测控技术与仪器专业控制类课程群实验实践教学改革与实践

摘  要：控制类课程群是测控技术与仪器专业课程体系的重要组成部分，实验实践教学是工程教育的一个关键环节。该文分析合肥工业大学测控技术与仪器专业控制类课程群实验实践教学现状及问题，从课程群课程内容体系、课程实验规划、多元化的实验实践教学、考核与反馈评价机制等环节，提出一系列教学改革措施，建立创新型控制类课程群实验实践教学体系。该文所述方法在教学实践中取得一定的成效，研究成果为其他课程群的教学改革提供很好的参考价值。

关键词：测控技术与仪器专业;控制类课程群;实验实践教学;创新能力;教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）17-0034-04

Abstract： The control course group is an important part of the curriculum system of measurement， control technology and instrumentation specialty. Experimental and practical teaching is the key issue of engineering education. In this paper， the current situation and problems of the control course group teaching in the measurement， control technology and instrumentation specialty of Hefei University of Technology are discussed. A series of teaching reform measures is put forward， such as the course content system of the course group， the course experiment planning， the diversified experimental and practical teaching， the assessment and feedback evaluation system， etc.， which establishes an innovative control course group experimental and practical teaching system. The proposed methods have achieved certain results in teaching practice， and the research results of this paper provide a useful reference for the teaching reform of other course groups.

Keywords： measurement， control technology and instrumentation specialty; control courses group; experimental and practical teaching; innovation ability; teaching reform

测控技术与仪器专业（以下简称“测控专业”）是仪器科学与技术一级学科下的本科专业。仪器科学与技术学科作为一个综合技术领域的工程性学科，显著特点是学科的“交叉性”与技术的“集成性”，该学科内容涉及电子学、控制学、光学、机械、计算机科学与技术等方面[1-2]。测控专业从对学生的培养上来说，要求学生专业基础上知识面宽，通过专业培养能较全面激发学生的创新思维，这也是对学生的工科综合能力培养提出了一个较高的要求。合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测控专业在专业建设上成绩显著，2008年被教育部批准为国家级特色专业，2012年通过教育部工程教育仪器学科首批专业认证，并于2018年再次通过专业认证，有效期均为6年，2020年又获批为国家一流专业。测控专业在教学过程中以课程群的方式来进行，主要的课程群有机械设计类课程群、检测技术类课程群、信息处理类课程群和控制类课程群等，并采用一系列相关的课堂教学、实验、实践环节完成教学过程。控制类课程群一直是该专业课程体系中一个重要组成部分，学生除需掌握丰富的控制理论知识外，还必须具有一定的实验和实践能力[3]，其实验实践教学环节尤其重要，教学效果直接影响到学生是否形成学习兴趣、能否树立专业意识以及能否具有基本的工程素质和技能。本文针对国家新工科建设需求，针对目前实际教学中存在的问题，通过控制类课程群教学实践，着重对课程群实验实践教学进行改革和建设，进一步提升学生的工程实践能力和创新能力。

一  课程群实验实践教学改革背景

控制类课程群的课程特点是内容丰富、理论较抽象、新技术发展快，普遍存在“学生难学，教师难教”的情况[4-5]。针对目前本校专业教学实际情况，主要教学问题现状表现在以下几个方面：

控制理论基本课程之间缺乏有效的联系，其联系程度还有待进一步加强。目前课程设置中以专业基础课、专业必修及选修课、专业实践课的三段课程模式，缺少以培养学生实践能力为导向的有机整合，课程教学过程中课程之间的相互联系、内容的先后承接等有待进一步加强。

课程理论知识与实践环节之间联系不紧密。课程理论教学与实验教学有时脱节，学生往往由于缺乏理论与实践的关联性的整体考虑，导致不容易将知识系统化，这就造成无法将理论知识和实验联系起来，不能够综合应用到实际中，从而不能有效培养学生的工程素质和技能。

实验实践环节之间缺乏联系。控制类课程群的实践教学往往以课程为单位，缺少以工程实践、创新能力培养为导向的综合实践能力环节，造成学生掌握知识零散，难以建立起工程系统的整体概念，从而使得学生对于工程实践的复杂问题处理不够灵活。

因此，在国家新工科建设背景下，“以学生为中心”，进行控制类课程群实验实践教学改革势在必行。

二  课程群实验实践教学改革措施

针对上述实际教学中存在的问题，根据测控专业人才培养目标，结合控制类课程教学实际情况，课程组教师在教学过程中不断研究与探索，从课程群教学内容设计与教学方法、课程实验教学改革与设计、实践创新环节学生创新能力的培养、考核制度与反馈评价等环节入手进行教学改革，主要改革措施如下。

（一）  明确课程群建设目标，整合、优化教学内容，提升教学方法

根据测控专业“工程基础厚、工作作风实、创业能力强”的人才培养特色，培养工程应用型、创新型信息技术领域测量控制与仪器仪表类的高级专门人才的目标，控制类课程群主要包括专业基础课（信号与系统、自动控制原理）、专业必修和选修课（控制技术与系统、精密运动控制、过程控制技术、可编程控制器、虚拟技术与仪器、DSP原理与应用、FPGA技术及应用）和实践课程（测控系统综合设计、生产实习、毕业设计），共12门课程，具体控制类课程群的课程关系图如图1所示。本课程组教师以新工科建设为背景，以学生能力培养为导向，以课程主讲教师为龙头，由主讲教师和实验课教师组成课程教研组，组织课题组教师进行调研、讨论，将控制类12门课程融为一体，讨论课程之间的相互衔接关系，并使课本知识与社会接轨，从而制定合理的课程教学大纲和实验计划等。同时教学内容及时反映学科领域的最新科技成果，强调教学内容与工程技术最新进展相结合，体现社会发展对人才培养提出的新要求。

目前课程群内全部课程都已应用多媒体进行教学，并结合雨课堂教学方式，进行全方位教学模式的改革。教学方式也从传统的填鸭式教学，变成了多种途径的互动教学方式。在实际课程教学中，增大案例教学比例，激发学生的创新思维意识和创新能力。在原理性较强的课程中，通过专门的习题课（可以不占用课堂时间）对作业、制作等进行订正和答疑;对于工程技术性较强的课程，作业可以选用不同的形式，如设计报告、工程应用、科技制作等。立德树人的建设成效是高校工作的一个根本标准。课程组教师在实际教学中，加强对课程思政内涵的理解，探寻课程思政的有效实施方式，选择经典控制类课程思政教学案例，加强课程思政建设。通过对典型控制课程思政案例的讲解，在教学中融入课程思政，加强学生的思想教育，培养其具有高尚的思想品质和职业道德，从而才能培养成为合格的社会主义建设者和接班人。

（二）  课程群理论课程的实验教学改革与实践

课程群中既有专业基础课，也有专业必修选修课。在基础课程教学中安排常规实验教学，实验内容和教学内容紧密联系，实验针对课堂教学的重要知识点来设计与安排，目的是对课堂教学内容进行验证，加深对课堂教学内容的理解，该类实验主要是以基础验证性实验和综合性实验为主。如在自动控制原理课程中，在课堂教学过程中引入Matlab仿真软件Simulink进行控制系统实验，使学生能直观地看到不同控制系统在不同参数变化情况下的运行结果及性能指标比较，加深学生对理论知识的理解，有效调动学生的学习积极性和探究欲望。如可编程控制器课程安排4个学时的实验，采用课内实验的方式进行，使学生深刻理解基于PLC控制具体的实现，提升学生的工程化实践能力。在FPGA技术及应用课程安排了8个学时的实验，使学生掌握VHDL语言的程序设计，并利用实验工具箱结合Altera公司的EP3C器件进行程序设计和开发，熟练使用EDA工具。在DSP原理与应用这门课程安排8个学时的课程实验，通过实验开发板教学，使学生能对DSP2000、5000系列产品有基本的应用，并能根据实验需求进行程序设计和开发。其他各门课程也都根据实际教学需要，开设与布置相关实验环节。

以控制原理为基础，以基本元器件、测量仪器与设备等为主线，指导学生设计验证性实验和创新性实验，这样既能按照教学要求完成多门课程所必需的基本教学实验，又能为学生提供自行设计、构建多种复杂控制系统的条件。比如，在基础实验基础上，开发基于Matlab的系统设计、系统辨识、系统控制的研究型实验，以直流电机、步进电机为平台开展各种PID改进算法的算法验证，可以将理论结果和实际效果进行对比，设计并不断优化系统性能，要求学生运用所学知识进行分析综合，从而使学生提高动手能力和知识综合运用的能力。

（三）  创新性实验实践环节的设计与优化

在完成理论课程实验的基础上，更多的是让学生参加综合实践活动，重视学生创新思维和独立操作能力的培养。创新性实验实践主要方式有课程内的创新性实验，以课程设计、生产实习和毕业设计为主的开放探索性实验实践，以科研项目驱动的科研创新实践、以企业需求为引导的校企合作实践项目，以学科竞赛为引导的学生实践能力培养等。

创新性实验实践主要是加强学生综合能力与创新能力的培养，在学生完成课程的基础验证性和综合验证性实验时，要求学生把在理论课和普通实验学到的知识和技能，综合运用在所研究的开放性实验课题中。课程设计重在理论知识的巩固和实践能力的培养，毕业设计则要拓宽专业知识面，生产实习与毕业实习重在加强工程实践，实现课堂教学与社会需求的无缝连接，给与学生自主选择题目和研究设计内容的机会。测控系统综合设计与毕业设计是综合考察学生掌握知识的能力，也是一个开放性的实验环节，可以结合教师科研项目或校企合作课题进行不断研究，使实验具有灵活性和开放性，目的是培养学生的知识整理、问题处理和判断能力。生产实习以及毕业设计期间，可以考虑安排专家、学者等开展“控制理论及应用”系列的专题讲座，使学生及时了解学科发展动态，及时把握先进思路，这样能有效地使学生拓展实际的思维控制，从实际出发，从应用出发，来设计自己的实践项目内容。充分发挥学院教师的科研项目和科研成果优势，鼓励本科生积极投入到教师的科研中来，在科研实践中培养实践能力，加强学生创新思维和独立操作能力的培养。积极与企业相结合，构建产学研实践基地，这样既拓展了实验室资源，也开拓了学生的专业视野，紧密结合现代工业应用和市场需求。以学科竞赛为引领，使学生积极主动进行各种创新设计，培养学生学习兴趣，如智能车竞赛、科技创新设计大赛、光电设计大赛和传感器设计大赛等。