控制工程多學科交叉復合教學及信息化研究

生龍 馮文豪 閆景富 黃志奇

摘? 要：控制工程基礎以控制理論為工具，研究系統分析及設計中的共性化問題，是應用性較強、多學科交叉復合的工科專業課程。由于課程內容較抽象，涉及較多理論性知識，使學生對課程產生復雜枯燥的印象。為調動學生積極性，強化該門課程的應用性，該項目對課程進行教學改革嘗試，調整教學內容，引入OBE（Outcomes-Based Education）成果導向理念，增加實驗課程比重，同時建設線上教學平臺，取得良好的教學效果。

關鍵詞：控制工程;OBE成果導向理念;線上教學;教學改革;實驗課程

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）08-0137-04

Abstract： Fundamentals of Control Engineering takes control theory as a tool to study the commonness of system analysis and design， which is an engineering course with strong application. As the content of the course is abstract and involves more theoretical content， students have a complex and boring impression on the course. In order to mobilize the enthusiasm of students and strengthen the application of the course， the project made an attempt to reform the teaching of the course， adjusted the teaching content， introduced OBE （Outcomes Based Education） results-oriented concept， increased the proportion of experimental courses， and built an online teaching platform， which achieved good teaching effects.

Keywords： control engineering; OBE results-oriented concept; teaching online; teaching reform; experimental course

控制工程基礎是中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院機械設計及自動化專業和過程裝備及控制工程專業本科必修課。該課程以控制理論為基礎，研究面對實際系統如何進行系統分析與設計及其中的共性化問題，是一門實踐性很強的課程。在我國本科階段的高等教育改革方向逐步向應用型轉變的背景下，圍繞應用型人才的培養體系建設這一總體目標[1]，對控制工程基礎課程進行改革，有極強的時代意義，本文將通過校區工學院的教學實際情況，探索該課程的教學改革總體思路和實施計劃。

一? 控制工程基礎課程教學現狀分析

校區工學院的課程體系設置中，控制工程基礎是本科相關專業的必修課。學生在前一階段已經研修了高等數學、大學物理、大學物理實驗和電工電子學等先修課程，具備了一定的理論框架和基礎知識，但沒有研習復變函數這類專業性質較強的課程，給學生在學習拉普拉斯變化、傳遞函數、頻域分析等涉及到復變函數相關概念的重要知識點造成困難。基于上述原因，校區工學院在開設控制工程基礎這門課程時，增加了復變函數知識點講授，并將此內容特別設置為第0章，其目的是與課程的主干內容加以區分，同時向學生說明第0章內容是后續章節的先修課程，是為后續章節進行知識儲備的，并不會單獨作為考試內容。但隨之而來的問題是課程初始階段就接觸到復變函數較為復雜抽象的概念和理論知識，學生往往一時難以適應，并且由此產生控制工程基礎課程理論性知識較多，內容較抽象的初始印象。隨著后續章節的展開，尤其當講授到系統的微分方程、傳遞函數、拉氏變換和頻域分析等章節的內容時，又引入了高等數學中的許多理論性概念、公式、定理等內容，加深了上述印象，部分高等數學功底并不扎實的同學出現了畏難情緒， 甚至片面地將控制工程基礎課程等同于高等數學課程。上述現象不止存在于某屆某個專業，經過長期跟蹤調研工學院2016級至2019級2個專業4屆學生的研習效果發現，學生中普遍存在著上述認知，并由此產生畏難、厭學情緒，影響了該門課程的講授效果，其實際效應與課程設置的初始目標南轅北轍。基于上述教學現狀，對控制工程基礎進行體系化改革顯得尤為緊迫。

二? 控制工程基礎教學改革目標

隨著我國成為國際本科工程學位權威互認協議即《華盛頓協議》的正式成員，從2016年開始，國家針對工程教育專業認證開始進行試點工作，目的是促進工程教育領域的國際認同和提升我國工程技術人才的國際競爭力和影響力[2-3]。在此背景下，通過對工程教育專業認證標準體系的深入研究，結合控制工程基礎這門專業課程對相關專業畢業要求的支撐作用，擬定了以下教學目標。

在課堂教學中，改變以往教學章節中對知識點進行刻意的劃分，選擇某個典型系統作為有機串聯各個知識點的主線從而構建一個完成的學科教學體系。

弱化本課程數學理論性較強的特點，突出數學工具性的特征，強調使數學作為工具解決實際工程應用的方式方法，激發學生的學習興趣。

拓展實驗環節，增加仿真實驗內容，增加實際系統驗證環節，增強學生對所學知識在工程實際中應用情況的感性認識。

開發網絡大數據平臺，完善課程線上線下一體化進程。

三? 教學改革措施

（一）? 調整教學內容

根據課程教學目標的設定，結合本專業的行業背景特征及學生的知識掌握情況，對過往教學內容進行適當調整，弱化一些抽象復雜的公式、定理的推導演算，增強控制工程的原理、技術、解決工程案例的應用手段和方法，找準抽象理論知識與工程實際應用的結合點，使控制工程基礎的授課過程難易適中、通俗易懂、學以致用，激發學生學習課程的興趣，調動學生的積極性和主動性，提高學生自主學習能力。

（二）? 引入OBE（Outcomes-Based Education）成果導向教學理念

成果導向教育[4]也稱為基于目標或基于成果教育，近年來獲得世界各地教育系統的普遍認可。由于在傳統教學模式中沒有考慮學習成果的反饋，將缺少對學生互動能力和創新能力的培養，于是引入OBE教育理念的體系在制定課程時側重于學習者獲得或是提升生活技能、基本技能、專業和職業技能、智力技能以及人際關系和個人技能。傳統教學模式中以教師為中心，OBE教育理念則是以學生為中心，首先明確預期的學習產出，并以學習過程中的反饋為驅動，持續改進教學學習過程的方法，正是基于上述各點，本項目在進行控制工程基礎課程教學內容與方法改革中，利用成果導向理論以提高學生的學習體驗與學習效果，激發學生的主觀能動性，培養其發現、分析及解決問題的能力。

（三）? 增加實驗課程比重

進行實驗課程使得學習過程從教師對學生傳授知識轉換為學生主動成為認知主體，讓學生獨立進行實驗操作、自主控制實驗進度，讓學生在原有的知識基礎上累積實踐經驗，在實驗過程中發現問題后與教師進行互動，以預期成果為目標，教師引導學生尋找問題本質，引導學生鍛煉分析和解決問題的能力，從而形成學生自己對知識的理解，在新舊知識經驗的相互作過程中構建出自己的知識框架。

以往課程設置了MATLAB仿真實驗，但都是針對簡單求解函數的學習與應用，如運用MATLAB相關功能函數進行拉氏變換。為了突出本課程的應用性，特將仿真實驗增加至6個，總學時由4學時增加至12學時，特別增加了PID系統整定實驗和綜合實驗這2項，由學生自主選擇被控對象，運用課堂所學理論知識，自主設置實驗步驟和方案，完成系統分析，使學生真正地將所學應用于實際工程案例中，充分調動學生的學習積極性與主動性。實驗設置見表1。

（四）? 建設線上教學平臺

隨著互聯網的不斷普及，生活中隨處涉及數據采集，我們都已經邁入了大數據時代。近年來，在教學上網絡教學已經受到越來越多國內外高校的重視，成為教學改革的潮流和趨勢，傳統的單一線下教學模式已經不能很好地滿足當前的教學需求，無法及時地得到學生學習的反饋。控制工程基礎課程內容較多，理論性很強，較為抽象，并且由于實驗課時比重的增加，對學生自學能力有了更高要求。為及時掌握學生學習動態，了解學生學習的難點、疑點。針對上述問題，利用中國石油大學學習通平臺建設線上教學平臺。突破傳統“面授”的教學局限，為學習者提供了一個高效便利的平臺，通過學習通軟件構建教學資源庫，使學生對課程的學習不受時間、地域的限制[5]。

如圖1所示，該平臺可通過收集同學們在學習通上的動態，包括任務點數、作業數、課堂活動、觀看課件時長和統計考勤的情況等，對學生進行多維度的綜合考評與記錄，以幫助學校和老師更好地進行教學管理評估，方便老師對整個課程能有一個宏觀的了解。并且，老師還可以統計出在任何時間段同學們的活躍程度，一方面可以對同學們的學習情況有一個了解，另一方面也在客觀上督促了同學們的學習。

圖2中橫坐標為日期時間，縱坐標為學生訪問章節的頻次，老師可以動態地掌握學生的學習狀況，老師也能及時地通過學生們的學習情況調整教學內容和方法，形成線上線下互補的優勢。在學習過程中可以隨時與同學老師進行討論。可以在PPT的某個具體篇章隨時添加學生自己的學習筆記、體會、心得，方便日后溫習時查閱。

表2中為學生綜合考評統計，老師在課程設置界面設置平時成績的權重，如觀看PPT時長、視頻播放時長、訪問量和互動等等學習通提供的統計數據。在課程總覽界面，學生也可以查看自己的當前成績、課程的考核辦法、學習進度，以及關于這門課程師生的活動軌跡，學生可以第一時間在平臺上知道自己的平時成績，當然學生的最終考核成績要與這種線上線下混合式教學模式相適應。不能單以線上的成績作為學生過程性成績，可以作為過程成績的參考項，與課堂上同學們的表現等形成互補，有利于老師更客觀、更加接近真實地對學生的過程成績進行評判。

關于學生簽到有多種簽到方式（圖3），位置簽到、圖片簽到、課堂搶答和選人等學習通提供的功能開展互動，也可以作為學生提交課堂作業的渠道。

課后，老師也可以在超星平臺上布置作業、發布通知（圖4），或者和學生隨時保持聯系，第一時間解決同學們出現的問題。“通知”有專門的模塊，可以提醒學生作業內容、上交時間等，老師也可以清楚地看到具體每一位同學是否收到信息。

另外如學生在線上進行考試，老師也能減少批改選擇判斷題的時間，最快速地掌握學生情況。所有平臺生成的數據，老師可以下載留存，作為教務存檔的依據。

除此之外，學生還可以通過此平臺和老師溝通，收到意見及建議后，老師及時進行反饋，不斷地完善教學質量，修改教學方法，持續更新完善課件、作業等資源，從而形成良性循環，使得資源展示、教學支持、師生互動能優化協同發揮最大作用。章節測試資源及拓展資源等，以保障線下實體課堂教學的有效開展。

四? 結束語

經過上述教學改革方案和措施的制定，有效弱化了控制工程基礎的理論性，使課程的講授從抽象化、復雜化中剝離出來，考慮到了學生實際的學習情況并持續發現問題，以學習過程中學生的反饋為驅動改進教學方法，通過引入OBE教學理念，確保學生在未來學習生活中達到實質性的成功，突出了課程的應用性，通過實驗比重的增加提高了學生的動手能力和將理論知識應用于實際的能力，幫助學生自主認知，在知識學習與經驗累計中主動發現問題，并逐步構建和完善自己的知識框架，以達到預期的學習成果，數字信息化平臺的建設增加了師生互動，讓教師從一個知識的傳播者變為知識的組織者和學生學習的觀察者，使教學方式更加靈活多樣，完善了師生課堂教學的閉環，讓老師及時了解當前教學的效果，從而不斷改進教學方法，著重強調了教學過程中課上的搶答，以及課下的作業、答疑等反饋，能夠激發學生的主觀能動性，收獲了良好的教學效果。

參考文獻：

[1] 張磊，王樹臣，張建化.應用型本科“控制工程基礎”課程的教學改革與實踐研究[J].高教學刊，2016，9（15）：127-128.

[2] 吳濤.工程教育背景下控制工程基礎課程建設與改革[J].教育教學論壇，20196（24）：80-82.

[3] 武曉晶，陳志軍，杜深慧，等.《自動控制原理》課程多方位教學改革研究和探索[J].赤峰學院學報，2019，35（12）：149-151.

[4] 李響.基于OEB理念的新形勢下《控制工程基礎》教學實踐探討[J].海外文摘，2021（18）：71-72.

[5] 司娟寧，郭陽寬.多元融合開展控制工程基礎教學改革[J].科技視界，2021（34）：53-55.

基金項目：自治區科技廳-創新環境（人才、基地）建設專項-自然科學計劃（自然科學基金）-地州科學基金項目“基于迭代學習控制的多智能體系統協同追蹤在制造業中的應用研究”（2022D01F35）;中國石油大學（北京）克拉瑪依校區教學改革項目“《控制工程基礎》多學科交叉復合改造及信息數字化改造研究”（JG2021018）

第一作者簡介：生龍（1981-），男，漢族，江蘇南通人，博士，副教授。研究方向為網絡控制系統，遙操作。