基于OBE理念的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革

0 引言

自2016年我國(guó)成為工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證《華盛頓協(xié)議》的成員后，各大高校為保證教育質(zhì)量和就業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)我國(guó)教育和國(guó)際教育的無(wú)縫銜接，陸續(xù)開(kāi)展了基于OBE 理念的課程教學(xué)改革[1]。山西工程技術(shù)學(xué)院作為應(yīng)用型本科院校，其課程的實(shí)踐性改革必不可少；自動(dòng)控制原理作為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，其改革也勢(shì)在必行。

1自動(dòng)控制原理課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

自動(dòng)控制原理課程在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中具有重要地位。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前需要具備高等數(shù)學(xué)、電路等相關(guān)知識(shí)，而作為先修課程，其學(xué)習(xí)為學(xué)生接下來(lái)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制、過(guò)程控制等專(zhuān)業(yè)核心和方向課程打下了基礎(chǔ)。該課程具有較強(qiáng)的理論性，涵蓋自動(dòng)控制基本原理和概念，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)內(nèi)容提供了必要的理論支持和知識(shí)儲(chǔ)備。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生要達(dá)到知識(shí)、能力和情感目標(biāo)的三合一提升：知識(shí)目標(biāo)方面，學(xué)生要了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握控制系統(tǒng)基本工作原理和系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法；能力目標(biāo)方面，學(xué)生要初步具備設(shè)計(jì)和分析控制系統(tǒng)的能力[2-3]，并且能夠自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性；情感目標(biāo)方面，學(xué)生要形成自己的人生反饋系統(tǒng)，培養(yǎng)大局意識(shí)、穩(wěn)定意識(shí)和創(chuàng)新奉獻(xiàn)精神、工匠精神，深入理解社會(huì)主義核心價(jià)值觀(guān)。

自動(dòng)控制原理課程理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象、公式復(fù)雜、涉及知識(shí)面廣，而課時(shí)分配相對(duì)較少。對(duì)此，山西工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制原理課程組通過(guò)研討、分析，發(fā)現(xiàn)目前該課程教學(xué)中存在以下問(wèn)題。

1）課程學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)和電路基礎(chǔ)，課程內(nèi)容的連貫性和推理性較強(qiáng)，而很多學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，尤其在進(jìn)行理論推導(dǎo)時(shí)跟不上正常教學(xué)節(jié)奏，導(dǎo)致對(duì)后續(xù)課程無(wú)法理解，掌握的知識(shí)停留在初級(jí)階段，沒(méi)有達(dá)到深入和提升的層次。2）學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)方式單一，缺乏邏輯性，不能把課程內(nèi)容很好地銜接起來(lái)。3）傳統(tǒng)的灌輸式授課方式不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂上，學(xué)生只是跟著教師的思路被動(dòng)接受知識(shí)，不會(huì)主動(dòng)思考，參與度不夠，不能體現(xiàn)“學(xué)生為主體”的教學(xué)理念。4）課程評(píng)價(jià)機(jī)制比較單一，學(xué)生以通過(guò)課程考試為目標(biāo)，考前死記硬背，學(xué)完課程后不清楚該課程知識(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合與應(yīng)用方法。5）課程講授注重傳授理論知識(shí)，教材上的例子較為陳舊，缺少與目前智能化控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，不能體現(xiàn)其在智能自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，課程組全體教師進(jìn)行研究和探討，最終將原因歸結(jié)為教學(xué)理念陳舊、教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法落后四類(lèi)，并提出新理念、新內(nèi)容、新方法和新模式的“四新”改革策略，如圖1所示。

2課程教學(xué)改革方案

2.1更新教學(xué)理念

全面貫徹以學(xué)生為主體、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的OBE理念。教學(xué)中，學(xué)生處于主體地位，教師輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，形成學(xué)習(xí)共同體，共同完成教學(xué)活動(dòng)。授課中，教師要設(shè)法改變以往“學(xué)生沉默，老師唱獨(dú)角戲”的課堂氛圍，將課程內(nèi)容和學(xué)生感興趣的話(huà)題有機(jī)聯(lián)系，針對(duì)不同學(xué)生因材施教，樹(shù)立以學(xué)定教的思想。具體措施如下。

圖1自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革框架

2.1.1 制定具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)

OBE理念強(qiáng)調(diào)有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和結(jié)果，且目標(biāo)必須可測(cè)量。因此在修改課程教學(xué)大綱時(shí)，要將每個(gè)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)，做到量化考查。

2.1.2 對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估和跟蹤

改革課程評(píng)估體系，使用多樣化評(píng)估方法評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，給學(xué)生安排項(xiàng)目化作業(yè)、調(diào)查報(bào)告等實(shí)踐項(xiàng)目，并將其與制定的學(xué)習(xí)目標(biāo)關(guān)聯(lián)起來(lái)，同時(shí)保證在整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格跟蹤。

2.1.3學(xué)習(xí)輔導(dǎo)體現(xiàn)個(gè)體差異

根據(jù)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況提供相應(yīng)的輔導(dǎo)內(nèi)容和方法，鼓勵(lì)學(xué)生利用網(wǎng)上的慕課資源達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.1.4促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

營(yíng)造自主學(xué)習(xí)氛圍。通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)、小組討論、實(shí)踐項(xiàng)目等方式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

2.2 更新課程內(nèi)容

2.2.1增加行業(yè)前沿、動(dòng)態(tài)應(yīng)用和先進(jìn)建模方法、智能控制方法等內(nèi)容

目前山西工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制原理課程所采用教材上的工程應(yīng)用案例（如恒溫控制系統(tǒng)、煉鋼爐控制系統(tǒng)等）相對(duì)落后，與新工科背景下的課程目標(biāo)有一定差距。因此，在講授緒論時(shí)，增加一些行業(yè)發(fā)展的前沿案例，如自動(dòng)控制理論在神舟八號(hào)飛船上的應(yīng)用，通過(guò)播放天宮一號(hào)與神舟八號(hào)交會(huì)對(duì)接、玉兔號(hào)登月等視頻，介紹工業(yè)機(jī)器人控制在碼垛、智能制造和高端裝備制造中的應(yīng)用等，幫助學(xué)生了解控制理論的具體適用場(chǎng)合，同時(shí)感受我國(guó)科技的先進(jìn)。在講授控制系統(tǒng)模型建立時(shí)，除介紹教材上的機(jī)理建模方法和經(jīng)驗(yàn)建模方法，適時(shí)增加無(wú)模型建模和系統(tǒng)辨識(shí)建模等前沿方法。在講授控制方式PID控制規(guī)律時(shí)，介紹當(dāng)前最流行的模糊控制、自適應(yīng)控制等智能控制方法，讓學(xué)生對(duì)智能控制有基本概念。要求學(xué)生課后查閱學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)資料，列出自己感興趣的方向，并且建議學(xué)生后續(xù)按照此方向開(kāi)展深入研究。

2.2.2融入思政元素：增加課程思政內(nèi)容，形成雙閉環(huán)教學(xué)控制系統(tǒng)

山西工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制原理課程的課時(shí)為64學(xué)時(shí)，以往授課全部線(xiàn)下開(kāi)展，由于教學(xué)方式由線(xiàn)下轉(zhuǎn)為線(xiàn)上線(xiàn)下混合式且要求融入思政元素，因此，在不改變?cè)瓉?lái)學(xué)時(shí)的情況下，將簡(jiǎn)單易懂的內(nèi)容安排為線(xiàn)上學(xué)習(xí)。目前線(xiàn)上安排18學(xué)時(shí)，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，線(xiàn)下講授46學(xué)時(shí)，以研討式教學(xué)為主。為了更好地將思政教育融入專(zhuān)業(yè)教育，課程教學(xué)設(shè)計(jì)需要有針對(duì)性地挖掘和提煉思政元素，并以適當(dāng)?shù)姆绞饺谌胝n程，例如，將熱點(diǎn)新聞、典型視頻等融入課程，使思政元素和專(zhuān)業(yè)知識(shí)巧妙結(jié)合，更加貼近學(xué)生的實(shí)際需求和學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)的有效性和吸引力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)思想與價(jià)值引領(lǐng)，以達(dá)到立德樹(shù)人的目的[2]。自動(dòng)控制原理課程思政元素的挖掘與融合如表1所示。

整個(gè)課程教學(xué)以專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)為外環(huán)，以思政知識(shí)融入為內(nèi)環(huán)，逐步形成“專(zhuān)業(yè)一思政”雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課程認(rèn)同感，真正做到在提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平的同時(shí)培養(yǎng)他們的德育觀(guān)念，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程育人。教學(xué)過(guò)程的雙閉環(huán)教學(xué)模式如圖2所示。

2.3 更新教學(xué)模式

2.3.1線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式的采用和學(xué)生為主的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)線(xiàn)下“填鴨式”教學(xué)方式是以教師講授為主，以教師、教材和課堂為中心的單一教學(xué)模式[3]，只注重知識(shí)的輸出，沒(méi)有關(guān)注到學(xué)生的主動(dòng)思考。即使有課堂提問(wèn)，也只是對(duì)部分學(xué)生進(jìn)行考查，不可能掌握全體學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況。雖然教師一再?gòu)?qiáng)調(diào)要進(jìn)行課程預(yù)習(xí)，但學(xué)生的具體預(yù)習(xí)效果教師無(wú)法全部知曉，導(dǎo)致教學(xué)效果不太理想。

表1自動(dòng)控制原理課程思政元素的挖掘與融合

圖2“專(zhuān)業(yè)一思政”雙閉環(huán)教學(xué)模式

采用線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式授課，可以將整個(gè)教學(xué)過(guò)程大致分解成三部分：1）學(xué)生課前依托學(xué)習(xí)通等進(jìn)行預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)作業(yè)，這為教師提供了了解學(xué)生薄弱點(diǎn)并有針對(duì)性地進(jìn)行課堂教學(xué)的機(jī)會(huì)，從而更好地滿(mǎn)足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求[4]。2）線(xiàn)下授課時(shí)依托學(xué)習(xí)通，教師可以讓所有學(xué)生都參與課堂互動(dòng)。例如，在講根軌跡分析系統(tǒng)性能的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，可以將問(wèn)題以討論的形式發(fā)出，學(xué)生作答完成后通過(guò)詞云將問(wèn)題的重點(diǎn)詞匯展示出來(lái)，如圖3a所示。為了測(cè)試某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，教師可以在學(xué)習(xí)通上發(fā)布隨堂測(cè)試，學(xué)生的答案可以自動(dòng)生成餅狀圖，如圖3b所示，借此教師可以清楚學(xué)生的薄弱之處。3）為了幫助學(xué)生鞏固知識(shí)，課后教師通過(guò)學(xué)習(xí)通發(fā)布作業(yè)，作業(yè)可以由教師批改，也可以由學(xué)生分組批改。學(xué)生在批改別人作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)反思自己是否存在同樣的問(wèn)題，進(jìn)而加以改正。

自動(dòng)控制原理課程線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)如表2所示。

采用線(xiàn)上教學(xué)不僅方便教師對(duì)學(xué)生的監(jiān)管，還可以實(shí)現(xiàn)資源共享。教師可以將國(guó)內(nèi)本門(mén)課程較好的教學(xué)視頻作為示范包傳到學(xué)習(xí)通上供學(xué)生學(xué)習(xí)，也可以將與本學(xué)科前沿相關(guān)的資料共享給學(xué)生。這樣學(xué)生不僅學(xué)到了知識(shí)，更能清楚所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合，從而提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

表2自動(dòng)控制原理課程線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

進(jìn)行線(xiàn)下教學(xué)時(shí)，為了能夠貫徹以學(xué)生為中心的OBE理念，改變以往教師為主的授課方法，課堂教學(xué)采用翻轉(zhuǎn)形式。針對(duì)課程內(nèi)容中相對(duì)簡(jiǎn)單的部分，要求學(xué)生分組并提前預(yù)習(xí)（如控制方式介紹），每組學(xué)生分工合作，根據(jù)教師所列提綱展開(kāi)討論，有制作課件PPT的，有負(fù)責(zé)上臺(tái)授課演示的，還有負(fù)責(zé)課后習(xí)題選取與錄入和課后作業(yè)評(píng)價(jià)的，等等，讓所有學(xué)生都能全身心融入集體創(chuàng)作活動(dòng)中，共享勞動(dòng)成果，真正體會(huì)勞動(dòng)帶來(lái)的樂(lè)趣[5]。

表3自動(dòng)控制原理課程平時(shí)成績(jī)構(gòu)成

2.3.2評(píng)價(jià)方式更新：注重過(guò)程性考核，建立多元化、全方位的課程考核機(jī)制

學(xué)校自動(dòng)控制原理課程的考核方式原先包括平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩部分，平時(shí)成績(jī)由出勤、課后作業(yè)構(gòu)成，占總成績(jī)的 30% ，期末卷面成績(jī)占總成績(jī)的 70% ，這種考核方式雖有一定的過(guò)程考核，但占比明顯不夠。為了更全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，在評(píng)價(jià)方式上進(jìn)行如下調(diào)整：總成績(jī) Σ=Σ 平時(shí)成績(jī) ×0.3+ 實(shí)驗(yàn)成績(jī) ×0.2° 期末卷面成績(jī) ×0.5 ，其中平時(shí)成績(jī)由學(xué)習(xí)通直接給出，由章節(jié)測(cè)驗(yàn)、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)（包括課題討論等）、作業(yè)、線(xiàn)上期中考試和線(xiàn)下現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)等組成，其各項(xiàng)分配比例如表3所示。

平時(shí)章節(jié)測(cè)試側(cè)重于考查各個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，而期末考試 70% 以上的試題涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn)綜合應(yīng)用，尤其是系統(tǒng)校正的綜合應(yīng)用題，綜合了系統(tǒng)分析和校正的所有知識(shí)點(diǎn)，更能夠體現(xiàn)課程對(duì)高階性思維的培養(yǎng)。

在期末的卷面考核中加入與時(shí)代結(jié)合緊密的試題，如自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的部分控制原理說(shuō)明、無(wú)人機(jī)速度控制的方法等，同時(shí)加入開(kāi)放型試題，如舉例說(shuō)明一種目前流行的控制算法并解釋其原理等。課程考核不再局限于考查課內(nèi)知識(shí)點(diǎn)，還要了解學(xué)生對(duì)當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)程度，推動(dòng)學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)能力提升。

2.4更新教學(xué)方法

2.4.1采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

為了提高學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的整體認(rèn)識(shí)，課程采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)[6]。例如，在講解二階系統(tǒng)性能指標(biāo)時(shí)，不僅要求學(xué)生掌握教材上有關(guān)性能指標(biāo)的計(jì)算，還鼓勵(lì)學(xué)生從生活中尋找二階系統(tǒng)的例子（如秋千、鐘擺），對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給予解釋。講解控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，要求學(xué)生分別應(yīng)用PID、P、PI等設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)等并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，以強(qiáng)化對(duì)知識(shí)的深入理解。

2.4.2鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研課題

為了幫助學(xué)生認(rèn)清學(xué)習(xí)目標(biāo)，將所學(xué)知識(shí)真正落地，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與教師的科研課題。例如無(wú)人機(jī)的控制課題，要求學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)控制的性能指標(biāo)提出控制模型改進(jìn)方法，并將其轉(zhuǎn)化成Python語(yǔ)言嵌入無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己的想法。在參與課題的過(guò)程中，學(xué)生不僅需要掌握控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，還需要學(xué)習(xí)Python語(yǔ)言編程，學(xué)會(huì)整個(gè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)試方法，能夠真正提升綜合能力；同時(shí)，學(xué)生能夠養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，體驗(yàn)到知識(shí)帶來(lái)的樂(lè)趣，以此驅(qū)動(dòng)自主學(xué)習(xí)和問(wèn)題探討。

3 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)改革后，山西工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制原理課程線(xiàn)上視頻資源涉及20個(gè)主要知識(shí)點(diǎn)、8次線(xiàn)上作業(yè)、5個(gè)課外延伸閱讀，建立了上千道測(cè)驗(yàn)題目；線(xiàn)下資源包括教學(xué)大綱、課堂教案、思政元素庫(kù)和部分配套PPT，基本能滿(mǎn)足課程教學(xué)需求。以上課程資源被應(yīng)用于2023一2024學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)，結(jié)果顯示：學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性提高、目的性增強(qiáng)，課堂參與度大幅提升，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，截至2024年7月，課程訪(fǎng)問(wèn)量達(dá)到15119次；從教學(xué)效果看，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和成績(jī)明顯提高，參加各項(xiàng)競(jìng)賽的主動(dòng)性和競(jìng)賽成績(jī)等也都有所提升。

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