基于OBE理念的智能控制課程教學改革

黃蘇丹 胡智勇 曹廣忠 郭小勤 邱洪 敬剛

摘? 要：為提高自動化專業智能控制課程的本科教學質量，針對目前智能控制課程的教學內容理論性過強、學生仿真能力低、教學實踐少的問題，提出基于OBE（Outcome Based Education）理念的智能控制課程教學改革方法。分析了智能控制課程的特點、教學現狀以及存在的問題，根據自動化專業發展趨勢并結合智能控制應用于機電系統的具體實例，基于OBE理念設計理論、仿真與實驗相互融合的教學內容，通過任務驅動式方法和問題啟發式方法改革授課方式，采用自主式、探索式、團隊式相互融合的方法改革實驗教學，探討提升復雜工程問題解決能力的理論與實踐相結合的考核方式。該課程改革深度融合OBE理念，將提高智能控制課程學生的學習積極性、理論與工程實踐融合的能力以及解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：智能控制;OBE理念;復雜工程問題;自動化專業

Abstract： In order to improve the undergraduate teaching quality of intelligent control course in automation major， this paper proposes a teaching reform method of intelligent control course based on the concept of OBE（Outcome Based Education）， aiming at the problems of the current teaching content of intelligent control course is too theoretical， students simulation ability is low， and teaching practice is little. Analyses the characteristics of intelligent control courses， the teaching status quo and existing problems， on the developing trend of automation and intelligent control applied to the specific instance of mechanical and electronic systems， based on the concept of OBE design theory， the simulation and the experiment teaching content of mutual integration， through the task driving method and heuristic teaching method reform way problem， adopt autonomous， explore， team mutual fusion method to reform the experiment teaching， to explore complex engineering problem solving way of the combination of theory and practice of the inspection. This course reform deeply integrates OBE concept， which will improve students learning enthusiasm of intelligent control course， their ability to integrate theory and engineering practice， and their ability to solve complex engineering problems.

一、概述

目前控制理論包括經典控制、現代控制、智能控制三大分支，《智能控制》課程屬于智能控制范疇，被設為自動化本科生的重要選修課程之一，是培養控制領域高質量專業人才的必備基礎課程。目前自動化領域所研究的被控對象復雜度逐漸提高，使廣泛適用于復雜被控對象的智能控制在該領域具有重要的理論價值與應用意義，進而使之前僅在研究生階段開設的《智能控制》課程也開設于高年級本科教學中[1]，該本科課程開設的目的是使自動化本科生了解控制領域當前的發展方向和趨勢，并初步掌握智能控制的核心基礎知識[2]。當今自動化領域的發展趨勢亟需高校培養具備解決復雜工程問題能力的高素質自動化專業人才，《智能控制》課程能有效培養自動化本科生解決復雜工程問題的能力，但目前《智能控制》課程的本科教學普遍存在教學內容理論性過強、學生仿真能力低、教學實踐少的問題，將嚴重影響高素質自動化專業人才的培養。為提高自動化本科生的學習積極性、理論與工程實踐融合的能力以及解決復雜工程問題的能力，論文提出基于OBE（Outcome Based Education）理念的智能控制課程教學改革方法。

工程教育專業認證是目前國際上通用的評估認證機制，為高校本科畢業生進入相關行業工作提供質量保證[3]，其核心是OBE理念，OBE理念強調高校本科畢業生具備解決復雜工程問題的能力[4]。OBE理念具有三大特點：以成果為導向、以學生為中心、持續改進[5-6]。圖1為OBE理念模型，通過社會的需求制定適合學生發展的培養方案和畢業要求，完善課程目標，通過學生對教學的評價持續改進教學活動，最后根據學生畢業時的達成度持續改進課程目標，從而形成閉環的理念模型[7-8]。

《工程教育認證標準》規定復雜工程問題必須具備以下一個或多個特征：1. 必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決;2. 涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互間有一定沖突;3. 需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性;4. 不是僅靠常用方法就可以完全解決的;5. 問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中;6. 問題相關各方利益不完全一致;7. 具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題[9-10]。《智能控制》課程可涉及到上述復雜工程問題特征的1.、2.、4.、7.，通過有效的《智能控制》課程教學能有效提升自動化本科生解決復雜工程問題的能力。

二、課程特點

（一）教學內容特點

《智能控制》課程教學內容主要具有兩個特點：1.? 覆蓋內容廣。《智能控制》是一門前沿的交叉學科課程，需要學生事先具備《自動控制原理》、《現代控制理論》、《電機學》、《信號處理》、《控制系統仿真》等基礎課程知識，進而開展更深層次的《智能控制》課程學習。課程內容主要包含專家控制、模糊控制、神經網絡控制、智能算法的核心基礎知識，具有涉及學科多、覆蓋內容廣、知識點多且綜合性強的特點。2. 教學內容抽象。《智能控制》是一門理論性很強的專業課程，課程涉及模糊數學、專家知識、神經網絡、進化算法等多學科交叉內容，教學內容抽象，公式繁瑣，且許多問題需借助數值計算方法求解，學生須具備一定的高等數學基礎、經典和現代控制理論基礎、仿真基礎。

（二）授課對象特點

《智能控制》作為之前僅開設于研究生階段的一門課程，需要學生具備一定的數學基礎和專業基礎，高年級本科生在大一、大二和大三上學期已經完成了專業基礎課程的學習，具備《智能控制》課程的學習能力，通過課程學習了解本專業的前沿發展方向和趨勢，并初步掌握智能控制的核心基礎知識。此外，高年級本科生面臨工作和繼續深造等選擇，課程涉及初級科研能力培養，可提升本科生的科研積極性和科研思維，為即將工作的本科生培養更嚴謹更綜合的專業思維能力，為即將繼續深造的本科生培養科研思維能力。

三、教學現狀與存在的問題

通過調研得到了目前我校本科畢業生對《智能控制》課程教學的反饋意見，部分教學反饋意見如圖2所示[11]。根據課程教學反饋意見和調研可知目前《智能控制》課程教學主要存在教材多樣、理論性過強、仿真能力低以及教學實踐少的問題。

（一）教材多樣

智能控制作為新興的第三代控制理論，仍在持續發展和完善。目前雖有針對本科生編著的《智能控制》教材，但與傳統控制的《自動控制原理》和《現代控制理論》教材相比，其質量仍然存在較大的差距，最突出的缺點是教材多樣化，并沒有經典權威的教材。

（二）理論性過強

《智能控制》課程教學內容抽象、公式推導繁多且教學內容多，若授課教師側重講解理論知識，將降低學生的課程積極性，同時也難以理解抽象的理論知識。此外，由于教學內容具有一定的難度，學生在學習階段對知識的理解存在一定的困難，學生易對課程產生厭倦感和恐懼感。

（三）仿真能力低

《智能控制》課程可借助MATLAB仿真軟件對控制系統進行分析和求解，通過MATLAB仿真可極大提高《智能控制》課程的學習效率，幫助學生更好地掌握智能控制知識。然而，目前大多數高年級本科生并不具備熟練的MATLAB仿真能力甚至沒接觸過該軟件，從而將極大影響學生對《智能控制》課程學習效率的提升。

（四）教學實踐少

由于《智能控制》的教學內容多且深，涉及的每一個控制算法（例如模糊控制、神經網絡控制等）都能開設一門單獨的課程，而且幾乎都是抽象的理論知識，教學內容在有限的課時內無法全部講授[12]，所以大多數院校沒有開設相應的教學實踐環節，學生僅通過枯燥的理論知識難以深入理解智能控制理論知識，此外也難以掌握智能控制理論的應用能力，進而阻礙《智能控制》課程教學效果的提升。

四、基于OBE理念的課程目標與持續改進

為了使學生具備解決復雜工程問題的能力，根據表1所示的基于OBE理念的畢業要求確定課程目標，通過教學評價和達成度改進課程目標。《智能控制》的課程目標與基于OBE理念的畢業要求的對應關系如表2所示。通過教學評價與課程達標度持續改進課程目標，形成適應自動化領域發展、適合當前自動化本科生的《智能控制》課程目標。

五、基于OBE理念的教學改革

為了實現基于OBE理念的《智能控制》課程目標，對《智能控制》課程的教學內容、教學方法以及考核方式進行改革。

（一）教學內容改革

1. 引入工程實例

《智能控制》作為理論課，大部分教學內容都是講解控制算法的原理和理論推導。通過精簡教學內容，理論講解結合具體的工程設計實例，使教學內容更加具體形象，可激發學生學習的積極性，加深學生對理論知識的理解，進而提升教學效果。采用先進的直線電機倒立擺系統作為工程實踐的被控對象，設計相應的模糊控制器設計、神經網絡控制器、基于遺傳算法的智能控制器等，實現直線電機倒立擺系統的有效控制。

2. 緊密聯系《自動控制原理》與《現代控制理論》

為了突出《智能控制》的前沿性和獨特性，以往在教學過程中經常脫離學生所熟知的專業基礎知識，使學生感覺在學習一門全新的學科知識[13]。該課程是經典控制和現代控制基礎之上的控制方法，更傾向于解決復雜系統的控制問題，在《智能控制》教學過程中應緊密結合經典控制和現代控制，將三者進行對比分析和融合，進而使學生更深層次地理解控制理論、更加理解并掌握智能控制的基本理論知識。

3. 提高仿真能力，重視實驗

傳統的《智能控制》教學方式一般為理論講解，學生吸收課堂所授的理論知識效率低[14]，針對這一特點，引入MATLAB仿真教學與實驗教學，深入融合理論、仿真與實驗教學，提高學生的課堂積極性與專業實踐能力。利用MATLAB自帶的模糊控制和神經網絡等職能控制相關的工具箱，可促進學生消化理論知識，并降低對枯燥、理論過強的課程的抵觸心理。同時學生也可基于MATLAB軟件自行編寫智能控制算法，提高學生理論知識的消化率和學生的實踐能力。此外，基于直線電機倒立擺的實驗，使學生掌握了將智能控制理論知識應用于具體工程實踐的能力，同時培養學生解決復雜工程問題的能力。

（二）教學方法改革

1. 改革授課方式

《智能控制》課程傳統教學授課過程與學生交流較少，采用任務驅動式[15]和問題啟發式[16]的教學方法。學生根據布置的課程任務思考課程相應的內容并提出問題，根據提出的相關問題對學生進行引導性的思考和詳細講解，提高學生對課程的好奇心與求知欲，增強學生對課程知識的吸收率和轉化率。

2. 改革作業方式

《智能控制》課程傳統的作業方式為教師線下審批[17]。該課程大部分作業需要MATLAB輔助完成，根據該特點，利用組建的課程QQ群在線上布置作業，由指定的學生代表收齊作業，然后在線上遞交作業，教師審批完作業后，記錄作業中存在的問題并在線上反饋給相關學生，師生進行線上課程互動。該作業模式，可增進師生互動、提高課程效率。

3. 改革實驗教學

《智能控制》課程傳統的實驗教學分為教師講解原理和學生實驗驗證、處理數據以及撰寫報告兩部分[18]，該方式極易使學生產生敷衍心理，無法深刻理解智能控制算法及其應用。為了提高學生參與實踐教學的積極性，采用自主式、探索式和團隊式的教學方法，即：課前學生分組預習實驗內容，實驗過程中教師不參與實驗講解與操作，實驗過程中出現的相關問題由學生團體之間相互討論和解決、教師輔助提點，鼓勵學生自主解決問題，進而培養學生利用智能控制理論解決負責工程問題的能力。

4. 考核方式改革

《智能控制》課程考核方式由傳統的期末筆試[19]改為期末開卷考結合實驗考核的方式，考核方式與成績占比如表3所示。期末開卷考和實驗考核均占總成績的50%，主要考核學生是否具備應用智能控制理論解決負責工程問題的能力，該方式可培養學生利用智能控制理論解決負責工程問題的能力，并提升學生學習的積極性和工程實踐能力。

期末開卷考內容主要是智能控制器設計的相關內容。實驗考核包括實驗設計與分析、匯報答辯兩部分。實驗設計與分析考核，學生組隊進行實驗，教師考查實驗過程中學生參與度和積極性，現場考核實驗系統的控制效果，同時考核實驗報告中智能控制器的設計、分析與結論。匯報答辯考核，課程實驗結束后，學生進行課程PPT匯報答辯，匯報內容主要為實驗設計、分析與總結，教師根據學生匯報內容提出相應的問題，學生要回答教師的相應提問，其中學生PPT匯報時間為15分鐘，提問和回答10分鐘。

六、結束語

針對目前《智能控制》課程的教學內容理論性過強、學生仿真能力低、教學實踐環節少的問題，通過調研并結合自身的《智能控制》課程教學經驗，提出并探討了基于OBE理念的智能控制課程教學改革方法，該課程教學改革方法可有效提高自動化專業智能控制理論課程的本科教學質量，提高自動化本科生《智能控制》課程的學習積極性、智能控制理論與工程實踐融合的能力以及解決復雜工程問題的能力。

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