基于OBE理念的自動控制原理課程教學(xué)改革

0 引言

自2016年我國成為工程教育專業(yè)認(rèn)證《華盛頓協(xié)議》的成員后，各大高校為保證教育質(zhì)量和就業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)我國教育和國際教育的無縫銜接，陸續(xù)開展了基于OBE 理念的課程教學(xué)改革[1]。山西工程技術(shù)學(xué)院作為應(yīng)用型本科院校，其課程的實(shí)踐性改革必不可少；自動控制原理作為自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其改革也勢在必行。

1自動控制原理課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

自動控制原理課程在自動化專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過程中具有重要地位。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前需要具備高等數(shù)學(xué)、電路等相關(guān)知識，而作為先修課程，其學(xué)習(xí)為學(xué)生接下來學(xué)習(xí)計算機(jī)控制、過程控制等專業(yè)核心和方向課程打下了基礎(chǔ)。該課程具有較強(qiáng)的理論性，涵蓋自動控制基本原理和概念，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)內(nèi)容提供了必要的理論支持和知識儲備。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生要達(dá)到知識、能力和情感目標(biāo)的三合一提升：知識目標(biāo)方面，學(xué)生要了解自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握控制系統(tǒng)基本工作原理和系統(tǒng)分析設(shè)計方法；能力目標(biāo)方面，學(xué)生要初步具備設(shè)計和分析控制系統(tǒng)的能力[2-3]，并且能夠自行設(shè)計實(shí)驗來驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性；情感目標(biāo)方面，學(xué)生要形成自己的人生反饋系統(tǒng)，培養(yǎng)大局意識、穩(wěn)定意識和創(chuàng)新奉獻(xiàn)精神、工匠精神，深入理解社會主義核心價值觀。

自動控制原理課程理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象、公式復(fù)雜、涉及知識面廣，而課時分配相對較少。對此，山西工程技術(shù)學(xué)院自動控制原理課程組通過研討、分析，發(fā)現(xiàn)目前該課程教學(xué)中存在以下問題。

1）課程學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)和電路基礎(chǔ)，課程內(nèi)容的連貫性和推理性較強(qiáng)，而很多學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，尤其在進(jìn)行理論推導(dǎo)時跟不上正常教學(xué)節(jié)奏，導(dǎo)致對后續(xù)課程無法理解，掌握的知識停留在初級階段，沒有達(dá)到深入和提升的層次。2）學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)方式單一，缺乏邏輯性，不能把課程內(nèi)容很好地銜接起來。3）傳統(tǒng)的灌輸式授課方式不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂上，學(xué)生只是跟著教師的思路被動接受知識，不會主動思考，參與度不夠，不能體現(xiàn)“學(xué)生為主體”的教學(xué)理念。4）課程評價機(jī)制比較單一，學(xué)生以通過課程考試為目標(biāo)，考前死記硬背，學(xué)完課程后不清楚該課程知識的應(yīng)用場合與應(yīng)用方法。5）課程講授注重傳授理論知識，教材上的例子較為陳舊，缺少與目前智能化控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，不能體現(xiàn)其在智能自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對以上問題，課程組全體教師進(jìn)行研究和探討，最終將原因歸結(jié)為教學(xué)理念陳舊、教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法落后四類，并提出新理念、新內(nèi)容、新方法和新模式的“四新”改革策略，如圖1所示。

2課程教學(xué)改革方案

2.1更新教學(xué)理念

全面貫徹以學(xué)生為主體、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的OBE理念。教學(xué)中，學(xué)生處于主體地位，教師輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，形成學(xué)習(xí)共同體，共同完成教學(xué)活動。授課中，教師要設(shè)法改變以往“學(xué)生沉默，老師唱獨(dú)角戲”的課堂氛圍，將課程內(nèi)容和學(xué)生感興趣的話題有機(jī)聯(lián)系，針對不同學(xué)生因材施教，樹立以學(xué)定教的思想。具體措施如下。

圖1自動控制原理課程教學(xué)改革框架

2.1.1 制定具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)

OBE理念強(qiáng)調(diào)有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和結(jié)果，且目標(biāo)必須可測量。因此在修改課程教學(xué)大綱時，要將每個教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容一一對應(yīng)，做到量化考查。

2.1.2 對學(xué)生進(jìn)行評估和跟蹤

改革課程評估體系，使用多樣化評估方法評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，給學(xué)生安排項目化作業(yè)、調(diào)查報告等實(shí)踐項目，并將其與制定的學(xué)習(xí)目標(biāo)關(guān)聯(lián)起來，同時保證在整個課程教學(xué)過程中對其進(jìn)行嚴(yán)格跟蹤。

2.1.3學(xué)習(xí)輔導(dǎo)體現(xiàn)個體差異

根據(jù)每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況提供相應(yīng)的輔導(dǎo)內(nèi)容和方法，鼓勵學(xué)生利用網(wǎng)上的慕課資源達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.1.4促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

營造自主學(xué)習(xí)氛圍。通過啟發(fā)式教學(xué)、小組討論、實(shí)踐項目等方式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和動力。

2.2 更新課程內(nèi)容

2.2.1增加行業(yè)前沿、動態(tài)應(yīng)用和先進(jìn)建模方法、智能控制方法等內(nèi)容

目前山西工程技術(shù)學(xué)院自動控制原理課程所采用教材上的工程應(yīng)用案例（如恒溫控制系統(tǒng)、煉鋼爐控制系統(tǒng)等）相對落后，與新工科背景下的課程目標(biāo)有一定差距。因此，在講授緒論時，增加一些行業(yè)發(fā)展的前沿案例，如自動控制理論在神舟八號飛船上的應(yīng)用，通過播放天宮一號與神舟八號交會對接、玉兔號登月等視頻，介紹工業(yè)機(jī)器人控制在碼垛、智能制造和高端裝備制造中的應(yīng)用等，幫助學(xué)生了解控制理論的具體適用場合，同時感受我國科技的先進(jìn)。在講授控制系統(tǒng)模型建立時，除介紹教材上的機(jī)理建模方法和經(jīng)驗建模方法，適時增加無模型建模和系統(tǒng)辨識建模等前沿方法。在講授控制方式PID控制規(guī)律時，介紹當(dāng)前最流行的模糊控制、自適應(yīng)控制等智能控制方法，讓學(xué)生對智能控制有基本概念。要求學(xué)生課后查閱學(xué)科前沿動態(tài)資料，列出自己感興趣的方向，并且建議學(xué)生后續(xù)按照此方向開展深入研究。

2.2.2融入思政元素：增加課程思政內(nèi)容，形成雙閉環(huán)教學(xué)控制系統(tǒng)

山西工程技術(shù)學(xué)院自動化專業(yè)自動控制原理課程的課時為64學(xué)時，以往授課全部線下開展，由于教學(xué)方式由線下轉(zhuǎn)為線上線下混合式且要求融入思政元素，因此，在不改變原來學(xué)時的情況下，將簡單易懂的內(nèi)容安排為線上學(xué)習(xí)。目前線上安排18學(xué)時，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，線下講授46學(xué)時，以研討式教學(xué)為主。為了更好地將思政教育融入專業(yè)教育，課程教學(xué)設(shè)計需要有針對性地挖掘和提煉思政元素，并以適當(dāng)?shù)姆绞饺谌胝n程，例如，將熱點(diǎn)新聞、典型視頻等融入課程，使思政元素和專業(yè)知識巧妙結(jié)合，更加貼近學(xué)生的實(shí)際需求和學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)的有效性和吸引力，同時實(shí)現(xiàn)思想與價值引領(lǐng)，以達(dá)到立德樹人的目的[2]。自動控制原理課程思政元素的挖掘與融合如表1所示。

整個課程教學(xué)以專業(yè)知識學(xué)習(xí)為外環(huán)，以思政知識融入為內(nèi)環(huán)，逐步形成“專業(yè)一思政”雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課程認(rèn)同感，真正做到在提高學(xué)生專業(yè)知識水平的同時培養(yǎng)他們的德育觀念，實(shí)現(xiàn)全過程育人。教學(xué)過程的雙閉環(huán)教學(xué)模式如圖2所示。

2.3 更新教學(xué)模式

2.3.1線上線下混合式教學(xué)模式的采用和學(xué)生為主的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計

傳統(tǒng)線下“填鴨式”教學(xué)方式是以教師講授為主，以教師、教材和課堂為中心的單一教學(xué)模式[3]，只注重知識的輸出，沒有關(guān)注到學(xué)生的主動思考。即使有課堂提問，也只是對部分學(xué)生進(jìn)行考查，不可能掌握全體學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況。雖然教師一再強(qiáng)調(diào)要進(jìn)行課程預(yù)習(xí)，但學(xué)生的具體預(yù)習(xí)效果教師無法全部知曉，導(dǎo)致教學(xué)效果不太理想。

表1自動控制原理課程思政元素的挖掘與融合

圖2“專業(yè)一思政”雙閉環(huán)教學(xué)模式

采用線上線下混合式教學(xué)模式授課，可以將整個教學(xué)過程大致分解成三部分：1）學(xué)生課前依托學(xué)習(xí)通等進(jìn)行預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)作業(yè)，這為教師提供了了解學(xué)生薄弱點(diǎn)并有針對性地進(jìn)行課堂教學(xué)的機(jī)會，從而更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求[4]。2）線下授課時依托學(xué)習(xí)通，教師可以讓所有學(xué)生都參與課堂互動。例如，在講根軌跡分析系統(tǒng)性能的優(yōu)點(diǎn)時，可以將問題以討論的形式發(fā)出，學(xué)生作答完成后通過詞云將問題的重點(diǎn)詞匯展示出來，如圖3a所示。為了測試某個知識點(diǎn)的掌握情況，教師可以在學(xué)習(xí)通上發(fā)布隨堂測試，學(xué)生的答案可以自動生成餅狀圖，如圖3b所示，借此教師可以清楚學(xué)生的薄弱之處。3）為了幫助學(xué)生鞏固知識，課后教師通過學(xué)習(xí)通發(fā)布作業(yè)，作業(yè)可以由教師批改，也可以由學(xué)生分組批改。學(xué)生在批改別人作業(yè)時發(fā)現(xiàn)問題，會反思自己是否存在同樣的問題，進(jìn)而加以改正。

自動控制原理課程線上線下混合式教學(xué)模式設(shè)計如表2所示。

采用線上教學(xué)不僅方便教師對學(xué)生的監(jiān)管，還可以實(shí)現(xiàn)資源共享。教師可以將國內(nèi)本門課程較好的教學(xué)視頻作為示范包傳到學(xué)習(xí)通上供學(xué)生學(xué)習(xí)，也可以將與本學(xué)科前沿相關(guān)的資料共享給學(xué)生。這樣學(xué)生不僅學(xué)到了知識，更能清楚所學(xué)知識的應(yīng)用場合，從而提高學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

表2自動控制原理課程線上線下混合式教學(xué)模式設(shè)計

進(jìn)行線下教學(xué)時，為了能夠貫徹以學(xué)生為中心的OBE理念，改變以往教師為主的授課方法，課堂教學(xué)采用翻轉(zhuǎn)形式。針對課程內(nèi)容中相對簡單的部分，要求學(xué)生分組并提前預(yù)習(xí)（如控制方式介紹），每組學(xué)生分工合作，根據(jù)教師所列提綱展開討論，有制作課件PPT的，有負(fù)責(zé)上臺授課演示的，還有負(fù)責(zé)課后習(xí)題選取與錄入和課后作業(yè)評價的，等等，讓所有學(xué)生都能全身心融入集體創(chuàng)作活動中，共享勞動成果，真正體會勞動帶來的樂趣[5]。

表3自動控制原理課程平時成績構(gòu)成

2.3.2評價方式更新：注重過程性考核，建立多元化、全方位的課程考核機(jī)制

學(xué)校自動控制原理課程的考核方式原先包括平時成績和期末成績兩部分，平時成績由出勤、課后作業(yè)構(gòu)成，占總成績的 30% ，期末卷面成績占總成績的 70% ，這種考核方式雖有一定的過程考核，但占比明顯不夠。為了更全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，在評價方式上進(jìn)行如下調(diào)整：總成績 Σ=Σ 平時成績 ×0.3+ 實(shí)驗成績 ×0.2° 期末卷面成績 ×0.5 ，其中平時成績由學(xué)習(xí)通直接給出，由章節(jié)測驗、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)（包括課題討論等）、作業(yè)、線上期中考試和線下現(xiàn)場表現(xiàn)等組成，其各項分配比例如表3所示。

平時章節(jié)測試側(cè)重于考查各個重要知識點(diǎn)，而期末考試 70% 以上的試題涉及多個知識點(diǎn)綜合應(yīng)用，尤其是系統(tǒng)校正的綜合應(yīng)用題，綜合了系統(tǒng)分析和校正的所有知識點(diǎn)，更能夠體現(xiàn)課程對高階性思維的培養(yǎng)。

在期末的卷面考核中加入與時代結(jié)合緊密的試題，如自動泊車系統(tǒng)的部分控制原理說明、無人機(jī)速度控制的方法等，同時加入開放型試題，如舉例說明一種目前流行的控制算法并解釋其原理等。課程考核不再局限于考查課內(nèi)知識點(diǎn)，還要了解學(xué)生對當(dāng)前自動化領(lǐng)域的認(rèn)識程度，推動學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)能力提升。

2.4更新教學(xué)方法

2.4.1采用項目驅(qū)動式教學(xué)

為了提高學(xué)生對課程知識的整體認(rèn)識，課程采用項目驅(qū)動式教學(xué)[6]。例如，在講解二階系統(tǒng)性能指標(biāo)時，不僅要求學(xué)生掌握教材上有關(guān)性能指標(biāo)的計算，還鼓勵學(xué)生從生活中尋找二階系統(tǒng)的例子（如秋千、鐘擺），對其運(yùn)動狀態(tài)給予解釋。講解控制器的設(shè)計時，要求學(xué)生分別應(yīng)用PID、P、PI等設(shè)計溫度控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)等并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，以強(qiáng)化對知識的深入理解。

2.4.2鼓勵學(xué)生參與教師的科研課題

為了幫助學(xué)生認(rèn)清學(xué)習(xí)目標(biāo)，將所學(xué)知識真正落地，鼓勵學(xué)生積極參與教師的科研課題。例如無人機(jī)的控制課題，要求學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)，針對無人機(jī)控制的性能指標(biāo)提出控制模型改進(jìn)方法，并將其轉(zhuǎn)化成Python語言嵌入無人機(jī)進(jìn)行實(shí)驗，驗證自己的想法。在參與課題的過程中，學(xué)生不僅需要掌握控制系統(tǒng)相關(guān)知識，還需要學(xué)習(xí)Python語言編程，學(xué)會整個系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)試方法，能夠真正提升綜合能力；同時，學(xué)生能夠養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，體驗到知識帶來的樂趣，以此驅(qū)動自主學(xué)習(xí)和問題探討。

3 結(jié)束語

教學(xué)改革后，山西工程技術(shù)學(xué)院自動控制原理課程線上視頻資源涉及20個主要知識點(diǎn)、8次線上作業(yè)、5個課外延伸閱讀，建立了上千道測驗題目；線下資源包括教學(xué)大綱、課堂教案、思政元素庫和部分配套PPT，基本能滿足課程教學(xué)需求。以上課程資源被應(yīng)用于2023一2024學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)，結(jié)果顯示：學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性提高、目的性增強(qiáng)，課堂參與度大幅提升，經(jīng)統(tǒng)計，截至2024年7月，課程訪問量達(dá)到15119次；從教學(xué)效果看，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和成績明顯提高，參加各項競賽的主動性和競賽成績等也都有所提升。

4參考文獻(xiàn)

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