基于OBE理念的林業“自動控制原理”實踐教學改革探索

趙燕東，韓巧玲，劉衛平

（北京林業大學 工學院，北京 100083）

引言

OBE（Outcome-based Education）打破了幾十年來的教學理念，為大學培養目標的設定提供了一種全新的視角［1］。強調培養學生的工程實踐能力，要求遵循以成果為導向，全面提升學生分析和解決實際工程問題的能力。它以行業需求為出發點，要求教育者制定本專業學生畢業5年后達到的培養目標，再根據培養目標制定學生經過4年本科學習能達到的畢業要求，最后根據畢業要求，構建畢業達成度指標，并針對畢業達成度指標設置課程體系。

“自動控制原理”實踐課程是高等學校本科自動化、電氣工程及其自動化、電子信息類等專業的重要專業基礎課［2］。隨著智能控制技術的高速發展，自動控制技術在航空航天、工業控制、智能家居、國防等諸多領域得到了越來越廣泛的應用?！白詣涌刂圃怼笔谴蠖鄶倒た茖I學生必修的專業基礎課，具有實踐性強的特點，對培養學生的工程實踐動手能力和創新意識至關重要。其實踐教學以自動控制理論知識學習后的理論驗證和實踐創新為主要內容，學生通過“自動控制原理”課程的學習，有助于樹立嚴肅認真的科學作風和理論聯系實際的工程觀點，對科學思維能力、分析計算能力、實驗研究能力和科學歸納能力的培養具有重要的作用。為學習后續專業課程準備必要的自動化技術知識。本文以新工科專業“自動控制原理”實踐教學體系為例，進行基于OBE理念的反向實踐教學體系設計，精煉各實踐教學環節的教學目標，然后在此基礎上進行教學過程設計。

一、“自動控制原理”實踐教學的特點

“自動控制原理”實踐課程具有理論與實踐結合緊密和創新空間大的特點［3］。

1.理論與實踐結合緊密。理論課程不僅基礎知識點多，經典理論多，數學推導多，而且應用性強。這些特點在提高了對驗證性實踐課程設計要求的同時還要求密切結合行業需求設計實驗，理論與實踐相結合，相互促進。

2.創新空間大。在驗證性實驗中，“自動控制原理”實踐教學要充分結合前期課程，將自動控制理論融入實驗設計。例如，可以采用電路設計驗證自控理論知識，在電路設計中，采取不同的連接方式，同樣的電路元件可以構成不同的電路，發揮不同的作用，達到驗證的目的。課程的這一特點，擴充了電路設計的創新空間，提高了學習的趣味性，為發揮學生在學習中的主觀能動性提供了條件。在設計性實驗中，要求學生將自動控制原理的理論知識與實際工程案例結合，通過設計電路模型，對實際工程問題進行分析研究，并通過研究結果指導工程實踐，解決實際需求。

二、“自動控制原理”實踐課程的問題思考

1.“自動控制原理”實踐教學內容對自動化專業畢業要求的支撐度不夠。目前的實驗項目是以知識點為基礎的，沒有遵從“OBE”理念，體現不出以成果為導向、以學生為中心、持續改進的辦學思想。

2.理論教學與實踐教學脫節。自動控制原理理論性強，抽象難懂，現有教材一般都不涉及理論與實際的聯系問題，內容大多為理論驗證性實驗，缺乏理論與實踐的緊密結合，很少給出物理意義或者是工程意義上的解釋。在一定程度上限制了學生工程實踐能力的培養。

3.實驗項目單一，且缺乏前沿性。目前自動控制原理實驗項目大多是驗證性實驗，雖然有極少數的綜合性實驗，但談不上自主設計性和創新性，缺乏對學生通過實驗獨立發現、分析和解決問題能力的培養，難以調動學生的創新熱情，教師更是難以根據不同學生的具體情況做到因材施教，抑制了學生探索精神的發展，難以提升學生主動學習的積極性和創新性。

4.實驗教學手段保守。當前“自動控制原理”實踐教學多是基于試驗箱或者MATLAB仿真進行的，可擴展性不強，無法做到針對不同水平學生進行不同的實驗設計，單一呆板的教學手段很難激發起學生的興趣，不利于培養學生的設計思維和實際操作能力，教學效果受到很大的影響。

5.實驗課程的考核評價機制不完備，不能科學、客觀地評價學生的工程實踐能力［4］。

三、OBE理念下的“自動控制原理”實踐教學改進

在“自動控制原理”實踐教學改革過程中，教學團隊遵循OBE理念，以成果為導向，著力培養學生分析問題、解決問題的能力。制定符合OBE理念的自動控制原理實踐課程目標、教學內容，改革完善教學手段，構建過程化、多元化及作品化的評價方式。培養學生溝通協調、自主終身學習的能力，促進學生知識、能力和素質的全面提升。

1.“自動控制原理”實踐課程目標的改進。對OBE理念辦學進行探索，深入林場、企業、機關單位進行社會調研，收集行業需求，明確行業對“自動控制原理”課程培養目標的需求，在遵從教育部培養人才基本要求的基礎上，根據專業培養目標和畢業要求設定本課程的達成度目標。

課程目標：“自動控制原理”實驗課程注重將自動控制系統的基本概念、基本原理及基本方法和實際系統相結合，采用從系統數學模型建立，到系統動態特性和穩態特性分析，再到系統綜合校正，最后是特殊系統分析的實驗教學體系，力求使學生將理論學習通過實驗來驗證、設計、分析，完善和提高教學效果。剖析分段課程子目標，通過本課程的實驗訓練，使學生具備下列能力，以達到對畢業要求的支撐作用。

課程目標1：能夠應用工程數學、物理學和控制理論基本知識表述控制工程問題，建立實際工程系統的數學模型，并能將數學模型轉換為模擬電路的實現模型，能確定模型對應的元器件參數，理解實驗建模的局限性。

課程目標2：能夠運用控制理論的時域法、頻域法和根軌跡法對控制工程問題進行穩定性、動態性能和靜態特性的理論分析，設計實驗電路并進行系統調試，給出有效結論；能夠進行實驗結果和理論結果對比分析并給出合理結論。

課程目標3：能夠對復雜工程問題進行有效的文獻檢索和應用，以獲得有效結論的能力，并能夠應用控制理論的基本原理和基本方法，對復雜工程問題的實際要求進行分析和提煉，考慮各種制約因素確定有效的控制方案，并完成控制系統方案設計、參數確定和系統實驗綜合。

課程目標4：能夠對復雜工程問題建立自動控制系統數學模型和實驗模型，進行控制系統實驗分析與計算，并能有效合理地分析實驗結果，獲取有效的結論。

課程目標5：能夠利用MATLAB/Simulink軟件工具進行復雜工程問題的數學建模和仿真研究，給出有效的結論，并能理解其局限性。

2.實踐教學內容的改進。在OBE理念指導下，充分挖掘“自動控制原理”實踐教學環節對相關專業畢業要求的支撐度，結合林業科研項目，搭建林業“自動控制原理”實踐教學案例，在保持原有驗證性實驗的基礎上，增加科研反哺設計類等實驗教學內容，提升實驗內容的設計性及創新性。改革前后實踐教學內容見表1［5］。

表1 改革前后實驗項目對照表

學生可以根據自己的實際情況選擇不同類型的實驗，既可以選擇理論驗證類實驗，也可以選擇更具有創新性與自主性的科研反哺設計、綜合設計及專業拓展類實驗，給每類實驗都賦予不同的難度比重，用于區分學生的工程實踐能力，充分調動學生的自主學習積極性。

除課內實驗外，為培養學生的自主創新能力，教師根據課程整體的知識點和體系結構，結合教學團隊教師的科研項目，設計了選做題目，供學生在課余時間選做。

3.實踐教學手段的改進。一是實踐教學手段多樣化。使用虛實結合的實驗教學方式，充分體現以學生能力提升（即OBE理念）為導向，以學生發展為中心，采用線上線下混合式教學模式，為學生推薦最新知識，讓學生能夠在課下使用網絡等現代工具，針對性地對感興趣的內容進行擴展［6］。在教學中結合虛擬仿真模式和硬件模式的優點，鼓勵學生在虛擬仿真模式下對實驗項目進行自主創新設計，結合硬件模式進行物理調試，既能實現對控制理論的思考，也能獲得控制系統具體實現和調試方法的切身感受，在實驗過程中對理論內容進行了升華，同時提高了學生的工程實踐應用水平。二是案例庫教學。結合科研項目搭建實踐教學案例庫，使學生通過“自動控制原理”實踐課程的學習，具備了林業行業對本專業人才的實際需求。三是科研反哺教學。將科學研究的最新成果用于專業實踐教學的新知識挖掘、師資培訓及實踐教學研究基地建設，將科研與實踐教學密切結合。

4.考核評價方式改進。實踐教學考核評價的目的有三：一是考核學生學習成果，二是檢驗教師的教學水平和成果，三是發現總結教學活動中的薄弱環節，為下一步的教學改進提供依據［7］。

目前“自動控制原理”實踐教學考核評價主要存在以下弊端：一是當前考核成績主要有兩部分組成，分別為實驗操作成績和實驗報告成績，各占50%，大多數實驗操作要么是根據實驗指導書操作，要么是教師手把手指導操作，學生的學習態度、學習過程及學習積極性都不能得到充分的體現。二是學生可以根據自己的能力選擇不同類型（驗證類、科研反哺類、綜合設計類及專業拓展類）的實驗項目，增加實驗答辯環節，培養學生對實驗內容的理解及表述能力。教師則根據難度比重及完成情況評定學生的成績，讓每個學生都能通過考核成績明確自己對本課程的掌握程度及努力方向。

考核成績由四部分組成，分別為預習成績、實驗操作成績、實驗報告成績和答辯成績，各部分成績占比分別為10%、40%、40%、10%，然后再乘以難度比重，見公式（1）。

其中：Ci——單項實驗的成績

X1——預習報告成績

X2——操作過程成績

X3——實驗報告成績

X4——答辯成績

Ki——本次單項實驗難度比重

實驗課程總成績為七個單項實驗成績的平均值，見公式（2）：

四、“自動控制原理”實踐教學改革的成果

經過基于OBE理念的“自動控制原理”實踐教學改革，教師和學生的教與學水平均得到了提升，特別是激發了學生的實踐動手積極性。近兩年來本專業學生積極參加各類競賽和大創項目，取得了多項“自動控制原理”課程相關的學習成果，如獲得全國大學生電子設計競賽（北京賽區）一等獎6項、二等獎8項，獲批國家級大創項目3項，省級大創項目3項，校級大創項目多項。

結語

基于OBE理念的“自動控制原理”實踐課程改革是林業工科“電類”專業改革的必要一環，是工科專業課程建設的必由之路，也是反哺理論教學，提升學生動手實踐能力的重要途徑。本文在總結當前“自動控制原理”實踐教學存在問題的基礎上，強調“自動控制原理”實踐教學目標對行業人才培養目標的支撐作用，倡導科研反哺實踐教學，提升“自動控制原理”實踐教學的可行性及前沿性。基于OBE理念對該“自動控制原理”實踐課程進行了教學改革探索，可有效提升學生的創新能力，通過科研反哺實驗教學的案例庫可以有效幫助學生深度理解林業行業對“電類”專業“自動控制原理”實踐教學內容的要求，培養更符合林業行業發展需求的綜合型人才。