基于OBE理念的機(jī)械控制理論課程教學(xué)研究

張濤　牛金星　魏巍

摘要：針對(duì)機(jī)械控制理論課程教學(xué)與企業(yè)實(shí)際需求脫節(jié)的問題，基于成果導(dǎo)向教育理念和測(cè)控專業(yè)的特點(diǎn)，筆者提出了機(jī)械控制理論課堂教學(xué)改革方案。以學(xué)生為中心，以最終成果為導(dǎo)向，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容方法、實(shí)踐環(huán)節(jié)和校企合作等方面進(jìn)行研究和改革，能達(dá)到有效提高機(jī)械控制理論課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的目標(biāo)。實(shí)踐證明，這種基于成果導(dǎo)向教育理念的探索具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：成果導(dǎo)向教育；機(jī)械控制理論；課堂改革

成果導(dǎo)向教育理念（outcome-based ed-ucation，OBE）是20世紀(jì)90年代在北美最早發(fā)展起來的，也被稱作能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育。美國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)全面接受了OBE理念，并將其貫穿工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終。

OBE理念要求課程的教學(xué)活動(dòng)以“不論學(xué)生的基礎(chǔ)如何，每個(gè)學(xué)生都能夠?qū)W會(huì)”為前提條件，將最終學(xué)習(xí)成果作為出發(fā)點(diǎn)，由最終成果決定課程培養(yǎng)目標(biāo)，再由培養(yǎng)目標(biāo)確定課程體系。機(jī)械控制理論課程是華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，且該門課程在教學(xué)中普遍存在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、動(dòng)手能力不強(qiáng)等問題。利用工程教育專業(yè)認(rèn)證的契機(jī)，將OBE教育模式應(yīng)用到機(jī)械控制理論的課程教學(xué)中，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地提高了學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問題的能力。

一、基于OBE的機(jī)械控制理論課程建設(shè)目標(biāo)

在機(jī)械控制理論課程教學(xué)中，課本內(nèi)容理論性較強(qiáng)，與高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科聯(lián)系密切，包括微積分、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和矩陣論等。除了數(shù)學(xué)建模那部分還有一些實(shí)際系統(tǒng)，其他的都是動(dòng)態(tài)的抽象結(jié)構(gòu)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度大。而教師只是在課堂和實(shí)驗(yàn)上將課本中的知識(shí)內(nèi)容照本宣科地講給學(xué)生，重視講解考試內(nèi)容，甚至涉及考研題目，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中只是被動(dòng)接受，對(duì)所學(xué)知識(shí)不能及時(shí)理解并消化。這種情況下學(xué)生也不重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，動(dòng)手能力不強(qiáng).長(zhǎng)此以往會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣。

以O(shè)BE理念對(duì)機(jī)械控制理論課程進(jìn)行改革，首先要明確最終成果需求是什么。以往機(jī)械控制理論的教學(xué)目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)使學(xué)生系統(tǒng)地掌握控制理論的相關(guān)知識(shí)，沒有考慮其與畢業(yè)后職業(yè)發(fā)展之間的聯(lián)系?；贠BE理念的課程教學(xué)目標(biāo)要考慮教學(xué)質(zhì)量能否滿足畢業(yè)后的工作目標(biāo)，開展知識(shí)、能力、素質(zhì)的遞進(jìn)模塊化培養(yǎng)，并加入創(chuàng)新環(huán)節(jié)和企業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)能力的提升和專業(yè)水平的培養(yǎng)。具體目標(biāo)為：第一，知識(shí)目標(biāo)，學(xué)生熟練掌握控制數(shù)學(xué)模型的建立方法，掌握控制系統(tǒng)分析方法的使用，理解系統(tǒng)校正方法，掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程；第二，能力目標(biāo)，學(xué)生可以將理論知識(shí)與工程應(yīng)用背景結(jié)合起來，能夠?qū)σ话愕木€性控制系統(tǒng)進(jìn)行建模、系統(tǒng)性能分析，根據(jù)系統(tǒng)提出的性能指標(biāo)能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行校正：第三，素質(zhì)目標(biāo)，學(xué)生應(yīng)具有工程價(jià)值觀，提高知識(shí)掌握和解決工程項(xiàng)目的能力，具有獨(dú)立思考、分析和解決問題的能力，具有較強(qiáng)的溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，要激發(fā)學(xué)生應(yīng)用控制理論解決工程問題的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

二、基于OBE的機(jī)械控制理論課程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)內(nèi)容和方法的設(shè)計(jì)

OBE教育模式強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)的過程中讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)成果是整個(gè)教學(xué)過程的核心。因此，合理地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法是幫助學(xué)生獲得較好學(xué)習(xí)成果的有效途徑。

在教學(xué)內(nèi)容上，在省級(jí)精品課程和省級(jí)示范性視頻開放課程的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了機(jī)械控制理論教法的研究探索。教師根據(jù)最終學(xué)習(xí)成果，制定具體的教學(xué)內(nèi)容，合理規(guī)劃并細(xì)化為具體的知識(shí)點(diǎn)，改變以前授課中經(jīng)典控制理論部分和現(xiàn)代控制理論部分完全分開的課程體系，把課程按照“建?！治觥O(shè)計(jì)”的思路重新進(jìn)行規(guī)劃。具體內(nèi)容分為三部分：第一，控制系統(tǒng)建模，包括微分方程、傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間表達(dá)式三種模型的建立，并理解實(shí)際物理系統(tǒng)：第二，控制系統(tǒng)分析，包括時(shí)域分析、頻域分析和能控能觀性分析，理解分析方法和性能參數(shù)之間的關(guān)系；第三，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)校正、狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測(cè)器，掌握如何設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)。課程的三級(jí)規(guī)劃使學(xué)生可以將控制理論課程看作一個(gè)完整的工程問題，對(duì)學(xué)習(xí)有個(gè)清晰的結(jié)構(gòu)框架。

由于機(jī)械控制理論課程教學(xué)內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、機(jī)械和電子等多學(xué)科，課程內(nèi)容比較抽象，理解起來難度較大。所以在教學(xué)方法上，教師要將課程理論與實(shí)際工程結(jié)合起來。比如，在講解數(shù)學(xué)模型微分方程的建立，大多數(shù)書本上都是以彈簧阻尼系統(tǒng)和RLC電路系統(tǒng)為例，學(xué)生無法與實(shí)際對(duì)接。如果以“脈搏壓力傳感器的信號(hào)調(diào)理電路系統(tǒng)”為例，通過機(jī)理分析，將其分為前置放大電路、濾波電路和后級(jí)放大電路三部分，分別進(jìn)行數(shù)學(xué)分析建模，從而求得微分方程，在隨后講解狀態(tài)空間表達(dá)式中，將傳感器的溫度變化、人體的干擾等中間變量作為狀態(tài)變量，學(xué)生就可以清晰地理解現(xiàn)代控制是經(jīng)典控制向高精度方向發(fā)展的延伸，便于理解兩者的聯(lián)系。

教師在講解中要注意各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，讓學(xué)生明白不同方法的目的是一樣的，只是表現(xiàn)形式不同。比如，時(shí)域分析中的指標(biāo)通過轉(zhuǎn)換可以得到頻域指標(biāo)，要明白它們之間存在的內(nèi)在關(guān)系以及頻域分析中的奈奎斯特圖、伯德圖和尼科爾斯圖的區(qū)別和聯(lián)系。

另外，教師要注意加強(qiáng)與前后知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)，在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題不是單一知識(shí)就可以解決的，通常是許多知識(shí)點(diǎn)甚至是多學(xué)科的交叉。所以在授課過程中，教師除了要講解控制理論及相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，還要與大學(xué)物理課程、電路課程、模擬電子技術(shù)課程、數(shù)字電子技術(shù)課程等聯(lián)系起來進(jìn)行綜合分析和講解。

（二）創(chuàng)建實(shí)踐平臺(tái)

按照國(guó)家對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求和學(xué)校關(guān)于人才培養(yǎng)模式的導(dǎo)向，要積極開展第二課堂的實(shí)踐教學(xué)模式探索。機(jī)械學(xué)院自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室擁有10套THKKL-1型控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱和UTD2000示波器，可以進(jìn)行控制理論的基本實(shí)驗(yàn)，包括簡(jiǎn)單系統(tǒng)時(shí)域分析、頻域分析和電路系統(tǒng)校正等。利用MATLAB平臺(tái)模擬小車運(yùn)動(dòng)模型，調(diào)整參數(shù)優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)軌跡，并繪制參數(shù)曲線。除此之外，學(xué)院還搭建各種創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、labview虛擬仿真平臺(tái)、固高倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。要大力促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的結(jié)合，積極鼓勵(lì)學(xué)生在完成自身學(xué)業(yè)的同時(shí)，參與相關(guān)教師的科研項(xiàng)目。學(xué)院鼓勵(lì)學(xué)生成立團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生堅(jiān)持以興趣學(xué)習(xí)為原則，參加全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾智能車大賽、河南省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽以及學(xué)校組織的華彩杯和學(xué)院組織的衛(wèi)華杯等創(chuàng)新比賽，這些都提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。近年，機(jī)械學(xué)院學(xué)生在飛思卡爾智能車大賽和機(jī)器人競(jìng)賽中獲得10多次獎(jiǎng)項(xiàng)，并且已經(jīng)建立了完整的以創(chuàng)新項(xiàng)目為依托的人才培養(yǎng)模式。

（三）完善校企合作

依托教育部“卓越工程師計(jì)劃”平臺(tái)的支撐，要在課程設(shè)計(jì)中邀請(qǐng)相關(guān)企業(yè)來學(xué)校對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)。目前，學(xué)院與深圳信盈達(dá)電子有限公司合作申請(qǐng)了教育部協(xié)同育人項(xiàng)目，每年公司派人來學(xué)校進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)控制裝置設(shè)計(jì)的講座和實(shí)訓(xùn)，將控制理論與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，設(shè)計(jì)的項(xiàng)目有“基于DS18820的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”和“基于STM32的智能手環(huán)設(shè)計(jì)”等內(nèi)容。同時(shí)學(xué)院還組織學(xué)生到十堰第二汽車集團(tuán)等公司學(xué)習(xí)，并與之建立長(zhǎng)期的合作關(guān)系，打破了學(xué)校單一的封閉式教學(xué)模式，使學(xué)校課堂教學(xué)與企業(yè)就業(yè)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，培養(yǎng)社會(huì)需要的人才。

三、結(jié)語

筆者提出的基于OBE理念的機(jī)械控制理論課堂教學(xué)改革方案，從教學(xué)目標(biāo)制定、教學(xué)內(nèi)容方法設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)和校企合作等幾方面論述了教學(xué)改革的思路。要堅(jiān)持以教學(xué)最終成果為中心，以發(fā)展學(xué)生綜合能力為最終目的，改進(jìn)現(xiàn)有的授課過程中存在的問題，從而有效地提高機(jī)械控制理論課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求。

近年，機(jī)械控制理論的課程建設(shè)增加了學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中控制類題目增多，從原來只是單片機(jī)的控制到現(xiàn)在嵌入式控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，學(xué)生的能力得到了顯著提升，企業(yè)對(duì)學(xué)生的認(rèn)可度也得到了提高。

責(zé)編：清歡