工程教育专业认证引导的双向互动式计算机控制系统课程教学改革

摘  要：计算机控制系统是北京邮电大学自动化专业本科生主干课程。文章分析课程的教学现状与不足，针对工程教育专业认证的需求从教学内容、教学方式、考核方式方面提出教学改革方案，设计课程教学目标，删减与其他课程冗余的内容，增加基于极点配置法的控制器设计理论教学内容和Matlab仿真实验，增添新的教学案例，引入雨课堂、研讨式学习，提出三项树人立德的举措，加大过程评价占比，经过教学实践获得良好的教学效果。

关键词：计算机控制;工程教育专业认证;Matlab仿真实验; 雨课堂; 过程评价

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）22-0132-04

Abstract： Computer Control System is the undergraduate main course of automation major of Beijing University of Posts and Telecommunications. This paper analyzes the teaching status quo and deficiencies of the course， in view of the needs of the engineering education professional certification; the teaching reform plan is put forward from the aspects of teaching content， teaching methods， evaluation mode. The teaching objectives of the course are designed， the redundant content with other courses is deleted， the theory teaching content of controller design based on pole assignment method and Matlab simulation experiments are added， new teaching cases are appended， RainClassroom and discussion learning are introduced， three measures to cultivate people's moral integrity are proposed， and the proportion of process evaluation is increased. Good teaching results have been obtained through teaching practice.

Keywords： computer control; engineering education professional certification; Matlab simulation experiment; RainClassroom; process evaluation

工程教育认证在我国工科专业中受到越来越多的重视[1]，北京邮电大学自动化专业2020年入选国家一流本科专业建设点，通过工程教育专业认证势在必行。

随着大规模的在线课程闯入人们的视野，高等教育改革迎来了新的机遇和挑战。清华大学推出的智慧教学工具——雨课堂，将PPT、幕课和微信融为一体，预示着我国高等教育进入了“互联网+黑板+移动终端”的新阶段[2]。

计算机控制系统是北京邮电大学自动化专业本科专业主干课程，开设在自动化专业大学三年级下学期。该课程以模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理及接口技术为理论基础，主要介绍计算机控制领域的基本理论，综合性、技术性、应用性都很强，是为实现自动化专业人才培养目标的课程建设中关键一环。

一、计算机控制系统教学现状与不足之处

1. 在教学内容设计上，与智能控制课程有很多冗余的章节，如模糊控制技术、神经网络控制技术、基于遗传算法的控制技术。

2. 课堂教学以理论为主，2学分32学时的课程，理论占到28学时，实验仅为4学时，理论与实验的比例为7∶1，而且实验仅为验证性实验，锻炼不到学生的设计开发能力。

3. 该课程一般都是技术性内容讲授，与课程思政联系不紧密，人文素质教育体现不够。

4. 课堂以教师讲授为主，教师和学生的互动效果不理想，无法有效调动学生的主动性。

5. 教学评价以期末为主，平时∶期中∶期末为2∶1∶7，过程评价体现不够。

在分析了以上不足之后，我们提出了以下改进方案。

二、课程教学目标设计

过去的课程教学目标只是笼统地概括，针对工程教育专业认证的要求，要按照毕业指标点细化能力培养。设计的新教学目标如下。

计算机控制系统是一门综合性的应用课程。作为一门专业课，一方面阐述了线性离散系统的数学描述与分析方法，另一方面力图把数字控制器设计理论与工业生产对象相结合讲述设计实例，并基于Matlab 仿真平台介绍系统分析方法，使学生具有计算机控制系统的设计与开发能力、实验动手能力、Matlab仿真工具使用能力和团队合作精神。

课程目标及能力要求具体如下。

课程目标1：培养学生针对自动化领域复杂工程问题中的特定需求，确定设计目标，运用计算机控制专业知识完成满足特定指标要求的各单元（部件）（尤其是数字控制器）的设计与开发的能力。

课程目标2：培养学生根据实验方案采用科学方法构建实验系统，并安全地开展实验，正确地观察、采集、整理实验数据的能力。

课程目标3：培养学生恰当地选择专业模拟软件、并对自动化领域的复杂工程问题进行分析、计算、仿真与综合设计的能力。

课程目标4：培养学生团队合作精神或意识，主动与其他学科成员开展有效沟通、合作共事的能力。

三、教学内容改革

（一）整合理论教学内容

删除与智能控制课程冗余的章节，如模糊控制技术、神经网络控制技术、基于遗传算法的控制技术，增加基于极点配置法的控制器设计理论教学内容。修改后的理论教学内容包括计算机控制系统概述、线性离散系统的数学描述与分析、数字PID控制、数字调节器直接设计方法、基于极点配置法的控制器设计和计算机控制系统的设计，并结合Matlab仿真把抽象的控制理论形象化呈现出来。课程思维导图如图1所示。

图1 课程思维导图

（二）增加实验课时，改进实验内容

以往实验仅有4学时，为培养学生的实验动手能力、理论联系实际能力和实事求是精神，在保证理论内容讲解的同时，加强实践环节，缩减理论课时，增加实验课时到8学时，理论与实验的学时占比变为24∶8。

以往的实验只有两个，内容较少。新教学大纲增加两个实验，状态反馈与状态观测器实验和电机调速实验，四个实验的设置见表1。并注重Matlab仿真程序的设计，前三个实验除了要在实验台上完成硬件实验，还要求运用Matlab仿真工具设计数字控制器并仿真系统阶跃响应曲线、计算性能指标，使学生能理能动，能虚能实。

（三）增添新的教学案例

以往的教学案例安排在最后一章，有两个。一个是微型计算机控制直流伺服系统设计[3]，涉及到位置环、速度环、电流环三环控制，是典型的PID控制实例，重点讲解了总体控制方案设计、硬件设计（包括微型计算机选择）、控制算法设计、软件设计和系统联调，给学生介绍了完整的控制系统开发流程。另一个是微型计算机温度控制系统设计[3]，实例的对象是六温区网带式连续烧结电阻炉，是有时延的被控对象，控制算法采用的是大林算法。这两个案例都是比较传统经典的教学案例。近些年来，随着计算机控制系统应用越来越广泛，应用对象也越来越复杂，因而需要推陈出新，本课程精心挑选了基于单片机的四旋翼自主巡线无人机设计和采用极点配置的自动驾驶汽车换道路径规划与跟踪控制。四旋翼飞行器的设计讲解了姿态解算、坐标系转换、四元数求姿态角、PID调节、梯度下降算法[4]等知识点，并修正了原文献中的错误。自动驾驶汽车换道路径规划与跟踪控制讲解了基于三次多项式曲线的路径规划算法和基于线性矩阵不等式区域极点配置方法的路径跟踪控制策略[5]。这两个新的案例反映了学科专业先进的核心理论和成果，加深了学生对复杂计算机控制系统概念及特点的理解。通过这四个教学案例，不仅给出了模拟化设计方法、直接设计法、状态空间法的典型应用，而且给出了工程设计开发的具体流程，对培养学生计算机控制系统的设计与开发能力奠定了基础。

四、教学方式改革

（一）雨课堂增添了师生互动

雨课堂教学模式打破时空限制，解决师生交互不足问题，整合线上与线下教学资源，让课前—课中—课后环节的每一项内容都赋予师生全新的体验，从而有效提升知识吸收和传授的效率[6]。

本课程采用雨课堂教学，设计了74道客观题，提前设置好答案，增加了课上互动环节，打破传统课堂“满堂灌”和沉默状态的方式方法，随时跟踪学生的学习状态，训练了学生问题解决能力和审辩式思维能力。

（二）引入MOOC教学，使学生拓展视野

中国MOOC大学官网是个很好的教学网站，其中有北京交通大学王爽心等老师开设的计算机控制技术，还有东北大学关守平等老师开设的计算机控制系统和北京交通大学张三同等老师开设的同一门课，都是很好的MOOC资源，我们给学生提供了网站信息，以拓展学生的知识面。

（三）引入研讨式教学

本课程采用研讨式教学，根据教学内容在第二章给学生布置了经典的英文文献，设置了5次研讨，由教师提供扩展学习资料、提出研讨问题，学生自主探索，在此基础上展开以小组为单位的研讨式教学，倡导“学生为主，教师为辅”的教学理念并真正加以推广应用。

（四）雨课堂线上提交批改作业

本课程作业采用雨课堂线上提交批改，为专业认证提供充分档案资料。

五、立德树人的举措

习近平总书记曾在全国高校思想政治工作会议上强调，“要更加注重以文化人以文育人”[7]，本课程是典型的工科课程，在深度挖掘课程所蕴含的思想价值和精神内涵基础上，提出以下立德树人的举措。

（一）引导学生尊重客观事实，树立实事求是、严谨认真的态度和作风

学习科学工程知识本身就是一个求真务实的过程，本课程在课程实验中要求学生实事求是、严谨认真，不能弄虚作假，作为老师要言传身教，不能应付了事，而要严格要求。

（二）注重培养学生自主学习能力、团队合作精神

为了让学生了解大师们的科研进取精神和科学路径，本课程布置了六篇经典英文原著、一本英文教材，通过查询阅读文献，提高了学生的自主学习能力;并让学生自愿组队完成阅读，以培养学生的团队合作精神和沟通能力。

（三）注重工程伦理教育

本课程给学生推送了五本有关科学伦理、工程伦理的素质拓展资料，学生在报告中列举了不少违背工程伦理的实例，比如日本排放福岛核废水进入太平洋、萨默林老鼠免疫事件等，触目惊心。通过学习，学生们体会到“在科技领域内出现损害公共利益、弄虚作假等伦理道德滑坡现象，严重腐蚀了科学发展的根基”。

六、考核方式改革

为了强调过程评价，本课程改革了考核评价标准，平时：期中：期末占比由原来的2∶1∶7，改为4∶1∶5。平时由作业、实验考核变为作业、课堂练习、实验，占比是1∶1∶2。作业由分析设计题拓展为分析设计题、文献阅读题、素质拓展题;课堂练习除了思考题以外，又增加了客观题。思考题考评学生预习、复习情况，锻炼学生的口头表达能力，客观题考评学生的听课效果，直接由雨课堂给出分数。

各个考核环节对于课程目标和毕业要求的指标点的贡献度见表2。

期中和期末考核达成课程目标1和3，作业和课堂练习达成课程目标1、2、3、4，实验达成课程目标2、3、4。

七、结束语

教学改革是高等教育赖以生存和发展的生命线，也是提高教育质量和教学水平的关键[8]。工程教育专业认证的需求激发了教学改革的动力，本课程从教学内容入手深挖根源，删减了与其他课程冗余的内容，增加了基于极点配置法的控制器设计理论教学内容和Matlab仿真实验，增添了新的教学案例。雨课堂的出现为教学现代化提供了很好的平台，本课程引入了雨课堂、研讨式学习。过程考核促进了考核方式的机制转变，本课程加大了过程评价占比。据向学生发放的调查问卷统计结果显示，对教学改革的总体满意度为88%，获得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]汪德彪，胡文金，杨波，等.基于工程教育认证的《计算机控制系统》课程改革与实践[J].教育教学论坛，2019（32）：263-266.

[2]王伟，黄丽蓉，屈喜龙.基于雨课堂的数据库技术课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2020（15）：157-159.

[3]赖寿宏.微型计算机控制技术（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]张锦瑞，赵华磊，李试森，等.基于STM32的室内四旋翼飞行器的设计与实现[J].现代计算机，2020（26）：80-85.

[5]张家旭，张振兆，赵健，等.采用极点配置的自动驾驶汽车换道路径规划与跟踪控制[J].西安交通大学学报，2020，54（10）：160-167.

[6]吴红波，李小燕，张瑞君.基于雨课堂和BOPPPS模型的课堂教学改革——以遥感概论为例[J].高等理科教育，2021（3）：86-92.

[7]习近平：把思想政治工作贯穿教育教学全过程[EB/OL]. （2016-12-08）.http：//jhsjk.people.cn/article/28935836.

[8]万李.MOOC对高校计算机基础课程教学改革的启示——以湖南科技学院为例[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2014，27（4）：83-85+88.