基于OBE理念的機械控制理論課程教學研究

張濤　牛金星　魏巍

摘要：針對機械控制理論課程教學與企業實際需求脫節的問題，基于成果導向教育理念和測控專業的特點，筆者提出了機械控制理論課堂教學改革方案。以學生為中心，以最終成果為導向，從教學目標、教學內容方法、實踐環節和校企合作等方面進行研究和改革，能達到有效提高機械控制理論課程教學質量和學生學習效果的目標。實踐證明，這種基于成果導向教育理念的探索具有重要的理論意義與現實意義。

關鍵詞：成果導向教育；機械控制理論；課堂改革

成果導向教育理念（outcome-based ed-ucation，OBE）是20世紀90年代在北美最早發展起來的，也被稱作能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育。美國工程教育認證協會全面接受了OBE理念，并將其貫穿工程教育認證標準的始終。

OBE理念要求課程的教學活動以“不論學生的基礎如何，每個學生都能夠學會”為前提條件，將最終學習成果作為出發點，由最終成果決定課程培養目標，再由培養目標確定課程體系。機械控制理論課程是華北水利水電大學機械學院的一門重要專業基礎課程，其理論性和實踐性較強，且該門課程在教學中普遍存在學生學習興趣不高、動手能力不強等問題。利用工程教育專業認證的契機，將OBE教育模式應用到機械控制理論的課程教學中，有助于激發學生的學習興趣，有效地提高了學生分析、解決工程實際問題的能力。

一、基于OBE的機械控制理論課程建設目標

在機械控制理論課程教學中，課本內容理論性較強，與高等數學等基礎學科聯系密切，包括微積分、復變函數、線性代數、數理統計和矩陣論等。除了數學建模那部分還有一些實際系統，其他的都是動態的抽象結構，學生學習起來難度大。而教師只是在課堂和實驗上將課本中的知識內容照本宣科地講給學生，重視講解考試內容，甚至涉及考研題目，造成學生在學習過程中只是被動接受，對所學知識不能及時理解并消化。這種情況下學生也不重視實踐環節，動手能力不強.長此以往會失去學習興趣。

以OBE理念對機械控制理論課程進行改革，首先要明確最終成果需求是什么。以往機械控制理論的教學目標是通過學習使學生系統地掌握控制理論的相關知識，沒有考慮其與畢業后職業發展之間的聯系。基于OBE理念的課程教學目標要考慮教學質量能否滿足畢業后的工作目標，開展知識、能力、素質的遞進模塊化培養，并加入創新環節和企業實訓環節，實現工程設計能力的提升和專業水平的培養。具體目標為：第一，知識目標，學生熟練掌握控制數學模型的建立方法，掌握控制系統分析方法的使用，理解系統校正方法，掌握控制系統的設計過程；第二，能力目標，學生可以將理論知識與工程應用背景結合起來，能夠對一般的線性控制系統進行建模、系統性能分析，根據系統提出的性能指標能夠對控制系統進行校正：第三，素質目標，學生應具有工程價值觀，提高知識掌握和解決工程項目的能力，具有獨立思考、分析和解決問題的能力，具有較強的溝通能力和團隊協作意識，要激發學生應用控制理論解決工程問題的欲望，培養學生的創新思維和能力。

二、基于OBE的機械控制理論課程教學設計

（一）教學內容和方法的設計

OBE教育模式強調在學習的過程中讓學生獲得學習成果是整個教學過程的核心。因此，合理地調整教學內容和方法是幫助學生獲得較好學習成果的有效途徑。

在教學內容上，在省級精品課程和省級示范性視頻開放課程的基礎上加強了機械控制理論教法的研究探索。教師根據最終學習成果，制定具體的教學內容，合理規劃并細化為具體的知識點，改變以前授課中經典控制理論部分和現代控制理論部分完全分開的課程體系，把課程按照“建模—分析—設計”的思路重新進行規劃。具體內容分為三部分：第一，控制系統建模，包括微分方程、傳遞函數和狀態空間表達式三種模型的建立，并理解實際物理系統：第二，控制系統分析，包括時域分析、頻域分析和能控能觀性分析，理解分析方法和性能參數之間的關系；第三，控制系統設計，包括系統校正、狀態反饋和狀態觀測器，掌握如何設計一個控制系統。課程的三級規劃使學生可以將控制理論課程看作一個完整的工程問題，對學習有個清晰的結構框架。

由于機械控制理論課程教學內容涉及數學、機械和電子等多學科，課程內容比較抽象，理解起來難度較大。所以在教學方法上，教師要將課程理論與實際工程結合起來。比如，在講解數學模型微分方程的建立，大多數書本上都是以彈簧阻尼系統和RLC電路系統為例，學生無法與實際對接。如果以“脈搏壓力傳感器的信號調理電路系統”為例，通過機理分析，將其分為前置放大電路、濾波電路和后級放大電路三部分，分別進行數學分析建模，從而求得微分方程，在隨后講解狀態空間表達式中，將傳感器的溫度變化、人體的干擾等中間變量作為狀態變量，學生就可以清晰地理解現代控制是經典控制向高精度方向發展的延伸，便于理解兩者的聯系。

教師在講解中要注意各個知識點的聯系，讓學生明白不同方法的目的是一樣的，只是表現形式不同。比如，時域分析中的指標通過轉換可以得到頻域指標，要明白它們之間存在的內在關系以及頻域分析中的奈奎斯特圖、伯德圖和尼科爾斯圖的區別和聯系。

另外，教師要注意加強與前后知識點的串聯，在企業實際生產中遇到的問題不是單一知識就可以解決的，通常是許多知識點甚至是多學科的交叉。所以在授課過程中，教師除了要講解控制理論及相關數學知識，還要與大學物理課程、電路課程、模擬電子技術課程、數字電子技術課程等聯系起來進行綜合分析和講解。

（二）創建實踐平臺

按照國家對創新創業教育的要求和學校關于人才培養模式的導向，要積極開展第二課堂的實踐教學模式探索。機械學院自動控制實驗室擁有10套THKKL-1型控制理論電子模擬實驗箱和UTD2000示波器，可以進行控制理論的基本實驗，包括簡單系統時域分析、頻域分析和電路系統校正等。利用MATLAB平臺模擬小車運動模型，調整參數優化其運動軌跡，并繪制參數曲線。除此之外，學院還搭建各種創新性實驗平臺，如機器人創新實驗平臺、labview虛擬仿真平臺、固高倒立擺系統實驗平臺等。要大力促進實踐教學與創新創業的結合，積極鼓勵學生在完成自身學業的同時，參與相關教師的科研項目。學院鼓勵學生成立團隊申請大學生創新創業項目，鼓勵學生堅持以興趣學習為原則，參加全國大學生飛思卡爾智能車大賽、河南省大學生機器人競賽以及學校組織的華彩杯和學院組織的衛華杯等創新比賽，這些都提高了學生的創新能力和工程實踐能力。近年，機械學院學生在飛思卡爾智能車大賽和機器人競賽中獲得10多次獎項，并且已經建立了完整的以創新項目為依托的人才培養模式。

（三）完善校企合作

依托教育部“卓越工程師計劃”平臺的支撐，要在課程設計中邀請相關企業來學校對學生進行培訓。目前，學院與深圳信盈達電子有限公司合作申請了教育部協同育人項目，每年公司派人來學校進行嵌入式系統控制裝置設計的講座和實訓，將控制理論與嵌入式系統進行深度融合，設計的項目有“基于DS18820的多點溫度監控系統設計”和“基于STM32的智能手環設計”等內容。同時學院還組織學生到十堰第二汽車集團等公司學習，并與之建立長期的合作關系，打破了學校單一的封閉式教學模式，使學校課堂教學與企業就業實現無縫對接，培養社會需要的人才。

三、結語

筆者提出的基于OBE理念的機械控制理論課堂教學改革方案，從教學目標制定、教學內容方法設計、實踐教學改進和校企合作等幾方面論述了教學改革的思路。要堅持以教學最終成果為中心，以發展學生綜合能力為最終目的，改進現有的授課過程中存在的問題，從而有效地提高機械控制理論課程的教學質量和學生的學習效果，適應工程教育專業認證的需求。

近年，機械控制理論的課程建設增加了學生對課程學習的興趣，學生在畢業設計選題中控制類題目增多，從原來只是單片機的控制到現在嵌入式控制系統和遠程控制系統，學生的能力得到了顯著提升，企業對學生的認可度也得到了提高。

責編：清歡