基于OBE理念的智能控制課程教學(xué)改革

黃蘇丹 胡智勇 曹廣忠 郭小勤 邱洪 敬剛

摘? 要：為提高自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)智能控制課程的本科教學(xué)質(zhì)量，針對(duì)目前智能控制課程的教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)、學(xué)生仿真能力低、教學(xué)實(shí)踐少的問(wèn)題，提出基于OBE（Outcome Based Education）理念的智能控制課程教學(xué)改革方法。分析了智能控制課程的特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，根據(jù)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)并結(jié)合智能控制應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)的具體實(shí)例，基于OBE理念設(shè)計(jì)理論、仿真與實(shí)驗(yàn)相互融合的教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式方法和問(wèn)題啟發(fā)式方法改革授課方式，采用自主式、探索式、團(tuán)隊(duì)式相互融合的方法改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探討提升復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的理論與實(shí)踐相結(jié)合的考核方式。該課程改革深度融合OBE理念，將提高智能控制課程學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、理論與工程實(shí)踐融合的能力以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：智能控制;OBE理念;復(fù)雜工程問(wèn)題;自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

Abstract： In order to improve the undergraduate teaching quality of intelligent control course in automation major， this paper proposes a teaching reform method of intelligent control course based on the concept of OBE（Outcome Based Education）， aiming at the problems of the current teaching content of intelligent control course is too theoretical， students simulation ability is low， and teaching practice is little. Analyses the characteristics of intelligent control courses， the teaching status quo and existing problems， on the developing trend of automation and intelligent control applied to the specific instance of mechanical and electronic systems， based on the concept of OBE design theory， the simulation and the experiment teaching content of mutual integration， through the task driving method and heuristic teaching method reform way problem， adopt autonomous， explore， team mutual fusion method to reform the experiment teaching， to explore complex engineering problem solving way of the combination of theory and practice of the inspection. This course reform deeply integrates OBE concept， which will improve students learning enthusiasm of intelligent control course， their ability to integrate theory and engineering practice， and their ability to solve complex engineering problems.

一、概述

目前控制理論包括經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制三大分支，《智能控制》課程屬于智能控制范疇，被設(shè)為自動(dòng)化本科生的重要選修課程之一，是培養(yǎng)控制領(lǐng)域高質(zhì)量專(zhuān)業(yè)人才的必備基礎(chǔ)課程。目前自動(dòng)化領(lǐng)域所研究的被控對(duì)象復(fù)雜度逐漸提高，使廣泛適用于復(fù)雜被控對(duì)象的智能控制在該領(lǐng)域具有重要的理論價(jià)值與應(yīng)用意義，進(jìn)而使之前僅在研究生階段開(kāi)設(shè)的《智能控制》課程也開(kāi)設(shè)于高年級(jí)本科教學(xué)中[1]，該本科課程開(kāi)設(shè)的目的是使自動(dòng)化本科生了解控制領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展方向和趨勢(shì)，并初步掌握智能控制的核心基礎(chǔ)知識(shí)[2]。當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)亟需高校培養(yǎng)具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的高素質(zhì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人才，《智能控制》課程能有效培養(yǎng)自動(dòng)化本科生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，但目前《智能控制》課程的本科教學(xué)普遍存在教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)、學(xué)生仿真能力低、教學(xué)實(shí)踐少的問(wèn)題，將嚴(yán)重影響高素質(zhì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)。為提高自動(dòng)化本科生的學(xué)習(xí)積極性、理論與工程實(shí)踐融合的能力以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，論文提出基于OBE（Outcome Based Education）理念的智能控制課程教學(xué)改革方法。

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證是目前國(guó)際上通用的評(píng)估認(rèn)證機(jī)制，為高校本科畢業(yè)生進(jìn)入相關(guān)行業(yè)工作提供質(zhì)量保證[3]，其核心是OBE理念，OBE理念強(qiáng)調(diào)高校本科畢業(yè)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[4]。OBE理念具有三大特點(diǎn)：以成果為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)[5-6]。圖1為OBE理念模型，通過(guò)社會(huì)的需求制定適合學(xué)生發(fā)展的培養(yǎng)方案和畢業(yè)要求，完善課程目標(biāo)，通過(guò)學(xué)生對(duì)教學(xué)的評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)教學(xué)活動(dòng)，最后根據(jù)學(xué)生畢業(yè)時(shí)的達(dá)成度持續(xù)改進(jìn)課程目標(biāo)，從而形成閉環(huán)的理念模型[7-8]。

《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定復(fù)雜工程問(wèn)題必須具備以下一個(gè)或多個(gè)特征：1. 必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決;2. 涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互間有一定沖突;3. 需要通過(guò)建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;4. 不是僅靠常用方法就可以完全解決的;5. 問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;6. 問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致;7. 具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題[9-10]?！吨悄芸刂啤氛n程可涉及到上述復(fù)雜工程問(wèn)題特征的1.、2.、4.、7.，通過(guò)有效的《智能控制》課程教學(xué)能有效提升自動(dòng)化本科生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

二、課程特點(diǎn)

（一）教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)

《智能控制》課程教學(xué)內(nèi)容主要具有兩個(gè)特點(diǎn)：1.? 覆蓋內(nèi)容廣?！吨悄芸刂啤肥且婚T(mén)前沿的交叉學(xué)科課程，需要學(xué)生事先具備《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《電機(jī)學(xué)》、《信號(hào)處理》、《控制系統(tǒng)仿真》等基礎(chǔ)課程知識(shí)，進(jìn)而開(kāi)展更深層次的《智能控制》課程學(xué)習(xí)。課程內(nèi)容主要包含專(zhuān)家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能算法的核心基礎(chǔ)知識(shí)，具有涉及學(xué)科多、覆蓋內(nèi)容廣、知識(shí)點(diǎn)多且綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。2. 教學(xué)內(nèi)容抽象?！吨悄芸刂啤肥且婚T(mén)理論性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，課程涉及模糊數(shù)學(xué)、專(zhuān)家知識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化算法等多學(xué)科交叉內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容抽象，公式繁瑣，且許多問(wèn)題需借助數(shù)值計(jì)算方法求解，學(xué)生須具備一定的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)、仿真基礎(chǔ)。

（二）授課對(duì)象特點(diǎn)

《智能控制》作為之前僅開(kāi)設(shè)于研究生階段的一門(mén)課程，需要學(xué)生具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，高年級(jí)本科生在大一、大二和大三上學(xué)期已經(jīng)完成了專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，具備《智能控制》課程的學(xué)習(xí)能力，通過(guò)課程學(xué)習(xí)了解本專(zhuān)業(yè)的前沿發(fā)展方向和趨勢(shì)，并初步掌握智能控制的核心基礎(chǔ)知識(shí)。此外，高年級(jí)本科生面臨工作和繼續(xù)深造等選擇，課程涉及初級(jí)科研能力培養(yǎng)，可提升本科生的科研積極性和科研思維，為即將工作的本科生培養(yǎng)更嚴(yán)謹(jǐn)更綜合的專(zhuān)業(yè)思維能力，為即將繼續(xù)深造的本科生培養(yǎng)科研思維能力。

三、教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

通過(guò)調(diào)研得到了目前我校本科畢業(yè)生對(duì)《智能控制》課程教學(xué)的反饋意見(jiàn)，部分教學(xué)反饋意見(jiàn)如圖2所示[11]。根據(jù)課程教學(xué)反饋意見(jiàn)和調(diào)研可知目前《智能控制》課程教學(xué)主要存在教材多樣、理論性過(guò)強(qiáng)、仿真能力低以及教學(xué)實(shí)踐少的問(wèn)題。

（一）教材多樣

智能控制作為新興的第三代控制理論，仍在持續(xù)發(fā)展和完善。目前雖有針對(duì)本科生編著的《智能控制》教材，但與傳統(tǒng)控制的《自動(dòng)控制原理》和《現(xiàn)代控制理論》教材相比，其質(zhì)量仍然存在較大的差距，最突出的缺點(diǎn)是教材多樣化，并沒(méi)有經(jīng)典權(quán)威的教材。

（二）理論性過(guò)強(qiáng)

《智能控制》課程教學(xué)內(nèi)容抽象、公式推導(dǎo)繁多且教學(xué)內(nèi)容多，若授課教師側(cè)重講解理論知識(shí)，將降低學(xué)生的課程積極性，同時(shí)也難以理解抽象的理論知識(shí)。此外，由于教學(xué)內(nèi)容具有一定的難度，學(xué)生在學(xué)習(xí)階段對(duì)知識(shí)的理解存在一定的困難，學(xué)生易對(duì)課程產(chǎn)生厭倦感和恐懼感。

（三）仿真能力低

《智能控制》課程可借助MATLAB仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和求解，通過(guò)MATLAB仿真可極大提高《智能控制》課程的學(xué)習(xí)效率，幫助學(xué)生更好地掌握智能控制知識(shí)。然而，目前大多數(shù)高年級(jí)本科生并不具備熟練的MATLAB仿真能力甚至沒(méi)接觸過(guò)該軟件，從而將極大影響學(xué)生對(duì)《智能控制》課程學(xué)習(xí)效率的提升。

（四）教學(xué)實(shí)踐少

由于《智能控制》的教學(xué)內(nèi)容多且深，涉及的每一個(gè)控制算法（例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）都能開(kāi)設(shè)一門(mén)單獨(dú)的課程，而且?guī)缀醵际浅橄蟮睦碚撝R(shí)，教學(xué)內(nèi)容在有限的課時(shí)內(nèi)無(wú)法全部講授[12]，所以大多數(shù)院校沒(méi)有開(kāi)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生僅通過(guò)枯燥的理論知識(shí)難以深入理解智能控制理論知識(shí)，此外也難以掌握智能控制理論的應(yīng)用能力，進(jìn)而阻礙《智能控制》課程教學(xué)效果的提升。

四、基于OBE理念的課程目標(biāo)與持續(xù)改進(jìn)

為了使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，根據(jù)表1所示的基于OBE理念的畢業(yè)要求確定課程目標(biāo)，通過(guò)教學(xué)評(píng)價(jià)和達(dá)成度改進(jìn)課程目標(biāo)?！吨悄芸刂啤返恼n程目標(biāo)與基于OBE理念的畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。通過(guò)教學(xué)評(píng)價(jià)與課程達(dá)標(biāo)度持續(xù)改進(jìn)課程目標(biāo)，形成適應(yīng)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展、適合當(dāng)前自動(dòng)化本科生的《智能控制》課程目標(biāo)。

五、基于OBE理念的教學(xué)改革

為了實(shí)現(xiàn)基于OBE理念的《智能控制》課程目標(biāo)，對(duì)《智能控制》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式進(jìn)行改革。

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

1. 引入工程實(shí)例

《智能控制》作為理論課，大部分教學(xué)內(nèi)容都是講解控制算法的原理和理論推導(dǎo)。通過(guò)精簡(jiǎn)教學(xué)內(nèi)容，理論講解結(jié)合具體的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，使教學(xué)內(nèi)容更加具體形象，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，進(jìn)而提升教學(xué)效果。采用先進(jìn)的直線電機(jī)倒立擺系統(tǒng)作為工程實(shí)踐的被控對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊控制器設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、基于遺傳算法的智能控制器等，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)倒立擺系統(tǒng)的有效控制。

2. 緊密聯(lián)系《自動(dòng)控制原理》與《現(xiàn)代控制理論》

為了突出《智能控制》的前沿性和獨(dú)特性，以往在教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常脫離學(xué)生所熟知的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生感覺(jué)在學(xué)習(xí)一門(mén)全新的學(xué)科知識(shí)[13]。該課程是經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制基礎(chǔ)之上的控制方法，更傾向于解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題，在《智能控制》教學(xué)過(guò)程中應(yīng)緊密結(jié)合經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，將三者進(jìn)行對(duì)比分析和融合，進(jìn)而使學(xué)生更深層次地理解控制理論、更加理解并掌握智能控制的基本理論知識(shí)。

3. 提高仿真能力，重視實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的《智能控制》教學(xué)方式一般為理論講解，學(xué)生吸收課堂所授的理論知識(shí)效率低[14]，針對(duì)這一特點(diǎn)，引入MATLAB仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，深入融合理論、仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的課堂積極性與專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力。利用MATLAB自帶的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等職能控制相關(guān)的工具箱，可促進(jìn)學(xué)生消化理論知識(shí)，并降低對(duì)枯燥、理論過(guò)強(qiáng)的課程的抵觸心理。同時(shí)學(xué)生也可基于MATLAB軟件自行編寫(xiě)智能控制算法，提高學(xué)生理論知識(shí)的消化率和學(xué)生的實(shí)踐能力。此外，基于直線電機(jī)倒立擺的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握了將智能控制理論知識(shí)應(yīng)用于具體工程實(shí)踐的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（二）教學(xué)方法改革

1. 改革授課方式

《智能控制》課程傳統(tǒng)教學(xué)授課過(guò)程與學(xué)生交流較少，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式[15]和問(wèn)題啟發(fā)式[16]的教學(xué)方法。學(xué)生根據(jù)布置的課程任務(wù)思考課程相應(yīng)的內(nèi)容并提出問(wèn)題，根據(jù)提出的相關(guān)問(wèn)題對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)性的思考和詳細(xì)講解，提高學(xué)生對(duì)課程的好奇心與求知欲，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的吸收率和轉(zhuǎn)化率。

2. 改革作業(yè)方式

《智能控制》課程傳統(tǒng)的作業(yè)方式為教師線下審批[17]。該課程大部分作業(yè)需要MATLAB輔助完成，根據(jù)該特點(diǎn)，利用組建的課程QQ群在線上布置作業(yè)，由指定的學(xué)生代表收齊作業(yè)，然后在線上遞交作業(yè)，教師審批完作業(yè)后，記錄作業(yè)中存在的問(wèn)題并在線上反饋給相關(guān)學(xué)生，師生進(jìn)行線上課程互動(dòng)。該作業(yè)模式，可增進(jìn)師生互動(dòng)、提高課程效率。

3. 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《智能控制》課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為教師講解原理和學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、處理數(shù)據(jù)以及撰寫(xiě)報(bào)告兩部分[18]，該方式極易使學(xué)生產(chǎn)生敷衍心理，無(wú)法深刻理解智能控制算法及其應(yīng)用。為了提高學(xué)生參與實(shí)踐教學(xué)的積極性，采用自主式、探索式和團(tuán)隊(duì)式的教學(xué)方法，即：課前學(xué)生分組預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師不參與實(shí)驗(yàn)講解與操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題由學(xué)生團(tuán)體之間相互討論和解決、教師輔助提點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生自主解決問(wèn)題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生利用智能控制理論解決負(fù)責(zé)工程問(wèn)題的能力。

4. 考核方式改革

《智能控制》課程考核方式由傳統(tǒng)的期末筆試[19]改為期末開(kāi)卷考結(jié)合實(shí)驗(yàn)考核的方式，考核方式與成績(jī)占比如表3所示。期末開(kāi)卷考和實(shí)驗(yàn)考核均占總成績(jī)的50%，主要考核學(xué)生是否具備應(yīng)用智能控制理論解決負(fù)責(zé)工程問(wèn)題的能力，該方式可培養(yǎng)學(xué)生利用智能控制理論解決負(fù)責(zé)工程問(wèn)題的能力，并提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和工程實(shí)踐能力。

期末開(kāi)卷考內(nèi)容主要是智能控制器設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)考核包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析、匯報(bào)答辯兩部分。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析考核，學(xué)生組隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師考查實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生參與度和積極性，現(xiàn)場(chǎng)考核實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制效果，同時(shí)考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告中智能控制器的設(shè)計(jì)、分析與結(jié)論。匯報(bào)答辯考核，課程實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生進(jìn)行課程PPT匯報(bào)答辯，匯報(bào)內(nèi)容主要為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析與總結(jié)，教師根據(jù)學(xué)生匯報(bào)內(nèi)容提出相應(yīng)的問(wèn)題，學(xué)生要回答教師的相應(yīng)提問(wèn)，其中學(xué)生PPT匯報(bào)時(shí)間為15分鐘，提問(wèn)和回答10分鐘。

六、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前《智能控制》課程的教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)、學(xué)生仿真能力低、教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)少的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)研并結(jié)合自身的《智能控制》課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出并探討了基于OBE理念的智能控制課程教學(xué)改革方法，該課程教學(xué)改革方法可有效提高自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)智能控制理論課程的本科教學(xué)質(zhì)量，提高自動(dòng)化本科生《智能控制》課程的學(xué)習(xí)積極性、智能控制理論與工程實(shí)踐融合的能力以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

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