。为此，提出如下理念。
1)学生的主体性与教师的主导性融合。教师视每次授课为一场表演，既是演员又是导演，学生是观众。这样教师就要在如何演的精彩、如何引人入胜上下功夫，教学过程中教师主导活动和学生主体活动不断融合实现动态转换，随着知识的潜移默化，学生的学习活动自主性逐渐扩大，教师的传教活动制约性逐渐缩小，最后转化为学生能够完全自主学习，真正成为学习的主人。
2)学习的开放性与教学的关键点融合。信息时代提供了众多的知识获取途径，课堂和教师已不再是获得知识的唯一渠道，应该充分利用网络、名师、资料、实验、学科、专业等优质资源环境与学术氛围，把学习的场所从课堂扩展到大型实验室、图书馆、讲坛等。自主研学、拓展训练、思维创造，为学生知识创造和能力建构拓展了更加宽松的环境，这是当前教学模式改革的核心。强化自主性、综合性、设计性实验，重视工程实践、课程设计、项目训练以及大学生生产实习；将学生个体的学习扩展到小组学习、团队学习等合作学习的形式；着力提高各种课外学习活动的覆盖面和参与面，通过研究小组、讨论班、报告会、俱乐部、沙龙、社团等各种载体，让每一个学生都有锻炼施展多方面能力和才华的舞台。教学的关键点是教给学生一种思考问题的思维方法，有些知识问题的具体细节，忘记了可以查书，但思考问题的方式，一旦领悟并加以应用后，具备的是解决更多新问题、领悟更多新知识的能力，这才是教与学的关键。充分利用互联网拓展学生网上学习、教师网上答疑、学生网上作业、教师网上批改的新途径。
3)教学评价的综合性与透明性融合。既然讲课就是表演，演员演得如何观众最有发言权，采取学生匿名网上评议制，对每位授课教师按照统一的评价指标给予教学质量评价，教师可以随时查阅学生评价做到有则改之无则加勉，这种方式有效提高了教师的教研水平。
4)学生成绩评定的多样性与灵滑性融合。采取平时考核(20％)＋实验考核(10％)＋学期考核(70％)作为学生的最终成绩，这样充分调动了学生学习的自主性与积极性，避免了一考定终生和逃课现象。

2.2　明确精品课程的内涵

精品课程是指具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程，省级精品课《自动控制理论》是由自动化系负责开设的院级平台课，是一门理论性和实践性都很强的课程，理论比较枯燥，难以理解，其特点是概念多、抽象，理论分析和数学计算比重大，在课程讲授过程中，若不注重教学模式的改进，就会让学生感觉似乎在学一门“数学”课，跳不出抽象的理论框架，不知道如何把该课程的理论知识应用于工程实践中，那么，这门课程的讲授就是失败的。在课程教学改革实践中，引入CDIO模式，以小型控制课题为导向，引导学生自觉加深理论学习，依次完成控制系统建模、控制器设计、仿真实现，培养了学生的创新能力、动手能力及课题研究能力，激发了学生的学习兴趣。因此，教师要有目的、有计划、有步骤地结合教学的具体内容对学生进行思维方式的引导、指导和训练，使学生理解并掌握诸如典型化、线性化等论文导读：(1)引导学生充分利用图书馆和网络，搜集相关资料；(2)学生分成研究小组，在6周的时间内，跟随课程的学习进度依次完成被控对象的建模和性能分析，并完成控制器的设计，然后用Matlab/Simulink建立控制系统的仿真模型，对系统的控制性能进行仿真分析；(3)要求学生以组为单位撰写研究报告，并以小组的形式进行研究汇报，汇报中要求小组成员
处理方法和意义，体会到数学作为一种工具处理工程问题的重要性和趣味性，使学生变被动学为主动学，提高学习积极性，既巩固了知识体系，又树立起工程思想。3　基于CDIO教育理念的教学改革
探索了CDIO理念下的以研究型学习，以实际的物理对象为背景进行控制系统建模、控制器设计、仿真实现的教学模式，并相应地对教学内容、教学手段、考试方式进行了配套改革。

3.1　教材建设

教材是教学理念的载体，是课程体系改革的核心。为了充分贯彻课程改革建设，发挥团队的特色，自2003年开始狠抓教材建设，相继出版了两部理论教材：《现代控制理论》(中国标准出版社2003)、《自动控制原理》(21世纪高等院校优秀教材，国防工业出版社2004)；两部与之配套的书籍：《自动控制理论学习指导》(大连理工大学出版社2004)，《自动控制理论实验及综合系统设计》(华中科技大学出版社2008)；一部用于指导学生进行计算机辅助设计的《控制系统数字仿真及MAT-LAB语言》(电子工业出版社2009)。形成了理论教学、实验教学、学习指导、CAD实现的系列特色教材，为知识的有效传播奠定了基础。

3.2　良好的开端是成功的关键——绪论的重要性

在绪论中重点介绍自动控制理论的发展史，研究的对象、方法及主要内容，自动控制理论的特点和发展趋势以及在工业生产、航空、航天等领域所起的重要作用。为了增强学生学习该课程的兴趣，课程中利用多媒体技术制作了多个视频资料，包括阿波罗登月、我国的神舟七号载人航天飞行、美国NASA的月球车、国际机器人大赛以及人在大脑支配下的行为过程等，并简要介绍了这些系统中用到的自动控制理论知识、课程的重点及学习方法，学生由此对课程产生了浓厚的兴趣及强烈的求知，促进了学生从“要我学”到“我要学”的转变。

3.3　强化实践教学，提升工程实践能力

围绕工程实践和创新精神培养这一目标，实践教学构建三层体系，突出综合性、设计性、研究性训练，加强课内实验、课程设计、毕业设计等实践环节的有序衔接。提出以学生为主的“活跃课堂、积极实践、学术探讨、项目研究、网络助学”的教学模式，进行了基于“学术探讨、项目研究”的教学改革。将教学分成三个阶段：课堂教学、课程设计、毕业设计。精心设计了一整套与之对应的项目体系：以随堂进行的项目为项目，促进学生对专业核心课程的学习；以专业课程设计为二级项目，培养学生构建并运用知识模块的能力；以毕业设计为一级项目，培养学生用专业知识开发设计复杂系统和产品的能力。为探索CDIO教学模式，将授课教师从科研项目中提炼出来的基于团队的项目与课程实验教学有机融合，让学生在课堂上学习理论知识，课外进行项目的研究，使学生自主建立起以确定项目方案、设计和仿真为主要内容的学习体系。项目的最后，要求学生以撰写项目报告和制作PPT的形式进行项目研究的汇报，改变了以往以课后习题来巩固学生所学理论知识，类似于“纸上谈兵”的学习方式。结合不同章节内容的特点，教学骨干自行开发了所有课程的多媒体助学课件，如针对根轨迹绘制制作了全动画多媒体课件，受到学生的普遍欢迎。这种教学模式为创新人才成长提供了自主性、研究性、多样性的宽广舞台，促进了学生创新实践能力和综合素质的全面提升。燕山大学学生先后在全国“飞思卡尔杯”智能车大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“挑战摘自：7彩论文网学术论文格式模板www.7ctime.com
杯”创业计划大赛以及全国电子设计竞赛等许多重要赛事中均取得了十分优异的成绩。

3.4　加强网络教学平台与资源共享建设

为培养学生自学能力，自行研发了网络综合教学平台，提供了15个子系统供师生使用，形成了一个集教学、学习、实验、设计、考研辅导、信息交流于一体的自动控制原理在线教学的专业网站，实现了教育资源共享。以图文并茂的形式提供丰富动感的教学内容，利于突出重点、突破难点，优化课堂结构，创造良好的网络教学环境，提供教学讲义、教学视频、课后练习测试、同步训练、在线答疑、提交作业、考研专题等多个栏目，为学生提供了丰富的教学资源。

3.5　开展研究型学习

教学中引入的工程实例倒立摆装置是一个复杂的、不稳定的非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。教学中，将倒立摆作为工程实例贯穿整个课程，在各阶段理论教学后，完成倒立摆的系统建模、分析及控制器设计等，提高学生的工程应用能力及学以致用的信心。
研究型学习分三个阶段：(1)引导学生充分利用图书馆和网络，搜集相关资料；(2)学生分成研究小组，在6周的时间内，跟随课程的学习进度依次完成被控对象的建模和性能分析，并完成控制器的设计，然后用Matlab/Simulink建立控制系统的仿真模型，对系统的控制性能进行仿真分析；(3)要求学生以组为单位撰写研究报告，并以小组的形式进行研究汇报，汇报中要求小组成员全员参加，教师和其他组学生同时对研究情况进行打分评价。通过汇报，不仅可以活跃研究氛围，加强各组学生之间的交流，开阔学生的视野，还可以检验每个学生在课题研究中的参与程度。
最后，可以在一、二、倒立摆实验平台上，实现学生自行设计的系统验证。在课堂上，教师们也把工程项目的部分内容作为教学案例介绍给学生，注重知识讲授与项目实践有机结合。在课下，教师们带领学生积极参与科研项目研发或专业竞赛活动，培养了一批专业基础扎实、动手能力强的优秀学生。利用好现有的实验室和实习基地，探索出了一条行之有效的工程教育模式，使学生在实际动手能力、独立创新能力、团队合作能力方面有所提高。
4　结束语
教学实践表明，基于CDIO教育理念的教学模式可以大大提高学生的学习积极性、主动性，促进学生从“要我学”到“我要学”的转变，有利于培养论文导读：
学生的动手能力、综合应用能力和创新能力。学生反映非常喜欢这种教学模式，并提出了很多很好的建议，加强了学生和教师之间的沟通与交流，起到了教学相长的效果。
作为一种工程教育教学模式，CDIO具有先进的理念和很好的借鉴作用。将这种工程教育思想贯穿于自动化专业人才培养方案改革、课程体系建设、师资队伍建设、实践教学建设等各个方面，构建理论与实践相结合，技术与市场相结合的应用型人才培养体系，为国家、地方培养合格的高级专门人才，是教育工作者的不懈追求。
参考文献
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