基于OBE理念的現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革研究與探討

王俊偉 楊俊玲

河套學(xué)院機(jī)電工程系，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000

為了使中國(guó)的高等教育與世界接軌，2016 年，我國(guó)高校正式加入《華盛頓協(xié)議》。工程教育專業(yè)認(rèn)證是為了給工程類專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生進(jìn)入企業(yè)工作提供教育質(zhì)量保障，而通過專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)工程類專業(yè)進(jìn)行的專業(yè)認(rèn)證。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是“產(chǎn)出導(dǎo)向教育”（Output Based Education，OBE），其核心要素包括：以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)發(fā)展?；贠BE 理念，改革現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)對(duì)提高畢業(yè)生的教育質(zhì)量具有重要的意義。

現(xiàn)代控制理論課程是自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化和機(jī)械電子等專業(yè)的必修專業(yè)課。該課程以自動(dòng)控制原理線性代數(shù)和矩陣論課程為基礎(chǔ)；教學(xué)內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析、能控性和能觀性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)、狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)和線性二次型最優(yōu)控制。該課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生具備控制論的理論分析和解決復(fù)雜控制系統(tǒng)實(shí)際問題的能力。

隨著大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”和人工智能的發(fā)展，傳統(tǒng)教育理念下培養(yǎng)出的人才與社會(huì)需要存在一定的差距。為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)畢業(yè)生的需求，基于OBE 理念，課程組對(duì)現(xiàn)代控制理論的課程內(nèi)容、課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行了改革與研究。

一、現(xiàn)代控制理論課程存在的問題

學(xué)生基礎(chǔ)比較薄弱，尤其是數(shù)學(xué)課基礎(chǔ)。課程主要采用講授法、案例教學(xué)法和實(shí)驗(yàn)演示法進(jìn)行教學(xué)。講授法主要是指通過板書理論推導(dǎo)和多媒體輔助的手段完成教學(xué)。案例教學(xué)法也有應(yīng)用，但是應(yīng)用得較少。實(shí)驗(yàn)演示法主要是采用理論仿真實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也有一部分實(shí)物的演示實(shí)驗(yàn)（例如倒立擺實(shí)驗(yàn)），但是應(yīng)用得比較少，更不要說將人工智能中的機(jī)器視覺應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中了。因此，本課程目前的教學(xué)方法和手段比較傳統(tǒng)、單一，這是教師存在的主要問題。由于該課程有大量的理論公式的推導(dǎo)，部分學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生對(duì)該課程存在厭學(xué)心理。因此，教師可多采用案例教學(xué)法，淡化理論公式的推導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面可以采用理論仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)的方式，教師應(yīng)開發(fā)更多應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，與當(dāng)今時(shí)代發(fā)展相結(jié)合，比如控制論的實(shí)際應(yīng)用與人工智能中的機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合等。

重視理論教學(xué)、淡化實(shí)踐教學(xué)是目前應(yīng)用型本科院校定位不準(zhǔn)的主要問題，教師教學(xué)主要以理論為主，教師工程實(shí)踐能力較弱，課程教學(xué)與工程應(yīng)用結(jié)合程度較低。這種側(cè)重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握能力、淡化課程實(shí)踐教學(xué)的模式，使學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力比較弱，很難適應(yīng)現(xiàn)代工程教育專業(yè)認(rèn)證理念。而河套學(xué)院是一所專升本的本科院校，教師大部分來源于?？圃盒＃糠纸處熆蒲心芰^差、工程應(yīng)用能力較弱；新進(jìn)教師的學(xué)歷主要是碩士研究生，沒有企業(yè)工作背景，科研能力和工程能力較差；少數(shù)學(xué)校招聘來的博士研究生的專業(yè)主要是電子技術(shù)、生物、農(nóng)業(yè)和材料學(xué)科的冷門專業(yè)，博士與所屬系部專業(yè)不完全相符，對(duì)學(xué)校專業(yè)發(fā)展作用有限。因此，課程改革必須解決上述教學(xué)中存在的問題。

二、新形勢(shì)下的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段已不符合現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)要求，教學(xué)效果也不理想，培養(yǎng)出的學(xué)生與企業(yè)的需求嚴(yán)重脫軌。這種情況下，對(duì)現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)進(jìn)行改革勢(shì)在必行。

（一）教學(xué)方法和手段的改革

課程教學(xué)的改革主要是對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方法和手段進(jìn)行改革。教學(xué)方法應(yīng)側(cè)重以案例教學(xué)法為主，教學(xué)手段應(yīng)更加多樣化，除了采用板書、多媒體演示和實(shí)驗(yàn)室實(shí)物演示等手段，還可以采用企業(yè)觀摩和科研項(xiàng)目完成的方式進(jìn)行該課程的教學(xué)。

案例教學(xué)法的實(shí)施是基于OBE 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)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。理論教學(xué)應(yīng)從基礎(chǔ)理論出發(fā)，以實(shí)踐應(yīng)用為目標(biāo)，淡化理論教學(xué)和理論公式的推導(dǎo)。理論教學(xué)應(yīng)該與實(shí)踐結(jié)合起來，任課教師可利用業(yè)余時(shí)間申請(qǐng)和收集其他教師的科研課題進(jìn)行研究，將課程的講授與項(xiàng)目相結(jié)合，進(jìn)行控制系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)踐應(yīng)用，真正地將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生真正受益和獲得知識(shí)。教師也可以利用課本中具體的實(shí)踐應(yīng)用型案例，如雙級(jí)倒立擺案例，進(jìn)行課程理論知識(shí)講解，之后讓學(xué)生對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，將建模后的非線性系統(tǒng)等效成線性系統(tǒng)，對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)際應(yīng)用，找出實(shí)際應(yīng)用的倒立擺控制方法和理論方面倒立擺控制器設(shè)計(jì)的差別。以工程產(chǎn)出為導(dǎo)向，也可以采用啟發(fā)式教學(xué)方法，如啟發(fā)學(xué)生如何在工程實(shí)踐中利用雙級(jí)倒立擺控制算法、PID 控制和模糊控制在實(shí)踐中怎么實(shí)現(xiàn)控制，從而鍛煉學(xué)生的理論數(shù)學(xué)建模能力和在工程實(shí)踐中分析系統(tǒng)性能、解決實(shí)際問題的能力。

教學(xué)手段的實(shí)施也要以O(shè)BE 理念為指導(dǎo)。本課程采用企業(yè)學(xué)習(xí)與觀摩的方式，讓學(xué)生了解和指導(dǎo)現(xiàn)代控制理論課程知識(shí)在企業(yè)中的應(yīng)用，比如航空航天中的飛機(jī)和導(dǎo)彈的控制，學(xué)生只有親身經(jīng)歷、了解和學(xué)習(xí)了這方面的知識(shí)，才會(huì)知道該課程在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值，才會(huì)對(duì)該課程產(chǎn)生興趣，才會(huì)找到學(xué)習(xí)該課程的方向。

我們可以科研項(xiàng)目的完成來達(dá)到更好的教學(xué)效果。教師把科研項(xiàng)目中的一個(gè)應(yīng)用型問題提煉出來，讓學(xué)生以小組的形式完成該項(xiàng)目，通過項(xiàng)目對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行鞏固和提高。

現(xiàn)代控制理論課程應(yīng)針對(duì)不同的學(xué)生采用不同的教學(xué)方法。對(duì)于部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，可以加強(qiáng)他們的數(shù)學(xué)知識(shí)訓(xùn)練；對(duì)于部分覺得課程理論性強(qiáng)、在實(shí)踐中應(yīng)用不大的學(xué)生，可以幫助他們加強(qiáng)該課程知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用，課堂教學(xué)淡化理論推導(dǎo)。

另外，由于課堂教學(xué)時(shí)間的關(guān)系，教師既要完成理論的講授，又要讓理論與實(shí)踐案例相結(jié)合，這給教師帶來了挑戰(zhàn)?；诖?，我們采用線上板書、多媒體演示、實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示、企業(yè)實(shí)習(xí)觀摩和參與科研項(xiàng)目的教學(xué)手段，線下以微課為教學(xué)的補(bǔ)充形式，從而有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)生對(duì)該課程的掌握程度。

1.完善線下課程教學(xué)

具體內(nèi)容如圖1 所示。教師線下根據(jù)課程內(nèi)容，有針對(duì)性地錄制該課程所涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)的小視頻，讓學(xué)生在假期或課下的時(shí)間學(xué)習(xí)，為更好地學(xué)習(xí)該課程打下基礎(chǔ)；錄制現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容小視頻，將課堂上的教學(xué)內(nèi)容分成具體的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，盡量通俗易懂，課下通過微課去彌補(bǔ)學(xué)生不懂的知識(shí)；每一章都設(shè)計(jì)有具體的試題，為了防止學(xué)生抄襲作業(yè)，針對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)和學(xué)習(xí)程度，讓不同類型的學(xué)生做不一樣的章節(jié)測(cè)試題，使學(xué)生真正地動(dòng)起來；建立課程試卷庫(kù)，設(shè)有綜合題、設(shè)計(jì)題和客觀題，題量較多，讓學(xué)生在期末考試之前加以訓(xùn)練；建立科研項(xiàng)目，最少有20個(gè)題目，以2人為一組完成其中一題，使學(xué)生深刻了解該課程知識(shí)在實(shí)踐性中的應(yīng)用。

2.改革課堂教學(xué)模式

基于以學(xué)生為中心的教育理念，保留傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，比如對(duì)現(xiàn)代控制理論課程盡量采用板書而不是多媒體教學(xué)。對(duì)一些具體的理論推導(dǎo)來說，板書式教學(xué)更容易讓學(xué)生理解。但也要對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革，如采用課下預(yù)習(xí)、課堂測(cè)試和課下作業(yè)模式。具體的課堂教學(xué)新模式如圖2所示。學(xué)生通過學(xué)習(xí)微課小視頻進(jìn)行課下預(yù)習(xí)；通過每節(jié)課的當(dāng)堂測(cè)試，教師可以了解每個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，為課下作業(yè)布置和及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)提供依據(jù)，以便更好地調(diào)整教學(xué)方法、服務(wù)課堂教學(xué)、提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

由于該課程的理論性比較強(qiáng)，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要利用MATLAB 仿真軟件來開展。因此，基于OBE 理念，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，針對(duì)目前該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，課程組提出以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施。

其一，MATLAB 仿真實(shí)驗(yàn)主要停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上，所以應(yīng)開發(fā)更多的設(shè)計(jì)性和綜合性仿真實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生具備一定的研究能力打下基礎(chǔ)。

其二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與教師主持的科研項(xiàng)目相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)以項(xiàng)目中模型的搭建，模型的數(shù)學(xué)建模，模型控制器的設(shè)計(jì)、分析、仿真和實(shí)際應(yīng)用為線路，提煉出綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

其三，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研項(xiàng)目的申報(bào)和參加一些專業(yè)競(jìng)賽。教師對(duì)學(xué)生科研項(xiàng)目進(jìn)行指導(dǎo)，一方面可以鍛煉學(xué)生寫作專業(yè)論文的能力，另一方面可以鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程項(xiàng)目的能力。

其四，工程訓(xùn)練和為期1個(gè)月的企業(yè)參觀學(xué)習(xí)也作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一部分，讓學(xué)生消化企業(yè)生產(chǎn)的工藝流程，了解當(dāng)前控制理論在實(shí)踐應(yīng)用中比較成熟的算法，了解當(dāng)前理論與實(shí)踐相結(jié)合的情況。這樣既開拓了學(xué)生的眼界又使理論與實(shí)踐不相脫節(jié)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

課程實(shí)驗(yàn)的改革措施改變了當(dāng)前我校大學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)不足和解決實(shí)際問題能力較差的現(xiàn)狀。

三、結(jié)束語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”和工程教育專業(yè)認(rèn)證的大背景下，基于OBE理念——“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)發(fā)展”，課程組對(duì)現(xiàn)代控制理論教學(xué)中的教學(xué)方法、教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行了改革和研究，目的是探索一種適合本校學(xué)生的現(xiàn)代控制理論課程的新型教學(xué)模式，改變傳統(tǒng)的重理論輕實(shí)踐的傳統(tǒng)教學(xué)模式。文章基于OBE 理念，既保留傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，又在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改革，最終讓學(xué)生做到懂理論、會(huì)應(yīng)用、會(huì)分析和會(huì)創(chuàng)新。希望通過這些改革措施，能提高學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)出更多、更優(yōu)秀的學(xué)生，以更好地為企業(yè)服務(wù)。