《自動(dòng)控制原理》課程多方位教學(xué)改革研究和探索

武曉晶　陳志軍　杜深慧　樊勁輝　宋雪玲

摘 要：在工程教育專業(yè)認(rèn)證和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的新形勢(shì)下，基于OBE教育核心理念：“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)發(fā)展”，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程進(jìn)行多方位教學(xué)改革研究和探索。以產(chǎn)出為導(dǎo)向，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容;以學(xué)生為中心，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)融入課程資源建設(shè)和教學(xué)模式改革中，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足;利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)大數(shù)據(jù)功能，建立反饋機(jī)制，強(qiáng)化持續(xù)改進(jìn);借助現(xiàn)代科學(xué)工具改革試驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：學(xué)生為中心;OBE;工程教育;自動(dòng)控制原理;教學(xué)改革

一、緒論

《華盛頓協(xié)議》是工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的國(guó)際互認(rèn)協(xié)議[1]。2016年6月我國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》。隨后，工程教育專業(yè)認(rèn)證成為我國(guó)高校的新風(fēng)向標(biāo)[2]。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是OBE理念，即：產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Output Based Education，OBE）[3-5]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下，國(guó)內(nèi)高校相繼推出超星、學(xué)堂在線、藍(lán)墨云班課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)[6]，掀起了教學(xué)模式改革的浪潮，對(duì)傳統(tǒng)意義上的教學(xué)提出了新挑戰(zhàn)。在工程教育專業(yè)認(rèn)證和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代新形勢(shì)下，作為自動(dòng)化專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程和考研課程，基于OBE教育理念，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程的多方位教學(xué)改革具有重要的意義。

二、自動(dòng)控制原理課程現(xiàn)狀分析

《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化專業(yè)的核心課、必修課，也是控制類專業(yè)研究生入學(xué)考試的必考課，在自動(dòng)化專業(yè)本科生教育中占有舉足輕重的地位。課程包含80學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)占6學(xué)時(shí)。課程內(nèi)容主要涵蓋：控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、線性系統(tǒng)時(shí)域分析、線性系統(tǒng)根軌跡分析、線性系統(tǒng)頻域分析、系統(tǒng)校正、線性離散系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析七大部分。課程主要內(nèi)容可歸結(jié)為控制系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計(jì)三大部分，各部分均需要大量的運(yùn)算和繪圖，課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算量大的特點(diǎn)。然而，現(xiàn)有部分高校師資比制約，課程實(shí)施的是大班教學(xué)，學(xué)生層次不齊，課堂管理和作業(yè)輔導(dǎo)均具有巨大的挑戰(zhàn)性。由此帶來(lái)“學(xué)生難學(xué)”和“教師難教”的“兩難”局面，因此，我們主要從教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)三大環(huán)節(jié)對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程進(jìn)行了多方位的改革探索，堅(jiān)持以O(shè)BE核心理念“學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”為準(zhǔn)則，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，促進(jìn)教學(xué)效果的提高，實(shí)現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)。

三、新形勢(shì)下課程教學(xué)改革措施

（一）以產(chǎn)出為導(dǎo)向優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

基于OBE的教育理念，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，根據(jù)課程目標(biāo)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從基礎(chǔ)理論出發(fā)，淡化復(fù)雜的結(jié)論推導(dǎo)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)理論應(yīng)用方法，緊跟專業(yè)工程認(rèn)證理念，融入人工智能前沿科學(xué)，將有效解決復(fù)雜工程問(wèn)題作為最終的教學(xué)目標(biāo)，注重理論的實(shí)際應(yīng)用。如數(shù)學(xué)模型建立部分以水箱液位控制系統(tǒng)為引導(dǎo)，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立內(nèi)容的講解，引導(dǎo)學(xué)生掌握建模理論的同時(shí)理解實(shí)際應(yīng)用，且起到激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的作用;又如根軌跡分析部分，刪除復(fù)雜根軌跡法則的證明，淡化推導(dǎo)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)結(jié)論和如何應(yīng)用其分析系統(tǒng)性能，解決實(shí)際問(wèn)題。

（二）構(gòu)建線上資源實(shí)現(xiàn)“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式

近年來(lái)，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式逐漸融入傳統(tǒng)教學(xué)模式中，但其適合小班教學(xué)，且受教室場(chǎng)地和課堂網(wǎng)絡(luò)制約。而部分高校《自動(dòng)控制原理》課程上課學(xué)生基數(shù)較大，教師和教室資源有限，實(shí)現(xiàn)小班教學(xué)難。因此，照搬他人翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式教學(xué)效果非常有限?；诖?，課程組本著“學(xué)生為中心”的教育理念，采用線下多媒體教學(xué)為主，輔以線上資源作為有效和必要的補(bǔ)充的形式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。主要從以下幾方面對(duì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革：

（1）整合課程線上資源，具體內(nèi)容框圖如圖1所示。錄播“微課”小視頻，將課程按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，對(duì)應(yīng)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)錄制不多于20分鐘的小視頻;錄制復(fù)習(xí)視頻資源，對(duì)每章重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行梳理、總結(jié);整理客觀題目，針對(duì)每節(jié)課知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的客觀題目;整理章節(jié)試題資源，針對(duì)每章重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)計(jì)試題，包含主觀題和客觀題;建設(shè)課程試卷庫(kù)，針對(duì)全課程內(nèi)容設(shè)計(jì)綜合性題目，結(jié)合基礎(chǔ)試題，進(jìn)行合理組合形成課程試卷庫(kù)。

（2）分解課堂教學(xué)為“預(yù)學(xué)-共同-延學(xué)”三個(gè)模塊，具體方案框圖如圖2所示。預(yù)學(xué)的主要任務(wù)是讓學(xué)生課前了解本次課課程目標(biāo)和課程內(nèi)容、完成定制的預(yù)習(xí)任務(wù)，能夠帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí);共學(xué)強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生和老師的共同學(xué)習(xí)，從教師一味講授、學(xué)生被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變成師生都做學(xué)習(xí)的主體，增加師生間和生生間的交流互動(dòng);教師將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行碎片化，分別講解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的要點(diǎn)，分析其關(guān)聯(lián)性和層次性，突出主次，提出重點(diǎn)和精講內(nèi)容;利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)散思維能力;設(shè)計(jì)分組討論的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生間的互助，培養(yǎng)學(xué)生的溝通和協(xié)作能力;引導(dǎo)學(xué)生繪制思維導(dǎo)圖，加深對(duì)各章知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性的理解，以及對(duì)章節(jié)內(nèi)容的歸納和總結(jié);結(jié)合構(gòu)建的線上資源—客觀題目，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化。延學(xué)注重的是課后對(duì)知識(shí)理解的升華，利用線上資源—“微課”小視頻，學(xué)生可結(jié)合自身情況反復(fù)觀看，理解課程的難點(diǎn)和重點(diǎn);通過(guò)線上資源—復(fù)習(xí)小視頻，可促進(jìn)學(xué)生思維導(dǎo)圖的構(gòu)建，讓學(xué)生明確階段性學(xué)習(xí)內(nèi)容;定時(shí)發(fā)布線上資源—章節(jié)試題資源，綜合考察學(xué)生的階段性學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)生和老師都做到心中有數(shù)，為“持續(xù)改進(jìn)”指明方向;課程復(fù)習(xí)階段發(fā)布線上資源—課程試卷庫(kù)，有助于學(xué)生對(duì)課程全部?jī)?nèi)容查漏補(bǔ)缺，進(jìn)行針對(duì)性復(fù)習(xí)。

（3）增強(qiáng)課程的持續(xù)改進(jìn)環(huán)節(jié)。利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)大數(shù)據(jù)的功能，尋找學(xué)習(xí)“漏洞”，合理調(diào)整預(yù)學(xué)、共學(xué)、延學(xué)的方案;如根據(jù)預(yù)學(xué)任務(wù)完成度和達(dá)成度，合理調(diào)整上課教學(xué)方式和制定后續(xù)預(yù)學(xué)任務(wù);又如根據(jù)平臺(tái)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)參與度、試題正確率等方面的數(shù)據(jù)分析，調(diào)整上課內(nèi)容和設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié);總之，本著持續(xù)改進(jìn)的原則，建立完整的反饋機(jī)制，形成學(xué)習(xí)-反饋-再學(xué)習(xí)的閉環(huán)，提高本課程培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度。

（三）借助現(xiàn)代科學(xué)工具實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

改革課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，借助現(xiàn)代科學(xué)工具（虛擬實(shí)驗(yàn)和Matlab軟件）加深學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解，通過(guò)直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和學(xué)生對(duì)仿真結(jié)果的感性認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)的牢固度和靈活性。利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于具有人機(jī)交互性強(qiáng)、操作靈活、隨意發(fā)揮、使用方便的特點(diǎn)，可一邊操作一邊觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克服了硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地、人數(shù)的限制，且可多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，使學(xué)生做到學(xué)以致用;借助Matlab仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、模型相對(duì)固定的不足，同時(shí)可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的分析和理解能力;如二階系統(tǒng)阻尼比變化對(duì)系統(tǒng)單位響應(yīng)的影響，單純靠教師幾個(gè)圖講解，學(xué)生體會(huì)不夠深刻，而借助Matlab可修改參數(shù)，看響應(yīng)曲線的形態(tài)，讓學(xué)生印象更加深刻;又如系統(tǒng)校正部分，校正原理和計(jì)算內(nèi)容較枯燥，而利用Matlab仿真軟件可形象生動(dòng)的顯現(xiàn)出校正的效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)語(yǔ)

基于“以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的OBE核心理念，對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)環(huán)節(jié)從課程內(nèi)容、課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三大環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。旨在探索一種適合《自動(dòng)控制原理》課程特點(diǎn)（課程內(nèi)容多、理解難度大，上課人數(shù)多等）的新型教學(xué)方式，在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)化工程認(rèn)證理念和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使學(xué)生做到“學(xué)理論-會(huì)分析-能應(yīng)用-有創(chuàng)新”。本文提出的改革措施，能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課程學(xué)習(xí)效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決工程復(fù)雜問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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課題：河北科技大學(xué)教育教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目（2019-QNB02）

*通訊作者：武曉晶（1985-），女，漢族，河北石家莊人，博士，副教授。