基于OBE理念的“自动控制理论”课程教学改革

王立红

基于OBE理念的“自动控制理论”课程教学改革

王立红

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

为满足专业工程认证需求，加强对学生能力的培养，本文基于OBE教育理念，反向设计教学模式，对课堂教与学模式进行改革与探索，采用线上线下混合教学，设计典型工程案例。教学目标符合毕业要求，教学内容结合工程实际，考核评价方式多元化、合理化，既注重学生对理论知识的理解，又注重对学生能力的培养。实践证明，该方法有效地增强了学生学习意识，明显改善了教学效果。

自动控制理论；OBE理念；反向设计；教学改革

“自动控制理论”是高校自动化专业重要的专业基础课和考研专业课，也是测控技术与仪器、机械工程及其自动化、电气工程及其自动化、给排水工程等多个专业开设的必修课[1]。自动控制在工业、农业、交通运输、日常生活以及国防等领域有着广泛的应用，因此本课程不仅要求学生掌握自动控制的基本概念、基本理论和基本方法，更强调结合自动化领域的工程实际，为自动控制系统的分析与设计奠定基础，从而能够进一步解决自动控制领域的复杂工程问题[2]。传统的教学存在以下不足：（1）教学时遵循拟定的教学大纲，按照教学计划、教学日历开展教学，忽视“以成果为导向”这一目标；（2）教师在授课过程中仍以讲授为主，将设计好的教学内容传授给学生，学生则是对理论知识进行吸收和整理，忽视了对学生能力的培养；（3）教学形式单一，学生没有团队合作意识，学习效率低下；（4）考核方式不完善，缺乏过程考核。

针对以上问题，本文基于成果导向这一教育理念，对“自动控制理论”课程进行教学改革。以“学生为中心”、以“成果为导向”，设计典型教学案例，采用课堂讨论、任务驱动以及线上线下混合模式，灵活开展教学，激发学生学习兴趣，注重课程教学效果和学生能力的培养。

一、基于OBE理念的教学模式设计

传统教育是学科导向，按照学科划分设置专业，在教学内容的设计上更是注重学科的需要，忽视专业的需求[3]。教师授课过程中注重知识的传授，忽视学生能力的培养，注重理论知识的讲解，忽视了与工程实践的联系。大多数属于灌输式的教育，不了解学生掌握的情况，学生存在的问题得不到及时反馈，教学过程没有形成闭环。

OBE（Outcome Based Education）理念是基于成果导向教育的教育理念，也称为能力导向教育。这种教育理念是通过教育想让学生取得什么样的学习成果，为什么要取得这些学习成果，如何帮助学生取得这些学习成果，如何知道学生取得了这些学习成果[4]。我国已成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式成员，该协议各签约国大都实施了基于成果导向的工程教育模式[5]。辽宁工业大学（以下简称我校）自动化专业正在准备申报中国工程教育专业认证，因此，实施OBE教育模式是自动化专业的必然趋势和内在要求。课程建设是专业建设的基础和中心环节，也是提高教学质量的重要途径。基于OBE教育理念，教学设计应遵循反向设计、正向实施的原则。首先通过调研了解社会对本专业的需求，确定人才培养目标，明确毕业要求，根据毕业要求制定课程教学目标，针对每个目标设计教学内容，按目标实施内容，最终进行达成度的计算和教学成果评价，并持续改进[6]。“自动控制理论”的教学内容主要分为三部分：控制系统数学模型（微分方程和传递函数）的建立、控制系统的分析（时域分析、根轨迹分析、频率域分析、采样控制系统分析、非线性系统分析）和系统的综合校正设计，课程学习的最终目的是能够设计一种方案来综合校正控制系统，使得系统的稳定性、快速性和准确性满足工程实践需求。本课程设计的基于OBE理念的教学模式如图1所示，可以在一定程度上弥补传统教学模式的不足，并更好地帮助学生提高综合设计能力、工程理论知识应用能力、分析和解释数据能力，同时制定合理的课程考核方法，使得学生达到学习的最终目标。

图1 基于OBE理念的教学模式

二、基于OBE理念的教学目标设定

为了使学生明确“自动控制理论”课程在毕业要求中的作用，明白这门课程学什么，为什么学，直接与毕业要求联系起来，设定了以下几个教学目标：1. 掌握自动控制的一般概念和反馈控制原理，建立起典型的线性反馈控制系统的架构。通过对自动控制系统物理机理的分析，采用结构图化简和梅森公式等方法，建立自动化工程问题的数学模型，从而为自动化工程领域系统的分析与设计奠定基础。2. 对简单的线性定常连续系统进行初步分析，动静态性能指标计算和评价，为复杂系统的分析和设计奠定基础；掌握自动控制系统的分析方法，包括线性系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、采样控制系统的分析以及非线性系统的分析，为工程实际中的计算机控制系统设计打下基础。3. 掌握自动控制理论的分析和设计方法，能够针对自动化工程领域的复杂工程问题采用合适的分析方法进行系统分析，并结合分析结论合理进行控制器设计；能够基于科学原理和专业知识，通过文献研究等方法，调研并分析自动控制领域的复杂工程问题。

表1 课程内容与教学目标的关系

三、OBE理念课堂教学模式改革

课堂教学是学生能否达到培养目标、满足毕业要求的基础，是教学实施的主要形式。传统的课堂教师是主体，将知识灌输给学生，学生就像一个容器一样，盲目地承载知识却不知道为什么[7]。基于OBE理念的课堂教学必须把灌输式课堂变成对话式课堂，把知识课堂变成能力课堂，把教为主体变成学为主体，注重学习和思考相结合。教师在授课过程中应注意引导学生对所学知识形成“问号”，并逐步把“问号”变成“句号”，知识不再是单向传递而是多向交流。

“自动控制理论”课程的教学过程是不断探索教与学模式改革的过程，教无定法，学无定规，适合的才是最好的。在总结以往教与学的经验基础上，重点改进过程考核办法，督促学生平时加强学习，逐步改变学生期末突击复习、死记硬背的不良学习习惯。为了强化学生对自动控制理论知识的理解及运用知识解决专业问题的能力，熟练掌握自动控制理论与方法的重点，提高工程实践应用能力，从而培养自动化领域的高级工程技术人才，本文从以下三个方面进行课堂教与学模式改革：

（一）采用线下、线上相结合的混合教学模式

线下上课+MOOC+QQ群答疑的线上教学模式，将教师课堂讲授与学生自主学习有机结合，将传统课堂教学与线上网络学习结合，力图在有限的课时中完成繁重的教学任务，督促学生学习。课前做好教学资源，上传至MOOC平台和QQ群文件，设置好课程学习任务点，发布课程。学生利用MOOC平台，通过PPT或视频讲解进行预习，并做好学习笔记，记录存在的问题，然后带着问题上课，课上通过教师讲授，解除疑惑，同时加深对知识的理解。线上上课期间，通过MOOC平台签到，通过签到掌握学生出勤及网络学习情况，确保每名同学学习质量。通过QQ群组织教学、学习部署、下发通知、提示提醒、MOOC平台学习情况反馈。在整个教学过程中，每个单元安排一次单元测试，有三次重点章节的阶段性考试，考试时间为二十分钟左右。通过阶段性考试了解学生的掌握情况，学生提交答案后，即进行结果反馈，将MOOC平台测试的集中问题，及时讲解。学生如果答错知道为什么错及如何改，教学效果提升明显。课后通过MOOC平台布置作业，安排五次针对性较强的训练作业，突出课节重点要点，监控作业完成情况及反馈。课下QQ群随时关注解答学生的各种问题。

（二）实现对学生能力的培养

为使学生明确课程学习的目的、能够用相关理论知识解决实际问题，激发学生的学习兴趣和积极性，每个教学目标均设计典型教学案例。目标1，通过水箱液位自动控制系统、电加热炉温度控制系统、电动机转速闭环控制系统等讲授自动控制任务、自动控制系统的组成、自动控制的方式、闭环控制的原理等相关概念，增加学生的感性认识。通过机械式加速度计、低通滤波器设计讲授微分方程的建立。通过两级RC网络、位置随动系统讲授系统动态结构图的绘制，并用结构图化简和梅森公式两种方法求取传递函数，从而使学生掌握自动控制系统数学模型的建立方法。目标2，通过仿型机床位置随动系统、哈勃太空望远镜驱动系统讲授系统的时域分析方法，将理论计算结果与Matlab仿真结果进行比较，验证结果的正确性，同时掌握系统性能指标的测量方法。通过火星漫游车转向控制系统讲授劳思判据分析系统的稳定性、稳态误差的计算以及相关的改进方案。通过激光操纵控制系统、机器人控制系统讲授根轨迹法。通过这些案例的学习，使学生掌握自动控制理论的分析方法，并用于解决实际问题。目标3，通过晶闸管直流调速系统讲授PID控制的原理和作用，并利用Matlab仿真演示结果，使学生有直观的了解，避免纯理论讲解的枯燥性。最后根据系统的性能指标要求完成控制器的设计，从而实现一个比较满意的闭环控制系统。

（三）把灌输式课堂变成对话式课堂

为实现知识的多向交流，活跃课堂气氛，避免重学轻思，培养学生的独立思考能力和团队合作意识，围绕教学内容将上课学生分成小组。每个小组由各班班长、学委和团支书担任组长，另有一名学习成绩好的学生担任副组长，组员学习成绩不同。组长负责对各个组员进行分工，同时对组员的学习情况进行帮助和监督，做好帮带作用。教师制定课堂学习任务，下发各小组，课堂小组学生按分工准备资料，组长统一协调，组内讨论，并由各小组组长统一汇报。最后由教师组织评议并做最终总结。

四、OBE理念的课程考核方式

传统的考核方式缺乏过程考核。根据OBE教学理念，本课程对考核方式和评价依据进行了完善和改进。考核方式包括过程考核、课内实验、技能测试和期末理论考试四部分，各项比例和评价依据如表2所示。

过程考核调动了学生学习的积极性，学生由被动学习变为主动学习，教学模式实现了以教师为中心向以学生为中心的转变。同时加强了学生之间的团队合作意识，互帮互助，共同进步，整体改善学风建设。实验和技能测试考核使学生由以前的被动实验变为主动实验，培养了学生独立思考问题的能力，能够根据给定的方案完成实验，从而为自动控制领域系统的分析与设计奠定基础。期末理论考试由题库抽题，主要考查学生对理论知识的掌握情况以及应用理论知识解决实际问题的能力。

表2 课程考核评价表

五、结论

基于OBE理念的“自动控制理论”课程教学改革，利用各种资源驱动教学，引导启发学生进行自主性、探究性学习，不断挖掘学生潜力。这种教学模式充分体现了以学生为中心，以成果为导向，引导和调动学生学习积极性，以达到毕业要求中各个指标点的评价标准。在加强对学生能力培养的同时，提高教学质量，改善教学效果。

[1] 陶洪峰. 自动控制原理课程的混合式教学模式探索[J]. 大学教育. 2019(3): 62-64.

[2] 王玲玲, 刘元琳, 宋春凤. 自动控制原理课程的教学案例分析[J]. 电子技术, 2018,49(4): 58-59.

[3] 薛鹏, 程辉, 郭会平. 自动控制原理课程的“一例到底”教学设计[J]. 科技风, 2020(7): 33.

[4] 赵丽琴, 庞学慧, 等. 形成性评价在互换性与技术测量课程中的应用[J]. 高教学刊, 2019(1): 108-110.

[5] 马亮, 李亚兵, 胡广阔. OBE导向的毕业要求达成度评价探索与实践[J]. 邢台学院学报, 2018,6(32): 138-142.

[6] 张丽芳, 吴瑾. 专业认证形势下土木工程专业人才培养模式改革[J]. 教育教学论坛, 2018(16): 109-110.

[7] 满红, 张建民, 贺跃帮. 新工科OBE理念下的“自动控制原理”课程教学改革[J]. 教育教学论坛, 2020(33): 192-193.

10.15916/j.issn1674-327x.2021.06.028

G642.0：TP13

B

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

2021-01-08

辽宁工业大学教学改革研究项目(202019)

王立红(1971-)，女，辽宁锦州人，副教授。

(责任编辑：付春玲)