基于OBE理念的《控制工程基礎》課程閉環(huán)教學系統(tǒng)設計

高旭 石利霞 段潔 胡源

摘 要：在當前工程教育認證的大背景下，文章以光電測控類課程《控制工程與基礎》教學為例，提出了基于OBE理念的課程教學設計，深入研究了以學生為中心，以學生產(chǎn)出為導向的教學設計、教學實施以及教學評價。建立了以OBE理念為指導，以學生產(chǎn)出為導向，連接各個教學環(huán)節(jié)的閉環(huán)教學控制系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制，形成良性持續(xù)改進機制。結合教學案例，為課程教學系統(tǒng)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐和理論支撐。

關鍵詞：OBE;光電特色;光電測控類;控制工程與基礎

中圖分類號：G642.423 ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2019）22-0054-04

一、背景分析

《控制工程基礎》也泛稱為“自動控制原理”，是大部分工科專業(yè)的必修課，從系統(tǒng)概念角度來看，更是測控技術與儀器專業(yè)的特色課，在課程體系中具有承上啟下的重要作用。

課程的大致內容可從以下三個角度進行概括：運用工程的意識，將物理、化學、生物等不同原理的測控系統(tǒng)工程化;采用控制的語言，對工程系統(tǒng)進行相關原理、方式、效果的描述;利用數(shù)學的手段，對控制系統(tǒng)建模并對信號傳輸誤差進行分析。所以，控制科學是測控儀器研制必備的技術手段，并占有重要的技術地位。

我們的教育理念是基于學習產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-Based Education，OBE）或稱成果導向教育模式，即以學生為中心，建立以學生產(chǎn)出為導向的教學設計、教學實施以及教學評價?！犊刂乒こ袒A》作為一門專業(yè)基礎課，在這樣的理念指導下，根據(jù)本科教學國家標準和人才培養(yǎng)方案，在課程體系中能夠支撐4點畢業(yè)要求指標點。2018年，長春理工大學光電工程學院測控技術與儀器專業(yè)經(jīng)過首輪認證，梳理了12點畢業(yè)要求，細化分解了32點畢業(yè)要求指標點，并建立了課程、課程目標以及畢業(yè)要求指標點間對應關系矩陣。

該專業(yè)依托儀器科學與技術一級學科，以航天航空、兵器、光電精密儀器產(chǎn)業(yè)為背景，它的專業(yè)定位是國內知名的本科教育，專業(yè)特色（特質）為集光、機、電技術的綜合工程應用，專業(yè)以培養(yǎng)具備精密儀器設計與研制、測控技術及系統(tǒng)開發(fā)領域基本理論、專門知識和專業(yè)技能，具有創(chuàng)新精神、國際視野和社會責任感的工程技術人才為培養(yǎng)目標。

基于此，《控制工程基礎》課程在龐大的課程體系中自身設立了5個課程目標，并對應支撐4個畢業(yè)要求指標點，如表1所示。以第二章《控制系統(tǒng)數(shù)學模型》為例，它對應課程目標1、2，后又按照不同權重關系，支撐3個畢業(yè)要求指標點。

二、課程目標設置

《控制工程基礎》的課程目標設置從技術要素、非技術要素二維又細化升級為知識、能力、情感三維，建立了5個課程目標：①能夠學習和解釋自動控制方面的專業(yè)術語及其含義;②學習控制系統(tǒng)基本分析方法和校正方法，建立控制系統(tǒng)各個部分傳遞函數(shù)，并通過機理分析建立簡單的線性定常數(shù)學模型;③能夠利用基本分析方法和校正方法對簡單線性定常系統(tǒng)進行定性評價、定量估算和制定簡單控制系統(tǒng)校正方案;④能夠使用Matlab仿真軟件對系統(tǒng)進行模擬分析，初步具備光電儀器控制系統(tǒng)的設計能力;⑤通過典型控制工程案例，使學生感受控制科學在復雜工程系統(tǒng)設計中的工程價值。

概括來說，以能夠學習、解釋自動控制方面術語及各種分析方法即為知識目標;以能夠應用各類分析方法及軟件對控制系統(tǒng)進行分析設計即為能力目標;以通過典型控制工程案例，使學生感受控制科學在系統(tǒng)設計中的工程價值即為情感目標。

根據(jù)這樣的三維目標內容，我們設置了“一主三輔”的教材選用策略，以胡壽松老師主編的偏控制工程的“十二五”規(guī)劃教材《控制工程基礎》作為主教材，以胡壽松老師主編的國防工業(yè)出版社出版的《自動控制原理》（第 5 版）和董景新老師主編的清華大學出版社出版的《控制工程基礎》（第 4 版）這兩本偏控制理論的中文教材作為輔教材，同時以Stanley M.shinners主編的Moderm Control System Theory and Design英文教材作為輔教材，一方面為了打開學生的國際視野，另外一方面為學生本科階段學習的經(jīng)典控制理論與今后將會學習的現(xiàn)代控制理論做銜接與指引。

三、教學目標設置

如果把教學系統(tǒng)比作一個嵌入式系統(tǒng)的話，那么課程知識是軟件，學生則是硬件，因此還需要了解學生的特點。本門課程授課對象是大三第一學期的學生，課程基礎是高數(shù)和電工技術，因此從專業(yè)層面，可通過以往試卷分析學生的知識水平;通過輔導員和班導師了解學生的心理特點;通過實驗的觀察以及相關工程訓練了解學生的能力水平和情感水平，還可采用調查問卷綜合衡量學生特點。[1]

那么在教學過程正式嵌入之前，需要對以往教學過程進行分析和反思，我們的宗旨是依據(jù)三維課程目標，通過畢業(yè)要求達成度值反思學生的學和教師的教。例如，本課程從2013版課程大綱修訂到2018版課程大綱，在原有側重知識、能力考核的4個目標基礎上，為強化情感這一維度的考核，2018版增加到5個目標，并重新梳理了對畢業(yè)要求的支撐關系，如表1所示。

在這樣的背景下，建立合理的教學目標尤為重要。我們的教學目標設置，是根據(jù)課程具體知識點內容，依舊是從知識、能力、情感三維角度進行細化。

1.知識目標

①知道自動控制方面的專業(yè)術語;②能解釋時域微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性三者之間的轉換關系;③能解釋時域分析法、根軌跡法、頻域分析法，并能分辨和歸納不同方法在具體應用場合間的差別;④能解釋簡單的校正方法，并能識別簡單系統(tǒng)所需校正的場合。

2.能力目標

①能利用自動控制的基本概念和基本構成描述分析簡單光學精密儀器系統(tǒng);②能利用微分方程、傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)的模型，能解釋系統(tǒng)特征;③能利用Matlab或其他軟件工具，應用時域分析法、根軌跡法、頻域分析法分析線性定常系統(tǒng)的特性;④能利用校正方法對存在不同偏差類型的系統(tǒng)進行簡單的校正設計;⑤能利用實驗條件設計和完成實驗任務，分析實驗數(shù)據(jù);⑥能利用本課程所學知識、方法、工具解決光電精密儀器問題。

3.情感目標

能通過本課程所學知識，理解控制理論在項目設計當中的工程價值。概括來說：知識分類目標為能解釋具體的控制專業(yè)術語;能力分類目標為能正確使用具體的分析方法;情感目標為通過本課程的學習，對工程價值有初步認知。

教學目標設置的合理性和達成分析，一方面從學生角度，通過調查問卷形式進行，即通過本課程的學習，我能否達到以下教學內容的目標;另一方面從教師角度，通過各種教學目標達成途徑，如前期知識儲備以及學習過程中作業(yè)、實驗、報告等環(huán)節(jié)的課程目標達成度值，來反映教學目標達成情況。

四、教學內容導圖設計

如果說教學目標是方向，那么教學內容便是載體。從課程體系角度來看，課程前期以相關數(shù)學、電子技術等課程為基礎。從系統(tǒng)角度來看，為后期儀器設計、精密測量等課程做基礎，起著承上啟下的作用。從專業(yè)研究角度來看，控制系統(tǒng)融合了力、熱、光、電、磁等系統(tǒng)，而其專業(yè)特色（特質）為集光機電技術的綜合工程應用，所以課程主要針對光電儀器系統(tǒng)控制進行學習。

課程特點為：針對同一個系統(tǒng)可以采用不同的分析方法進行分析，而同一個分析方法也可適用于多個物理意義不相同的系統(tǒng)，最終追求的目標都是系統(tǒng)的性能指標，所以《控制工程基礎》課程的體系是立體的，不是平面的，更不是一維的。在這樣的3D空間當中，我們設計了三橫一縱的課程導圖，如圖1、2所示。

以系統(tǒng)性能指標為主線或者以穩(wěn)定性、準確性、快速性理論作為主線，即樹根;以三種分析方法、校正方法、數(shù)學建模作為橫向支撐，即枝葉。由此，總結課程本身的系統(tǒng)性特點。之后進一步抽象建立控制系統(tǒng)的宏觀模型，從課程本身出發(fā)總結重難點，重點即為系統(tǒng)建模、控制方法及校正方法，難點即為應用各類方法及軟件對系統(tǒng)性能進行分析及指標解算。從專業(yè)研究角度來看，隨著學生知識學習的深入、工程經(jīng)歷的豐富以及工程價值的認知感增強，課程的重點在于基于方法論的角度研究各類控制系統(tǒng)的分析方法，難點在于如何選擇合適的方法評價一個已知控制系統(tǒng)，如何根據(jù)性能指標設計一個未知控制系統(tǒng)。

基于以上分析，課程設計了48學時的理論模塊和16學時的實驗模塊，并細化了各個章節(jié)的學時分布，設計了7個驗證性實驗和1個設計性實驗。

五、教學策略

一個優(yōu)異的教學系統(tǒng)如何以最優(yōu)的路徑實現(xiàn)最佳收斂呢？教學策略便是實施的最佳手段。本課程總體的教學策略是：理論模塊采用工程問題式導向教學;實驗模塊采用工程任務式導向教學。具體教學策略是融合現(xiàn)代教育技術手段，應用具體的教學方法、教學設計來實施[2-4]。

因為本課程更偏向專業(yè)技術，所以知識層面主要以講授法為主，同時配合課堂派、雨課堂等App結合使用;能力層面主要以實驗、教師指導特色的光電設計大賽等采用探究式教學法進行;情感水平的提升主要結合控制理論發(fā)展史及相關比賽滲透情感教育。所以不同的課程模塊采用不同的策略和方法。

在具體目標的有效達成策略方面，我們結合專業(yè)特色，以典型的位置控制為例，設計了望遠鏡指向系統(tǒng)、激光操縱系統(tǒng)、雕刻機位置控制等光學控制系統(tǒng)，如圖3所示，且與時域分析法、頻域分析法、根軌跡分析法等三種分析方法密切對應。從編程、分析到仿真，作為知識、能力目標達成的專業(yè)強化策略。結合與儀器科學相關的獲得諾貝爾獎的人物以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)研究歷史，例如勞斯判據(jù)、奈氏判據(jù)，加強學生對專業(yè)的熱愛以及感受工程價值在人類生活中產(chǎn)生的重要影響。

在具體教學設計方面，如圖4所示。從教師實際參與的飛行器控制案例simulink模型導入，首先講解課程目標，然后具化建模的內容，通過這種激發(fā)式教學法進一步拓展運動模態(tài)等其他內容。

為了更好地將理論與實際相結合，我們與中國人民解放軍空軍航空大學聯(lián)合自主研發(fā)了自動控制虛擬實驗室，如圖5所示。以液位控制系統(tǒng)為例，虛擬實驗室可仿真實驗，實驗室可自主搭建實際物理系統(tǒng)。

同時，授課過程中還采用并列學習思維、上下位學習思維等思維方法。例如，三種分析方法的演變過程與編程語言（從匯編語言到C語言再到圖形式Labview語言）的演變思維方式大同小異。再例如y=f（x），從純數(shù)學角度來看，它表征一個函數(shù)關系，x是自變量，y是變量;而對于一個電學系統(tǒng)而言，x相當于系統(tǒng)激勵，y相當于系統(tǒng)的響應;再延伸到一個控制系統(tǒng)而言，x相當于系統(tǒng)輸入信號，y相當于系統(tǒng)輸出信號。由此授課的思維模式也滲透讓學生學習到一種科學的專業(yè)研究思維方法，而不僅僅是課程本身的內容知識。[5][6]

六、教學評價

一個教學系統(tǒng)設計完成之后，如何評價最后的教學效果，考核方式是依據(jù)。根據(jù)三維課程目標，情感層面可依據(jù)相關教學環(huán)節(jié)定性評價，而知識層面、能力層面結合教學環(huán)節(jié)，定量評價。具體的定量評價方式由平時成績（20%）、實驗成績（10%）以及期末成績（70%）三部分組成。并細化了三部分具體的考核細則，制定了細則中內容與課程目標間支撐的權重關系。

最后自主設計了達成度分析軟件，并根據(jù)課程目標達成度計算公式（1）、（2），將成績輸入到軟件界面，可直觀獲得課程目標達成度值。以1602114班學生為例，計算結果如圖6所示，進而智能直接地反饋教學策略及教學設計。

通過課程目標達成值來看，目標3達成度為0.6，不高，目標3內容重點考察分析方法、校正方法的應用，通過各個達成途徑，分析知識層面表征學生復變函數(shù)基礎薄弱，能力層面表征對工程問題總體分析能力欠缺，因此后續(xù)課程我們將融入具體參與的科研項目等實際工程案例進行講授。

最后，一個優(yōu)異的教學系統(tǒng)建立完成之后，更離不開軟硬件的支持。一方面，具體知識內容加強途徑可通過MOOC、習題等各種軟件條件支撐，即不同的教學模塊采用不同的加強路徑。假如對分析方法的實際應用感到困難，那么可以通過MOOC去學習自動控制元件實踐課。另一方面，可依靠相關本科創(chuàng)優(yōu)項目以及長春理工大學光電工程學院國家級實驗教學中心和共享平臺等硬件條件作為支撐。

七、結語

綜上所述，我們建立了以OBE理念為指導，以學生產(chǎn)出為導向，連接各個教學環(huán)節(jié)的閉環(huán)教學控制系統(tǒng)。通過閉環(huán)控制，形成良性的持續(xù)改進機制。傳感器和控制科學不斷地更新發(fā)展，因此要取得良好的教學效果，還需要專業(yè)教師源源不斷的科研力量作為支撐。

參考文獻：

[1]高旭，石利霞，王勁松.Wiki-思維導圖教學模式在光電測控類專業(yè)教學中的實踐探索[J].中國教育信息化，2018（18）：70-73.

[2]李金環(huán)，王笑軍，王慶勇.PPBL教學模式在光學教學中的實踐探索[J].物理實驗，2015，35（8）：10-14.

[3]王揚揚，許謹.測控類課程群綜合實驗教學模式的研究[J].中國電力教育，2013（19）：145-146.

[4]曹江中，戴青云，何家峰.產(chǎn)學研背景下工科院校實驗教學的改革探索[J].實驗室研究與探索，2011，30（6）：287-290.

[5]湯銘.促進學生“創(chuàng)新思維”發(fā)展的思維導圖教學研究[D].上海：上海師范大學，2006.

[6]王恒，花國然，朱龍彪，等.面向卓越工程師培養(yǎng)的機電測控技術課程群建設研究[J].科教文匯（上旬刊），2016（1）：50-51.

（編輯：李曉萍）