王立紅

基于OBE理念的“自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)改革

王立紅

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

為滿足專業(yè)工程認(rèn)證需求，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，本文基于OBE教育理念，反向設(shè)計(jì)教學(xué)模式，對(duì)課堂教與學(xué)模式進(jìn)行改革與探索，采用線上線下混合教學(xué)，設(shè)計(jì)典型工程案例。教學(xué)目標(biāo)符合畢業(yè)要求，教學(xué)內(nèi)容結(jié)合工程實(shí)際，考核評(píng)價(jià)方式多元化、合理化，既注重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，又注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。實(shí)踐證明，該方法有效地增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)意識(shí)，明顯改善了教學(xué)效果。

自動(dòng)控制理論；OBE理念；反向設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

“自動(dòng)控制理論”是高校自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和考研專業(yè)課，也是測控技術(shù)與儀器、機(jī)械工程及其自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、給排水工程等多個(gè)專業(yè)開設(shè)的必修課[1]。自動(dòng)控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、日常生活以及國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此本課程不僅要求學(xué)生掌握自動(dòng)控制的基本概念、基本理論和基本方法，更強(qiáng)調(diào)結(jié)合自動(dòng)化領(lǐng)域的工程實(shí)際，為自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，從而能夠進(jìn)一步解決自動(dòng)控制領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題[2]。傳統(tǒng)的教學(xué)存在以下不足：（1）教學(xué)時(shí)遵循擬定的教學(xué)大綱，按照教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)日歷開展教學(xué)，忽視“以成果為導(dǎo)向”這一目標(biāo)；（2）教師在授課過程中仍以講授為主，將設(shè)計(jì)好的教學(xué)內(nèi)容傳授給學(xué)生，學(xué)生則是對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行吸收和整理，忽視了對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)；（3）教學(xué)形式單一，學(xué)生沒有團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，學(xué)習(xí)效率低下；（4）考核方式不完善，缺乏過程考核。

針對(duì)以上問題，本文基于成果導(dǎo)向這一教育理念，對(duì)“自動(dòng)控制理論”課程進(jìn)行教學(xué)改革。以“學(xué)生為中心”、以“成果為導(dǎo)向”，設(shè)計(jì)典型教學(xué)案例，采用課堂討論、任務(wù)驅(qū)動(dòng)以及線上線下混合模式，靈活開展教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，注重課程教學(xué)效果和學(xué)生能力的培養(yǎng)。

一、基于OBE理念的教學(xué)模式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教育是學(xué)科導(dǎo)向，按照學(xué)科劃分設(shè)置專業(yè)，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上更是注重學(xué)科的需要，忽視專業(yè)的需求[3]。教師授課過程中注重知識(shí)的傳授，忽視學(xué)生能力的培養(yǎng)，注重理論知識(shí)的講解，忽視了與工程實(shí)踐的聯(lián)系。大多數(shù)屬于灌輸式的教育，不了解學(xué)生掌握的情況，學(xué)生存在的問題得不到及時(shí)反饋，教學(xué)過程沒有形成閉環(huán)。

OBE（Outcome Based Education）理念是基于成果導(dǎo)向教育的教育理念，也稱為能力導(dǎo)向教育。這種教育理念是通過教育想讓學(xué)生取得什么樣的學(xué)習(xí)成果，為什么要取得這些學(xué)習(xí)成果，如何幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果，如何知道學(xué)生取得了這些學(xué)習(xí)成果[4]。我國已成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式成員，該協(xié)議各簽約國大都實(shí)施了基于成果導(dǎo)向的工程教育模式[5]。遼寧工業(yè)大學(xué)（以下簡稱我校）自動(dòng)化專業(yè)正在準(zhǔn)備申報(bào)中國工程教育專業(yè)認(rèn)證，因此，實(shí)施OBE教育模式是自動(dòng)化專業(yè)的必然趨勢和內(nèi)在要求。課程建設(shè)是專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)和中心環(huán)節(jié)，也是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑?；贠BE教育理念，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循反向設(shè)計(jì)、正向?qū)嵤┑脑瓌t。首先通過調(diào)研了解社會(huì)對(duì)本專業(yè)的需求，確定人才培養(yǎng)目標(biāo)，明確畢業(yè)要求，根據(jù)畢業(yè)要求制定課程教學(xué)目標(biāo)，針對(duì)每個(gè)目標(biāo)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，按目標(biāo)實(shí)施內(nèi)容，最終進(jìn)行達(dá)成度的計(jì)算和教學(xué)成果評(píng)價(jià)，并持續(xù)改進(jìn)[6]?！白詣?dòng)控制理論”的教學(xué)內(nèi)容主要分為三部分：控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（微分方程和傳遞函數(shù)）的建立、控制系統(tǒng)的分析（時(shí)域分析、根軌跡分析、頻率域分析、采樣控制系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析）和系統(tǒng)的綜合校正設(shè)計(jì)，課程學(xué)習(xí)的最終目的是能夠設(shè)計(jì)一種方案來綜合校正控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性滿足工程實(shí)踐需求。本課程設(shè)計(jì)的基于OBE理念的教學(xué)模式如圖1所示，可以在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，并更好地幫助學(xué)生提高綜合設(shè)計(jì)能力、工程理論知識(shí)應(yīng)用能力、分析和解釋數(shù)據(jù)能力，同時(shí)制定合理的課程考核方法，使得學(xué)生達(dá)到學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)。

圖1 基于OBE理念的教學(xué)模式

二、基于OBE理念的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

為了使學(xué)生明確“自動(dòng)控制理論”課程在畢業(yè)要求中的作用，明白這門課程學(xué)什么，為什么學(xué)，直接與畢業(yè)要求聯(lián)系起來，設(shè)定了以下幾個(gè)教學(xué)目標(biāo)：1. 掌握自動(dòng)控制的一般概念和反饋控制原理，建立起典型的線性反饋控制系統(tǒng)的架構(gòu)。通過對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)物理機(jī)理的分析，采用結(jié)構(gòu)圖化簡和梅森公式等方法，建立自動(dòng)化工程問題的數(shù)學(xué)模型，從而為自動(dòng)化工程領(lǐng)域系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2. 對(duì)簡單的線性定常連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行初步分析，動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算和評(píng)價(jià)，為復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法，包括線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法、采樣控制系統(tǒng)的分析以及非線性系統(tǒng)的分析，為工程實(shí)際中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。3. 掌握自動(dòng)控制理論的分析和設(shè)計(jì)方法，能夠針對(duì)自動(dòng)化工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題采用合適的分析方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合分析結(jié)論合理進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)；能夠基于科學(xué)原理和專業(yè)知識(shí)，通過文獻(xiàn)研究等方法，調(diào)研并分析自動(dòng)控制領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。

表1 課程內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系

三、OBE理念課堂教學(xué)模式改革

課堂教學(xué)是學(xué)生能否達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)、滿足畢業(yè)要求的基礎(chǔ)，是教學(xué)實(shí)施的主要形式。傳統(tǒng)的課堂教師是主體，將知識(shí)灌輸給學(xué)生，學(xué)生就像一個(gè)容器一樣，盲目地承載知識(shí)卻不知道為什么[7]。基于OBE理念的課堂教學(xué)必須把灌輸式課堂變成對(duì)話式課堂，把知識(shí)課堂變成能力課堂，把教為主體變成學(xué)為主體，注重學(xué)習(xí)和思考相結(jié)合。教師在授課過程中應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)形成“問號(hào)”，并逐步把“問號(hào)”變成“句號(hào)”，知識(shí)不再是單向傳遞而是多向交流。

“自動(dòng)控制理論”課程的教學(xué)過程是不斷探索教與學(xué)模式改革的過程，教無定法，學(xué)無定規(guī)，適合的才是最好的。在總結(jié)以往教與學(xué)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)改進(jìn)過程考核辦法，督促學(xué)生平時(shí)加強(qiáng)學(xué)習(xí)，逐步改變學(xué)生期末突擊復(fù)習(xí)、死記硬背的不良學(xué)習(xí)習(xí)慣。為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論知識(shí)的理解及運(yùn)用知識(shí)解決專業(yè)問題的能力，熟練掌握自動(dòng)控制理論與方法的重點(diǎn)，提高工程實(shí)踐應(yīng)用能力，從而培養(yǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域的高級(jí)工程技術(shù)人才，本文從以下三個(gè)方面進(jìn)行課堂教與學(xué)模式改革：

（一）采用線下、線上相結(jié)合的混合教學(xué)模式

線下上課+MOOC+QQ群答疑的線上教學(xué)模式，將教師課堂講授與學(xué)生自主學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)合，力圖在有限的課時(shí)中完成繁重的教學(xué)任務(wù)，督促學(xué)生學(xué)習(xí)。課前做好教學(xué)資源，上傳至MOOC平臺(tái)和QQ群文件，設(shè)置好課程學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)，發(fā)布課程。學(xué)生利用MOOC平臺(tái)，通過PPT或視頻講解進(jìn)行預(yù)習(xí)，并做好學(xué)習(xí)筆記，記錄存在的問題，然后帶著問題上課，課上通過教師講授，解除疑惑，同時(shí)加深對(duì)知識(shí)的理解。線上上課期間，通過MOOC平臺(tái)簽到，通過簽到掌握學(xué)生出勤及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)情況，確保每名同學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量。通過QQ群組織教學(xué)、學(xué)習(xí)部署、下發(fā)通知、提示提醒、MOOC平臺(tái)學(xué)習(xí)情況反饋。在整個(gè)教學(xué)過程中，每個(gè)單元安排一次單元測試，有三次重點(diǎn)章節(jié)的階段性考試，考試時(shí)間為二十分鐘左右。通過階段性考試了解學(xué)生的掌握情況，學(xué)生提交答案后，即進(jìn)行結(jié)果反饋，將MOOC平臺(tái)測試的集中問題，及時(shí)講解。學(xué)生如果答錯(cuò)知道為什么錯(cuò)及如何改，教學(xué)效果提升明顯。課后通過MOOC平臺(tái)布置作業(yè)，安排五次針對(duì)性較強(qiáng)的訓(xùn)練作業(yè)，突出課節(jié)重點(diǎn)要點(diǎn)，監(jiān)控作業(yè)完成情況及反饋。課下QQ群隨時(shí)關(guān)注解答學(xué)生的各種問題。

（二）實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

為使學(xué)生明確課程學(xué)習(xí)的目的、能夠用相關(guān)理論知識(shí)解決實(shí)際問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，每個(gè)教學(xué)目標(biāo)均設(shè)計(jì)典型教學(xué)案例。目標(biāo)1，通過水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)、電加熱爐溫度控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)等講授自動(dòng)控制任務(wù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、自動(dòng)控制的方式、閉環(huán)控制的原理等相關(guān)概念，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。通過機(jī)械式加速度計(jì)、低通濾波器設(shè)計(jì)講授微分方程的建立。通過兩級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)講授系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的繪制，并用結(jié)構(gòu)圖化簡和梅森公式兩種方法求取傳遞函數(shù)，從而使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法。目標(biāo)2，通過仿型機(jī)床位置隨動(dòng)系統(tǒng)、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)講授系統(tǒng)的時(shí)域分析方法，將理論計(jì)算結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證結(jié)果的正確性，同時(shí)掌握系統(tǒng)性能指標(biāo)的測量方法。通過火星漫游車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)講授勞思判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算以及相關(guān)的改進(jìn)方案。通過激光操縱控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)講授根軌跡法。通過這些案例的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制理論的分析方法，并用于解決實(shí)際問題。目標(biāo)3，通過晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)講授PID控制的原理和作用，并利用Matlab仿真演示結(jié)果，使學(xué)生有直觀的了解，避免純理論講解的枯燥性。最后根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求完成控制器的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較滿意的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（三）把灌輸式課堂變成對(duì)話式課堂

為實(shí)現(xiàn)知識(shí)的多向交流，活躍課堂氣氛，避免重學(xué)輕思，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，圍繞教學(xué)內(nèi)容將上課學(xué)生分成小組。每個(gè)小組由各班班長、學(xué)委和團(tuán)支書擔(dān)任組長，另有一名學(xué)習(xí)成績好的學(xué)生擔(dān)任副組長，組員學(xué)習(xí)成績不同。組長負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)組員進(jìn)行分工，同時(shí)對(duì)組員的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行幫助和監(jiān)督，做好幫帶作用。教師制定課堂學(xué)習(xí)任務(wù)，下發(fā)各小組，課堂小組學(xué)生按分工準(zhǔn)備資料，組長統(tǒng)一協(xié)調(diào)，組內(nèi)討論，并由各小組組長統(tǒng)一匯報(bào)。最后由教師組織評(píng)議并做最終總結(jié)。

四、OBE理念的課程考核方式

傳統(tǒng)的考核方式缺乏過程考核。根據(jù)OBE教學(xué)理念，本課程對(duì)考核方式和評(píng)價(jià)依據(jù)進(jìn)行了完善和改進(jìn)?？己朔绞桨ㄟ^程考核、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、技能測試和期末理論考試四部分，各項(xiàng)比例和評(píng)價(jià)依據(jù)如表2所示。

過程考核調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變。同時(shí)加強(qiáng)了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，互幫互助，共同進(jìn)步，整體改善學(xué)風(fēng)建設(shè)。實(shí)驗(yàn)和技能測試考核使學(xué)生由以前的被動(dòng)實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力，能夠根據(jù)給定的方案完成實(shí)驗(yàn)，從而為自動(dòng)控制領(lǐng)域系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。期末理論考試由題庫抽題，主要考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握情況以及應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

表2 課程考核評(píng)價(jià)表

五、結(jié)論

基于OBE理念的“自動(dòng)控制理論”課程教學(xué)改革，利用各種資源驅(qū)動(dòng)教學(xué)，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行自主性、探究性學(xué)習(xí)，不斷挖掘?qū)W生潛力。這種教學(xué)模式充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，引導(dǎo)和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，以達(dá)到畢業(yè)要求中各個(gè)指標(biāo)點(diǎn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的同時(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果。

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10.15916/j.issn1674-327x.2021.06.028

G642.0：TP13

B

1674-327X (2021)06-0105-03

2021-01-08

遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(202019)

王立紅(1971-)，女，遼寧錦州人，副教授。

(責(zé)任編輯：付春玲)