基于OBE 理論的“自動控制原理”課程重構研究

顏 森，周紅鍇，李高宇，李崇山，王守峰

（桂林理工大學南寧分校，廣西 崇左 532100）

0 引言

為了推動職業教育高質量發展，提高勞動者技術技能水平，促進就業創業，建設教育強國和技能型社會，推進社會主義現代化建設，2022 年5 月1 日起正式實施《中華人民共和國職業教育法（修訂草案三次審議稿）》（下稱《職業教育法》）[1]。《職業教育法》作為國家層面對職業教育的頂層設計，為新時期我國的職業教育發展提供了可靠的法治保障，對推動我國技能型社會的建設具有重大意義，彰顯了中國特色社會主義職業教育已經進入了高質量發展的新階段[2]。2020年9 月，教育部等九部門聯合印發《職業教育提質培優行動計劃（2020-2023 年）》，提出職業教育“三教”（教師、教材、教法）改革攻堅行動任務，全面深化“三教”改革，要求樹立新發展理念，服務建設現代化經濟體系和實現更高質量更充分就業需要，對接科技發展趨勢和市場需求，為高等職業院校課程改革確立了基本的邏輯起點[3]。“自動控制原理”課程是高等職業院校自動化類和機電一體化專業的基礎課程，也是控制理論與實際工程應用緊密結合的一門經典課程，與高質量就業和適應產業發展需求密切相關。然而，當前的“自動控制原理”課程內容相對陳舊，與企業需求和未來的工作崗位技能要求匹配度不夠；在課程的教學中普遍存在教學內容理論性過強、教學實踐少的問題，不符合“三教”改革背景下的人才培養，因此開展高等職業院校自動控制原理課程內容重構的研究勢在必行。

1 OBE 理念對“自動控制原理”課程改革的意義

OBE（Outcome Based Education）以學習成果驅動整個課程教學體系并進行學習評價的先進教育理念，對于解決上述問題具有重要的指導意義。OBE 教育理念的核心是以學生預期獲得的學習目標和達到畢業要求為導向，以學生為中心，反向重構課程教學內容[4]。根據學生畢業要求達成度持續改進教學體系、修正課程培養目標，從而形成閉環的持續改進機制，如圖1 所示。在“三教”改革和專業分級建設的背景下，基于OBE 的先進理念對于高等職業院校課程改革和提高人才培養質量具有重大的現實意義。

圖1 OBE 理念模型

國內已有較多學者基于OBE 理念對課程改革展開了研究[5-7]，但對“自動控制原理”課程改革研究相對較少。通過分析“自動控制原理”課程的特點、教學現狀以及存在的問題，結合社會發展需求，基于OBE 理念對自動控制原理課程進行重構研究。首先突出就業行動導向，明確課程培養目標；然后根據培養目標重構教學理論，將知識點與項目相融合設計教學內容，優化教學體系；最后采用自主式、探索式、團隊式相互融合的方法改革實踐教學，并建立以學生為中心，根據學生畢業要求達成度持續改進教學體系、修正培養目標，從而構建閉環持續改進機制。課程內容重構深度融合OBE 理念，將提高學生學習積極性、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，以促進就業和適應產業發展需求，實現高質量就業[8]。

2 課程學前分析

2.1 課程的地位與作用

“自動控制原理”課程是高等院校自動化、機電一體化專業的專業基礎課，也是建筑電氣與智能化等專業的必修課，并且是工程類碩士研究生考研專業課之一。根據2019-2021 年桂林理工大學南寧分校選課人數數據得出，該課程本科選課人數呈線性增長，且2021 年增長率為114%，專科選課人數也呈現增長趨勢。由于機電一體化專業減少2 個班的招生人數，但是2020 年與2021 年選課人數基本一致，說明本課程在專業課程體系中占有舉足輕重的地位。如圖2 所示。

圖2 本專科選課人數

“自動控制原理”對課程設計、畢業設計具有重大意義，根據自動化專業2022 年畢業論文選題數據得出，與自動控制系統設計相關的畢業設計高達70%，而且跟學院的就業率和就業質量息息相關。

2.2 課程存在問題

采用問卷調查的方法，對目前進行自動控制原理課程授課的2021 級自動化和機電一體化專業進行調查分析，問卷調查向168 人發放了問卷，有效回復問卷152 份，無效問卷0 份，缺失問卷16 份，有效問卷超過91.0%，問卷有效。本課程是專業必修課，課程對于初學者來講，屬偏難課程，根據問卷調查的情況，采用頻數分析法，進行調查分析。

2.2.1 學習興趣不高

自動控制原理課程涉及的理論知識包含多門課程如高等數學、電機拖動技術和電力電子技術等，其控制系統的數學模型建立和轉換理論性很強，具有很強的專業性，對控制系統進行性能分析內容繁雜，容易導致學生對自動控制原理課程的學習興趣不高，超過68%的同學認為該課程難以掌握。如圖3 所示。

圖3 課程難易程度

2.2.2 教學內容繁雜脫節

自動控制原理是多學科知識在控制過程中的綜合運用。本課程主要包含1 個原理：控制系統工作原理；2 大模型：微分方程和傳遞函數；3 大方法：時域法、頻率響應法和根軌跡法；4 個判據：勞斯判據，霍爾維茲判據，Nyquist 判據和Bode 圖等多方面、多角度的知識，導致教學內容較為繁雜。并且該課程課時數相對較少，導致課程授課內容知識點覆蓋范圍較小，與企業需求和高技術工作匹配度不夠（圖4），缺乏專業性強的拔高類課程內容和體系，課程建設不夠完善。

圖4 畢業生就業去向

2.2.3 教學內容重理論、輕實踐

由于教學條件的限制，以往的自動控制原理課程往往都是采取任課教師統一講解的教學方式，教學活動的主體是教師，導致學生的學習興趣不高，學生對該課程的理解不深，無法將所學知識用于解決實際問題。

3 課程教學內容重構路徑

3.1 突出就業行動導向，建立課程培養目標

《職業教育法》在教育規劃方面，提出規定發展職業教育應當與促進就業創業、推動產業結構調整等整體部署、統籌實施，進一步明確職業教育面向市場、服務發展、促進就業的辦學方向，因此自動控制原理課程作為一門專業必修課，培養目標應綜合考慮人才培養目標和社會需求，體現專業特色和職業特征，以突出就業行動導向為邏輯起點，建立綜合性、多維度、促就業的課程培養目標。

根據自動化和機電一體化社會需求和崗位技能要求，要求學生具備根據實際的控制系統分析和解決問題、參與工程實踐的實際能力，具有良好職業素養。因此，在教學中應建立本課程的課程目標，應包含知識目標、能力目標以及素質目標三個目標。知識目標主要有根據實際的控制系統建立數學模型，分析系統的穩定性、動態和穩態性能，并能設計相應實驗，形成良好的工程實踐意識。能力目標包括掌握控制系統的控制過程，利用仿真實驗，設計校正控制器改善控制系統性能，具備設計開發復雜工程問題解決方案的能力。素質目標含有培養學生勇于面對挑戰的精神，并能夠立足專業特色、追求卓越，具有科技強國的使命擔當[9-10]。

因此，為更好地達到課程培養目標，以學生為中心，充分考慮不同學生背景差異和就業崗位技能需求進行因材施教，注重課程理論和實踐相結合，全面提高學生的知識應用能力，依靠課程反饋機制不斷調整教學內容和教學方式，從而實現促就業高質量就業的目標。

3.2 基于OBE 理念重構教學內容

3.2.1 優化課程內容

自動控制原理課程理論性較強，內容包括復雜繁多的數學推導和數學分析，導致學生學習興趣不高，因此采用任務驅動式教學方法提高學生學習的積極性，并用實際的工程項目引導學生學習，并根據學生和企業需求對教學重難點進行調整，使教學內容更有利于課程目標的達成。該課程內容可以分成建立系統的數學模型和控制系統性能分析兩大部分：第一部分主要包括系統概述、拉普拉斯變換和系統的數學模型；第二部分主要包括時域分析法、頻域分析法、根軌跡法、控制器的設計與實現，通過工程項目、分析系統組成、系統框圖設計、建立系統數學模型、系統性能分析、系統校正以及系統實施形成一個有機的知識鏈，對各章節內容進行有機的銜接和融合[11]。

（1）系統概述以水位控制系統為例貼近生活實際，講解其自動控制系統的分類、組成以及系統的作用量和被控量，增加學生的興趣，讓學生更好的達成系統概述知識目標。

（2）拉普拉斯變換以單位階躍函數變換為例，深入淺出講解拉氏變換的概念以及拉式變換的運算定理，使學生達成理論知識目標。

（3）系統的數學模型以建立直流電機的微分方程為例，講解系統微分方程的建立步驟，利用拉普拉斯變換轉換成傳遞函數，引出傳遞函數的定義和性質。數學模型實質上是描述系統中的變量及其關系，而變量間的關系是各種物理化學定律，通過典型實例使學生掌握常規的定律和建立控制系統數學模型的步驟，為后續的系統性能分析打下堅實的基礎和興趣。

（4）時域分析法以二階控制系統的單位階躍響應為例，直接從微分方程或間接從傳遞函數出發分析控制系統的穩定性、穩態性能和動態性能，引導學生觀察典型環節的響應輸出曲線，并進行歸納總結典型控制系統不同輸入信號作用輸出的特性，達成利用時域分析法分析系統性能的技能目標。

（5）頻域分析法以典型環節為例，用圖解的方法對控制系統進行分析，重點講解輻角原理，引導學生繪制Nyquist 圖和Bode 圖，使學生掌握利用開環傳遞函數的頻率特性分析閉環系統性能的方法，達成利用頻域分析方法分析系統性能的技能目標[12-13]。

（6）根軌跡法以三階系統為例，從系統開環傳遞函數和閉環傳遞函數為切入點引導學生明確零點、極點以及閉環主導極點的對控制系統性能的影響，利用根軌跡分析系統參數對控制系統性能的影響。

（7）控制器的設計與實現以PID 控制器設計為例，當自動控制系統的性能不滿足所要求的性能指標時，首先考慮調整系統可調整的參數能不能改善系統性能，然后需要設計控制器進行系統校正使之滿足所要求的性能指標。PID 控制器的設計與實現綜合考察學生對實際控制系統的建模、分析、校正的能力，檢驗是否達成課程目標方法之一。

3.2.2 課程學時的優化

學校教學計劃自動控制原理課程共48 學時，其中理論教學為44 學時，實踐教學為4 學時。自動控制原理理論教學中的部分知識，在高等數學、電子技術等課程中已經講述，而且理論知識比較枯燥乏味，學生的興趣不高，因此，需要對授課內容進行必要的重構，以實際項目為導向，突出重點、弱化難點，從而實現縮減理論教學學時，增加實踐教學和線上教學學時的目標。具體的改革措施如下：

（1）理論教學改為36 學時，實踐教學為8 學時，線上學習4 學時。建立系統的數學模型和頻域分析作為課程重點內容，采用“項目引導式授課+隨堂測試+翻轉課堂”模式開展，注重學生對實際控制系統的數學模型建立的步驟和變換成傳遞函數的方法，并根據數學模型利用頻域分析法分析控制系統的性能，判斷是否滿足性能指標，與實際工作密切相關，切實符合崗位技能的需要[14-15]。

（2）為了增加學生的學習積極性、不斷提高學生解決復雜問題的能力，以促進就業，增加一些實踐教學內容，如：二階控制系統的搭建、二階控制系統的階躍響應、控制器的設計與實驗等。

3.3 構建閉環持續改進機制

以學生預期獲得的學習目標、畢業要求以及社會需求為導向，反向設計課程內容，在教育過程中以學生為中心，量化教育評價方式，根據專業發展趨勢和學生畢業要求達成度持續改進教學體系、修正培養目標，從而形成閉環的OBE 理念模型。教研室每學年都會開展課程培養目標的修訂工作，主要依據開學前和開學后的問卷調查、作業、課堂表現、期末成績、輔導員意見搜集、學生評教等方式搜集反饋意見，分析計算學生畢業要求達成度的情況。根據社會的需求、反饋以及畢業要求達成度的情況，調整課程培養目標，不斷優化課程內容，提高學生的學習積極性及解決實際問題的能力，促進就業和適應產業發展需求。

4 教學改革成效

基于OBE 理論對自動控制原理課程重構以來，受到學生和同行的一致好評，也得到實習單位和用人單位的高度認可，并從課程質量調查問卷、學生評教和督導檢查結果得知，基于OBE 理論對自動控制原理課程重構，解決了目前該課程存在的部分問題，并取得了預期效果。

4.1 優化課程培養目標

根據自動化和機電一體化專業的社會需求和崗位技能要求，結合人才培養方案，以突出就業行動導向，優化課程知識目標、能力目標和素質目標，使絕大多數學生能夠獨立、高質量完成控制系統建模和控制系統性能分析，通過解決實際工程問題，深化知識內涵、提升創新思維能力。

4.2 優化課程內容，知識點與工程項目有機融合

根據學生需求和企業需求對教學重難點進行調整，并將各章節的知識點與實際的工程項目有機融合，促進就業和適應產業發展需求，采用任務驅動式教學方法引導學生學習，提高學習興趣，解決由于自動控制原理課程理論性較強，內容繁多復雜，導致學生學習興趣不高等問題，受到學生和同行的一致好評。

4.3 人才培養成效

學生利用所學的理論知識解決實驗和實踐中遇到的問題，提高學生的分析、解決問題的能力和理論與工程實踐融合的能力。另外，以工程項目為導向，提高學生的學習興趣，培養學生創新創業意識。我院學生在參與科研教改項目，發表論文、專利，申報大學生創新創業項目等方面數量逐年增加，質量不斷提高，達成提高人才培養質量的目標。

5 結語

在“三教”改革的背景下，分析目前自動控制原理課程教學存在的問題，基于OBE 理論的自動控制原理課程重構研究，以學生為中心，突出就業行動導向，建立課程培養目標，重構課程內容，優化學時分配，利用實際工程項目問題深入淺出講解自動控制原理的知識點，使其真正掌握控制系統的基本概念、系統分析、設計的方法，并根據社會的需求、反饋以及畢業要求達成度的情況，構建閉環持續改進機制，不斷優化課程內容，提高學生的學習積極性、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，促進就業和適應產業發展需求，提高人才培養質量。