1、面向工程教育专业认证的自动化专业课 程地图设计 李擎 崔家瑞 王丽君 杨旭 栗辉 北京科技大学自动化学院 摘 要： 近年来, 为了展示专业课程体系、各门课程之间的关系、各门课程的教学大纲以 及学生学习路径, 一些高校的自动化专业建立了自己的课程地图。 在传统课程地 图查询 (展示) 功能的基础上, 融入了工程教育专业认证的毕业要求和各门课 程支撑的能力指标点, 并增加了基于定性与定量相结合的学生整体与个体能力 评价功能。目的是为更好地开展持续改进工作提供有力的数据支撑。借助文章设 计的课程地图, 教师不仅可以查询所教课程在整个课程体系中的定位、 支撑的能 力指标点、教学目标等信息, 还可以查询
2、到学生对课程教学内容、教学效果、教 学方法等方面的评价。学生既可以查询各门课程的教学目标、教学内容、支撑的 能力指标点, 还可以查询学生在不同阶段应达到的能力以及自己的差距以及不 足等信息。 关键词： 课程地图; 工程教育专业认证; 能力评价; 复杂工程问题; 作者简介：李擎 (1971-) 男, 河北唐山人, 教授, 主要从事本科教学和实验室 管理、智能控制与优化研究. 基金： 中央高校基本科研业务费实验室专项“教学激励下的自动化专业实验室开 放模式研究” (项目编号:FRF-OT-012SY) Curriculum Mapping Design of Automation Specialt
3、y for China Engineering Education Professional Accreditation LI Qing CUI Jia-rui WANG Li-jun YANG Xu LI Hui School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing; Abstract： In recent years, a number of universitieshad established their own curriculum mapping i
4、n order to show the vocationalcurriculum system, the relationship between the courses, the curriculum syllabus and student learning path. In this paper, students ability evaluation function of curriculum mapping is designed based on query ( display) function of the traditional curriculum mapping and
5、 engineering education ac-creditation. It incorporated the graduation requirements of engineering education accreditation and the competency index of each course, and added the ability evaluation of students based on the combination of qualitative and quantitative research. The purpose is to provide
6、 strong data support for continuous improvement.Through the curriculum mapping, teachers can not only query the curriculum positioning, the supported ability indicators, teaching objectives and other information, but also can query the evaluation results of the course content, teaching effectiveness
7、, teaching methods and other aspects. Students can find the teaching objectives, teaching contents, the supportedability indicators of each course and they can also check the achieved ability at different stages. Keyword： curriculum mapping; engineering education professional accreditation; ability
8、evaluation; complex engineering problems; 近年来, 课程地图在高等教育中的应用日益增长, 一些高校的自动化专业建立 了自己的课程地图1-4。然而, 绝大多数课程地图只是展示了专业课程体系、 各门课程之间的关系、各门课程的教学大纲以及学生正常的学习路径。 2016年 6月2日, 我国正式成为工程教育华盛顿协议第 18个成员国, 标志 着我国工程教育真正融入世界工程教育, 人才培养质量开始与其他成员国达到 了实质等效, 同时, 也为以后我国参加国际工程师认证奠定了基础, 为我国工 程师走向世界创造了条件。 将有力地促进我国高等工程教育深化工程教育教学改 革
9、、提高人才培养质量5。 北京科技大学自动化专业作为“国家级CDIO 特色专业”和“卓越工程师教育培 养计划”成员, 进行了一系列的教学改革与创新, 取得了一系列成果6-9, 2014年申请了工程教育专业认证并于 2015 年顺利通过。 为了更好地开展持续改进工作, 为专家进行工程教育专业认证评价提供有力的 数据支撑, 为教师更好地了解所授课程对培养学生能力的贡献度, 使教学目标 更明确, 为学生在大学四年的学习过程中, 能够动态了解自身各个阶段应具备 的能力和已具备的能力以及如何有目标地提升个人欠缺的能力, 在传统课程地 图查询 (展示) 功能的基础上, 设计了自动化专业课程地图, 并新增了学
10、生能 力评价功能。 融入了工程教育专业认证的毕业要求和各门课程支撑的能力指标点, 并增加了基于定性与定量相结合的学生整体与个体能力的评价功能。 具体功能的 设计过程如下。 一、基于能力要求的地图查询功能设计 根据工程教育专业认证的 12条毕业要求10-11和我校自动化专业特色, 设计 了课程地图的查询功能。主要包括:五层次递进式培养体系、具体课程设置、课 程大纲 (课程简介、教学目标、课程定位、支撑的能力指标点、对应复杂工程问 题、教学方法) 等。 (一) 五层次递进式培养体系设计 根据12 条毕业要求, 设计了五层次递进式能力培养体系, 包括第一课堂和第二 课堂。第一课堂包括课堂教学、实验教
11、学、课程设计、实训和毕业设计 5个层次, 其中课堂教学分为通识课、学科平台课、专业核心课和专业选修课;第二课堂包 括基础技能培训、SRTP、校内学科竞赛、省部级及以上学科竞赛和就业技能培训 5个层次。以课程地图形式展示如图 1所示。 (二) 第一、二课堂具体课程设计 在培养体系的基础上, 依照以上培养体系, 基于OBE原则设计的部分主要课程 如图2 所示。 (三) 课程大纲设计 大纲的具体内容包括:教学目标、课程定位、支撑的指标点、对应层次的复杂工 程问题、教学内容及学时、教学方法、考核内容及方式等。以自动化生产线实训 为例, 具体设计过程和内容如下。 图1 五层次递进式培养系统课程地图 下载
12、原图 图2 第一、二课堂课程设置框图 下载原图 1. 课程简介 自动化生产线实训是自动化专业大三下学期必修的理论联系实际的教学实践类 课程, 学时为 1周, 周期为2个月。 课程以实际工业系统为原型, 涵盖完整的自 动化工厂实训系统, 包括过程控制、运动控制和制造自动化等多个行业子系统, 同时支持控制系统硬件平台集成、组态监控软件搭建、控制器编程 (Matlab、C 语言) 以及先进控制策略编程和验证等。 2. 教学目标 该课程的课程性质要求课程必须注重学生毕业要求指标点的达成, 教学目标具 体如下: (1) 能够掌握液位、流量、压力、温度、位置、速度等传感器选型方法, 并撰写 选型报告; (
13、2) 能够针对多容水箱、纸张张力、多热工参量系统、柔性制造系统、 多部多层电梯控制系统等自动化领域项目进行需求分析的方法, 并撰写 项目需 求分析报告; (3) 掌握多容水箱、纸张张力、多热工参量系统等被控对象的机 理建模和实验统计建模方法, 并使用Matlab完成建模; (4) 能够设计多容水箱、 纸张张力、多热工参量系统、柔性制造系统、多部多层电梯控制系统等系统的控 制方案; (5) 能够实现多容水箱、纸张张力、多热工参量、柔性制造、多部多层 电梯控制等自动化装置的现场实施与稳定控制, 并考虑经济、效率等因素; (6) 能够使用Labview或组态软件等设计合理的人机交互界面 (HMI)
14、; (7) 能够在 项目小组中分别担任负责人和成员的角色, 组织或配合团队完成项目; (8) 能 够清楚地阐述工程理念和专业观点, 撰写多容水箱、纸张张力、多热工参量、柔 性制造、多部多层电梯控制等系统的工程设计方案现场实施方案技术 总结报告及PPT汇报等文件; (9) 能够以小组形式清晰描述项目的开发过程, 现场展示项目成果。 3. 课程定位 在确定教学目标的基础上, 需要设计该课程学习前应具备的知识和后续应该继 续深入学习的知识及能力, 以满足毕业要求指标点。 由于该课程是理论联系实际 的实践类课程, 涉及工程、过程控制、PLC等相关理论知识, 因此, 前续课程主 要有工程导论、过程控制和
15、可编程控制器及应用等课程;同理, 为了更好地培养 满足工程教育专业认证毕业要求的毕业生, 后续的主要课程有学科竞赛、 毕业设 计和就业技能培训等。 4. 支撑的毕业要求指标点 在以上工作的基础上, 根据工程教育认证的毕业要求, 结合我校自动化专业特 色, 确定了该课程支撑的毕业要求指标点为: (1) 毕业要求指标点 2.3:通过文献研究, 从数学、自然科学、工程基础和自动 化专业知识的角度对自动化复杂工程问题进行分析, 以获得有效结论; (2) 毕 业要求指标点3.2:能够针对自动化专业领域复杂工程问题, 考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素, 设计/开发满足特定需求并具创新意识的自
16、 动化装置或自动化系统; (3) 毕业要求指标点 4.2:能够基于科学原理并采用科 学方法, 针对自动化专业领域的复杂工程问题进行数据分析与解释; (4) 毕业 要求指标点5.1:能够开发、选择与使用恰当的技术、资源, 以便解决自动化专 业领域的复杂工程问题, 并能够理解其局限性; (5) 毕业要求指标点 9.3:能够 在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色; (6) 毕业要求 指标点10.3:能够就复杂工程问题与同行及社会公众进行有效沟通和交流, 包 括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令; (7) 毕业要求指标点 11.2:在多学科工程项目实施过程中, 能够把
17、工程管理原理与经济决策方法进行 综合运用, 具有运行、管理和经济决策的能力。 5. 复杂工程问题设计 工程教育专业认证的核心目标就是培养学生解决复杂工程问题的能力, 而能力 的培养需要分解到大一到大四的各个阶段。 因此, 在确定了课程支撑的毕业要求 指标点的基础上, 每门课程设计对应于该课程的复杂工程问题 (符合工程教育 专业认证定义的复杂工程问题特征12-16) 。该课程通过具体的实训项目来体 现对应的复杂工程问题。 主要的实训项目有:多容水箱过程控制系统设计与实现、 纸张张力控制系统设计与实现、多热工参量控制系统设计与实现、柔性制造生产 线控制系统设计与实现、多部多层电梯控制系统设计与实现
18、等。以多容水箱过程 控制系统设计与实现项目为例, 复杂工程问题的体现如下: 第一, 存在一定的约束、技术指标要求多、且有可能相互冲突的问题。相互冲突 的多个因素体现在控制指标中要求快速、准确、稳定控制水箱水位, 但是快速控 制有可能使系统产生振荡, 动态过程产生超调, 超调量大系统的稳定性变差, 控制的精确性与速度之间有冲突。 第二, 必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决的问题。 常规 PID控制 可实现对水箱液位的控制, 但是为获得满意的控制效果, 要求考虑采用液位流 量串级控制或神经网络控制、模糊控制、自抗扰等其他智能控制方法。 第三, 涉及多门课程、无法用单一课程的理论和知识解决
19、的问题。多学科综合性 涉及机械结构、信号分析、控制理论、电路设计等多方面的理论技术及 PLC和工 业组态等工程技术;控制系统需要的稳定性、适应性、干扰的不确定性等要求。 6. 教学方法 为了更好地提升教学效果, 需要采用合适的教学模式和方法。所有课程均采用 CDIO-OO-DA工程教育模式。基于该课程的特点, 本课程主要有课堂教学、课外 自学两个环节。课堂教学主要采用案例教学和课内小组交流讨论教学方法。课外 自学主要采用点对点交流方式进行。 二、基于定性与定量相结合的地图评价功能设计 (一) 评价框架 在已有课程地图查询功能的基础上, 本文基于工程教育专业认证的毕业要求, 进行了课程地图功能的
20、改进与扩展, 新增了基于定量与定性的学生整体和个体 毕业要求达成度评价功能。定量评价包括第一、二课堂成绩;针对学生个体, 通 过问卷调查进行定性评价;针对学生整体, 定性评价采用任课教师座谈、期中教 学检查座谈会、毕业生座谈、用人单位和校友反馈、工程教育专业认证访谈、就 业率与就业质量麦可思第三方评价等方式进行。 (二) 评价步骤 1. 学生个体评价步骤 (1) 定量数据。定量数据主要是学生第一、二课程成绩。具体的每一门课程的成 绩都是由该课程支撑的各指标点的成绩累加得到。 各门课程的成绩具体计算方法 如下。 首先, 教师根据表 1中各行所示的各门课程支撑的各项指标点的权重, 设置考 核成绩中
21、各指标点的比例。具体计算公式为: 式中, Yi.j为学生第i项毕业要求的第j项指标点在该门课程中的成绩比例, i.j 表示该课程支撑的第 i项毕业要求的第j项指标点的权重, M为毕业要求数量 (12项) , Ni为第i 项毕业要求的指标点数。 其次, 教师按照成绩比例对学生进行考核, 考核形式包括平时成绩、大作业、现 场实验与展示、PPT 答辩、考试、合作情况 (包括指导教师评价和组内学生互评) 等。 最后, 将各项指标点的成绩累加得到课程的总成绩。 表1 大三学年部分毕业要求指标点与各课程权重矩阵 下载原表 以自动化生产线实训课程为例, 演示学生成绩的计算方法。 由表1 可知, 自动化生产线
22、实训课程支撑的 7项指标点权重分别为 0.4、0.4、 0.2、0.4、0.4、0.4、0.3 (总和2.5) , 则第一项指标点的成绩分配为 1000.4/2.5=16, 以此类推, 所有各项指标点的成绩比例分别为 16、16、8、 16、16、16、12分, 这些分值的总和 (100 分) 即为该课程的成绩。 然后, 教师根据各项指标点的成绩比例, 通过撰写报告、现场实操与展示、PPT 答辩、现场提问、小组互评等多样化考核方式给出学生各指标点的成绩。 最后, 将这些成绩进行累加得到该课程的总成绩 (包含了教师对小组成员的评 价和小组内学生互评结果) 。 (2) 定性评价的定量数据。 学生个
23、体定性评价的数据主要来源于学生的自评问卷 调查。将问卷调查结果进行统计汇总, 得到学生各指标点的定性结果 (不满意、 基本满意、满意、优秀) , 按照表2所示的定性与定量转换关系得到学生各指标 点的定性贡献度, 然后, 归一化得到定性评价的定量数据。 表2 学生毕业要求指标点定性与定量转换关系 下载原表 (3) 综合评价。按照毕业要求指标点与各课程权重矩阵 (如表1各列所示) , 按 列计算学生各指标点的最终成绩。具体计算方法如下: 式中, Yi为学生的第 i项毕业要求, Y (i.j) 为第 i项毕业要求的第j项指标点的 分数, Xk为学生第k 门课程的成绩 (包含问卷调查) , (i.j)
24、 , k表示第 k门课程 支撑的第i项毕业要求的第 j项指标点的权重, K为支撑某项指标点的课程数。 最后, 将各项毕业要求中的各指标点的最小值作为该项毕业要求的达成度。 为了能够更实时的评价, 让学生更好地了解个人和整体的学习情况, 以学期为 单位进行评价。 在计算某一学期的毕业要求达成度时, 需要将该学期支撑该毕业 要求的所有课程的权重进行归一化。 总的毕业要求达成度为各学期毕业达成度的 加权和。以大三下学期的毕业要求 3为例, 描述具体计算方法。 如:计算毕业要求 3 的各项指标点达成度。 以指标点 3.2为例, 由表 1的列可知, 指标点3.2由嵌入式控制系统、自动化生产线实训、工程导
25、论和问卷调查支撑, 以上4 门课程成绩分别为 82分、77分、91 分和80分, 则通过大三下学期课程 的学习, 学生获得大三下学期指标点 3.2的成绩为 同理可得指标3.1和 3.3的成绩分别为87.4 和83.3。因此, 该学生大三下学期 毕业要求3的达成度为指标 3.1、3.2和3.3 的最小值, 即为81.5。 2. 学生整体评价步骤 (1) 定量数据 (第一、二课堂成绩) 。定量成绩主要是各门课程所有学生成绩的 加权平均。首先进行统计汇总, 得到学生各门课程的成绩;然后计算各门课程学 生整体的平均成绩。 (2) 定性数据。学生整体定性数据主要包括教学检查座谈 会、毕业生座谈、用人单位
26、和校友反馈、工程教育专业认证访谈、就业率与就业 质量报告等。 与学生个体类似, 将各种调查表的定性评价结果按照表 2转换为具 体分数, 得到学生整体的定性对应的定量数据。 (3) 综合评价。按照毕业要求 指标点与各课程权重矩阵, 计算学生整体各指标点的定量成绩。 具体计算方法如 下: 式中, Zi为学生获得的第 i项毕业要求的分数, Z (i.j) 为第i项毕业要求的第 j 项指标点的分数, Xkl为第l名学生第k门课程的成绩 (包含第一、二课堂的成 绩和定性转换的定量成绩) , (i.j) , k表示第 k门课程支撑的第i 项毕业要求的 第j项指标点的权重, N为学生数, K为支撑某项指标点
27、的课程数。 与学生个体毕业达成度计算方法类似, 取每项毕业要求中最小的指标点达成度 作为该项毕业要求的达成度。 (三) 评价结果 根据以上的评价方法得到我校自动化专业学生个体与整体的毕业要求达成度雷 达图。 学生个体的评价如图 3所示。学生整体的评价如图 4所示。 从图3、4中可以清晰地看到学生个体与整体的各项毕业要求达成度情况。 三、结论 以上工作是北京高等学校教育教学改革项目“基于课程地图的自动化专业培养 方案优化”和北京科技大学教育教学改革与研究重点项目“建设自动化专业课 程地图提高信息化人才培养质量”的阶段性研究成果, 经过近一年的试运行, 取得了以下效果: (1) 教师能够更好地了解
28、学生整体情况, 教学更有针对性, 能够因材施教。 (2) 学生能实时获取当前阶段应具备的能力和已具备的能力, 更加明确努力方向。 (3) 该成果获北京科技大学教育教学成果特等奖 1项。 图3 学生个体能力评价雷达图 下载原图 图4 学生整体能力评价雷达图 下载原图 下一步项目组将在课程地图评价功能的基础上, 继续完成持续改进工作。 基于学 生整体能力评价结果, 进行培养体系优化、 课程内容调整、 教学方法和手段完善; 根据学生个体能力和职业规划, 给出选课及学科竞赛建议。 参考文献 1王静静, 夏德宏.高校课程地图建设探索:基于台湾地区高校经验的分析J. 高等理科教育, 2015, 120 (
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