基于OBE-CDIO理念的自動控制原理課程教學(xué)改革探索與實踐

張麗 介婧 朱文

摘? 要：在新工科教育思想指導(dǎo)下，基于OBE-CDIO工程教育理念，以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，對自動控制原理課程教學(xué)改革進行探索。探究課程教學(xué)內(nèi)容的反向設(shè)計，開發(fā)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源并構(gòu)建線上線下混合教學(xué)模式，設(shè)計基于CDIO的綜合實驗項目，改革課程考核方式。通過教學(xué)改革充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程實踐能力，提高新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新工科;OBE-CDIO;自動控制原理;教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）36-0128-04

Abstract： Under the guidance of the education thought of the new engineering， based on OBE-CDIO engineering education concept， the teaching reform of Automatic Control Principle which is student-centered and ability training oriented is carried out. This paper explores the reverse design of the teaching content， develops the network teaching resources of the course and constructs online and offline mixed teaching mode， designs a comprehensive experimental project and reforms the course assessment method. Practice has proved that this teaching mode reform can fully stimulate students' learning initiative， cultivate students' engineering practice ability. It is beneficial to improve the training quality of new engineering talents.

Keywords： the new engineering; OBE-CDIO; Automatic Control Principle; teaching reform

隨著“德國工業(yè)4.0”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念相繼提出，新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革也在加速進行。以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟對工科建設(shè)提出了一系列新的人才需求。2017年教育部提出新工科建設(shè)方案，將具有較強工程實踐能力、創(chuàng)新思維能力，能夠勝任行業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才作為高校工程人才培養(yǎng)的基本要求[1]。

新工科背景下的人才培養(yǎng)，離不開教學(xué)改革的實施。自動控制原理課程是面向自動化及其相關(guān)專業(yè)而設(shè)立的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，通過該課程的學(xué)習(xí)可使學(xué)生系統(tǒng)地掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)建模、分析與綜合的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生具備初步解決自動化及其相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)實際工程控制問題的實踐能力，具有以反饋和優(yōu)化為核心的系統(tǒng)觀與思維方式。自動控制原理課程內(nèi)容抽象、知識范圍廣、理論程度深，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中普遍感覺枯燥難學(xué)，缺少學(xué)習(xí)興趣和動力，影響其學(xué)習(xí)效果。特別是隨著工程教育專業(yè)建設(shè)的推進，專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)也伴隨社會需求動態(tài)調(diào)整，若仍延用傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)方法，對學(xué)生探索能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，難以提高學(xué)生的工程素養(yǎng)，因此有必要對這門課程進行教學(xué)改革與優(yōu)化。

OBE（Outcome-Based Education），即成果導(dǎo)向教育，是工程教育專業(yè)認(rèn)證最核心的教育理念，其宗旨為“以學(xué)生為中心，成果為導(dǎo)向，建立持續(xù)改進機制”[2]。OBE教育理念已被普遍接受且廣泛應(yīng)用于各類人才培養(yǎng)中，有效推動了高等教育的各項教學(xué)改革，涌現(xiàn)出了豐富的教改成果[3-6]。

按照OBE教育理念，在課程教學(xué)中教師需要以學(xué)生為中心，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評價機制等方面進行精心組織，以滿足教學(xué)目標(biāo)達成，最終實現(xiàn)使學(xué)生知識、能力、素質(zhì)全面發(fā)展的目標(biāo)。

CDIO（Conceive Design Implement Operate）由Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實施）與Operate（運作）構(gòu)成，體現(xiàn)了“任務(wù)驅(qū)動力”和“理實結(jié)合”的教育模式，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力[7]。

因此，本文按照新工科教育需求，基于工程教育OBE-CDIO理念，探索“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的自動控制原理課程教學(xué)改革設(shè)計與建設(shè)方案，從教學(xué)設(shè)計、教學(xué)模式、課程綜合實驗項目設(shè)計和課程考核方式四個方面全面實施課程教學(xué)改革，提高自動化專業(yè)學(xué)生的知識理解與應(yīng)用能力、復(fù)雜工程實踐能力，以滿足未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟人才需求。

一、課程目前存在的問題分析

本課程目前的教學(xué)模式和方法存在以下問題：

1. 教學(xué)內(nèi)容與“以學(xué)生復(fù)雜工程能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的工程教育理念相距甚遠(yuǎn)。作為經(jīng)典控制理論，自動控制原理是學(xué)生學(xué)習(xí)先進控制技術(shù)的入門理論，也是學(xué)生建立“系統(tǒng)”觀點進行問題研究的基本理論。然而，隨著人工智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的快速發(fā)展，隨著社會產(chǎn)業(yè)格局的快速變化，控制理論所對應(yīng)的控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，規(guī)模越來越大，復(fù)雜控制問題往往需要借助多種理論在不同系統(tǒng)層面問題上進行求解，學(xué)生不清楚如何用相關(guān)知識去解決實際工程問題，減少了其學(xué)習(xí)熱情和動力。

2. 教學(xué)模式與“以學(xué)生為中心”的教育理念距離較遠(yuǎn)。當(dāng)前，本課程以傳統(tǒng)課堂授課模式為主，電子資源為輔的授課方式，網(wǎng)絡(luò)資源內(nèi)容較局限，無法為學(xué)生提供豐富的、可移動的、靈活多樣而不受時空限制的柔性學(xué)習(xí)方式，無法讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

3. 課程實驗與理論內(nèi)容相對分立，沒有以實際控制工程的項目案例為牽引，難以系統(tǒng)有效地培養(yǎng)學(xué)生對實際復(fù)雜工程問題的獨立研究、協(xié)同解決的能力和素養(yǎng)。

4. 課程考核方式單一。當(dāng)前課程考核采取的是將平時成績、實驗成績和期末考試成績按一定比例折算得出總評成績的考核方式。這種考核方式對學(xué)生學(xué)習(xí)的過程評價考慮不夠，教師無法動態(tài)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，不能根據(jù)教學(xué)反饋及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，也不能有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、基于OBE理念的反向教學(xué)設(shè)計

基于新工科建設(shè)要求及OBE工程教育理念，從本校自動化專業(yè)最新人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求出發(fā)，綜合考慮課程特點，首先明確了自動控制原理課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點，再以畢業(yè)要求指標(biāo)點的能力達成為導(dǎo)向，采用逆向思維方式進行教學(xué)設(shè)計，將課程的培養(yǎng)目標(biāo)確定為以下三點：

課程目標(biāo)1：了解控制系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)組成及工作原理，掌握反饋控制系統(tǒng)建模、分析和綜合的理論及方法，能夠基于數(shù)理及工程知識，對復(fù)雜工程背景下的實際控制問題進行原理分析。

課程目標(biāo)2：能夠熟練應(yīng)用控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法，以及時域、復(fù)域、頻域等分析及綜合方法，對復(fù)雜工程問題進行分析研究并獲得有效結(jié)論，具有控制系統(tǒng)模型構(gòu)建、性能分析和系統(tǒng)校正的能力。

課程目標(biāo)3：能夠進行控制系統(tǒng)的實驗方案設(shè)計，并通過現(xiàn)代仿真工具MATLAB進行實驗分析及研究，初步具有分析和解決實際控制工程問題的能力。

自動控制原理課程培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)指標(biāo)點間的映射矩陣，如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，針對課程目標(biāo)的有效達成分解課程內(nèi)容，并逐一確定課程內(nèi)容相對應(yīng)的教學(xué)方法、手段，設(shè)計課程合理有效的考核方式及課程目標(biāo)達成的評價標(biāo)準(zhǔn)。

三、線上線下混合教學(xué)模式研究

混合教學(xué)模式是將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式有效結(jié)合，形成線上+線下的教學(xué)模式。混合教學(xué)模式有利于實現(xiàn)OBE教育理念，能有效發(fā)掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，將傳統(tǒng)教學(xué)模式中學(xué)生被動接收知識轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)，增強學(xué)生參與感，提高學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的知識整合能力和思維能力得到擴展[8]。

基于自動控制原理課程目標(biāo)和課程特點，線上線下混合教學(xué)模式具體實施如下：

（一）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)

明確線上線下教學(xué)任務(wù)分工，根據(jù)授課內(nèi)容及知識點的劃分，完善教學(xué)文檔的信息化設(shè)計，包括教案、教學(xué)PPT、重點教學(xué)內(nèi)容的微課視頻錄制、設(shè)計在線測試習(xí)題等。

（二）基于網(wǎng)絡(luò)資源進行線上教學(xué)

教師課前通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布本周學(xué)習(xí)內(nèi)容，推送微課視頻、案例、相關(guān)閱讀資料、測試題目、討論貼等教學(xué)資源供學(xué)生進行碎片化學(xué)習(xí)。學(xué)生可根據(jù)需要靈活選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過在線資源的微課視頻觀摩進行課前預(yù)習(xí)，并完成教師發(fā)布的在線作業(yè)、測試和討論貼。教師通過后臺數(shù)據(jù)分析，可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，根據(jù)學(xué)習(xí)情況反饋來調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及進度安排。教師可充分利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺和課程QQ群，加強與學(xué)生的線上互動交流，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的問題進行答疑解惑。

（三）線下教學(xué)

設(shè)計與線上教學(xué)內(nèi)容相互補的線下課堂教學(xué)教案，研究翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，以問題驅(qū)動、案例分析、小組研討等多種方式組織教學(xué)，在課堂上給出每個章節(jié)的任務(wù)和要求，使學(xué)生掌握本章節(jié)的架構(gòu)及目標(biāo)任務(wù)要求，同時也作為知識點的導(dǎo)航，通過案例導(dǎo)出教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)講授課程重點、難點內(nèi)容，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，有效進行各教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，并推進實驗項目的有效進展。課后完成教師布置的作業(yè)，進一步檢測課程目標(biāo)達成情況，圖1是線上線下混合教學(xué)模式設(shè)計方案。

通過以上靈活多樣的教學(xué)方法和教學(xué)手段，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力。

四、基于CDIO理念理實協(xié)同綜合實驗項目設(shè)計

CDIO強調(diào)的是將教學(xué)與工程實踐相結(jié)合，以項目為載體，讓學(xué)生在“學(xué)中做，做中學(xué)”的過程中獲取知識，強化工程實踐意識，提升專業(yè)能力和團隊合作能力[9]。

基于CDIO工程教育理念，以學(xué)生復(fù)雜工程問題求解能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合自動化專業(yè)的工程實踐基礎(chǔ)，以智能制造生產(chǎn)過程中普遍需求的智能物流小車為控制對象，構(gòu)建課程的綜合實驗項目。

（1）構(gòu)思階段：項目構(gòu)思是一種具有創(chuàng)造性的探索活動，為培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力，首先將學(xué)生進行分組，3人一組，采用組長負(fù)責(zé)制。教師要先明確項目的具體要求，引導(dǎo)學(xué)生查閱智能物流小車案例背景資料，綜合運用自動控制理論關(guān)于控制系統(tǒng)的相關(guān)知識，思考并提出智能物流小車初步控制方案，根據(jù)物流小車工作原理繪制控制框圖。

（2）設(shè)計階段：將基于初步的解決方案利用控制系統(tǒng)建模方法進行問題建模;鼓勵學(xué)生進行探討驗證設(shè)計的可行性。

（3）實施階段：根據(jù)系統(tǒng)模型特點，采用正確的理論方法進行控制系統(tǒng)性能分析及計算，并對其提出綜合校正方案。

（4）操作階段：采用MATLAB系統(tǒng)仿真軟件對控制系統(tǒng)進行仿真實驗及實驗分析，以此驗證所構(gòu)思方案的正確性，形成一個實驗閉環(huán)。學(xué)生需提交設(shè)計方案和報告，并匯報整個設(shè)計過程及設(shè)計方案的優(yōu)缺點。

圖2以智能物流小車為例展示基于CDIO的綜合實驗項目設(shè)計的具體實施方案。

實驗項目按照構(gòu)思、設(shè)計、實施、操作四個環(huán)節(jié)，將理論知識與實踐內(nèi)容相映射，以實際控制工程項目案例為牽引，推進“理實協(xié)同學(xué)習(xí)”方式，引導(dǎo)學(xué)生更好地通過理論學(xué)習(xí)探究最終解決方案和手段，實現(xiàn)從知識到能力的轉(zhuǎn)化，從而有效激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性和探索研究的興趣，形成較系統(tǒng)的工程設(shè)計理念和科學(xué)研究思維方式。

教師要對以上四個環(huán)節(jié)設(shè)置階段性合理評價，從而對學(xué)生的解決方案進行有效評價和引導(dǎo)，逐步促進學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的初步養(yǎng)成。

五、改革考核方式，重視過程評價

課程考核是教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)合理的考核方式不僅可評價學(xué)生對課程目標(biāo)的達成情況，也為教學(xué)中存在的不足之處進行持續(xù)改進提供重要依據(jù)。自動控制原理課程的教學(xué)改革對考核方式也進行了改進，不再局限于期末綜合卷面考核，而是依據(jù)本課程所要達成的教學(xué)目標(biāo)，采用過程性考核和期末考核相結(jié)合的方式，注重學(xué)習(xí)的過程評價和評價方式的多樣性。兩種考核方式在總評成績中各占50%，過程性考核成績由平時成績、線上成績、實驗成績?nèi)糠謽?gòu)成，其中線上考核由微課視頻學(xué)習(xí)時長、線上討論、線上作業(yè)和測試四個環(huán)節(jié)加權(quán)構(gòu)成，平時成績由課堂出勤率、課上互動和課后作業(yè)三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，考核方式及成績比例見表2所示。

多樣化的課程考核評價方式不僅可考查學(xué)生對基本概念、系統(tǒng)分析與設(shè)計方法的掌握情況，也能較客觀地反映出學(xué)生對理論知識的運用能力，并充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動參與性，更加注重學(xué)習(xí)的整個過程，提升教學(xué)效果。

六、結(jié)束語

為培養(yǎng)新工科時代背景下具有工程實踐能力的自動化專業(yè)人才，引入OBE-CDIO理念，重新構(gòu)建自動控制原理課程培養(yǎng)目標(biāo)，梳理課程內(nèi)容，反向設(shè)計課程體系，建設(shè)優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源，推進線上線下混合式教學(xué)模式改革，設(shè)計理實協(xié)同綜合實驗項目，調(diào)整考核方式，加強過程性考核評價，有效保證課程目標(biāo)的達成。實踐證明，基于OBE-CDIO理念的教學(xué)改革能充分激發(fā)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)行為，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)新工科背景下應(yīng)用型人才提供了有效途徑。

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