《自動控制原理》課程多方位教學改革研究和探索

武曉晶　陳志軍　杜深慧　樊勁輝　宋雪玲

摘 要：在工程教育專業認證和“互聯網+”時代的新形勢下，基于OBE教育核心理念：“以學生為中心，以產出為導向，持續發展”，結合網絡教學平臺，對《自動控制原理》課程進行多方位教學改革研究和探索。以產出為導向，優化課程教學內容;以學生為中心，將網絡教學平臺的優勢融入課程資源建設和教學模式改革中，彌補課堂教學的不足;利用網絡教學平臺大數據功能，建立反饋機制，強化持續改進;借助現代科學工具改革試驗教學。

關鍵詞：學生為中心;OBE;工程教育;自動控制原理;教學改革

一、緒論

《華盛頓協議》是工程教育本科專業認證的國際互認協議[1]。2016年6月我國正式加入《華盛頓協議》。隨后，工程教育專業認證成為我國高校的新風向標[2]。工程教育專業認證的核心理念是OBE理念，即：產出導向教育（Output Based Education，OBE）[3-5]。在“互聯網+”時代下，國內高校相繼推出超星、學堂在線、藍墨云班課等網絡教學平臺[6]，掀起了教學模式改革的浪潮，對傳統意義上的教學提出了新挑戰。在工程教育專業認證和“互聯網+”時代新形勢下，作為自動化專業的核心專業基礎課程和考研課程，基于OBE教育理念，結合網絡教學平臺，實現對《自動控制原理》課程的多方位教學改革具有重要的意義。

二、自動控制原理課程現狀分析

《自動控制原理》課程是自動化專業的核心課、必修課，也是控制類專業研究生入學考試的必考課，在自動化專業本科生教育中占有舉足輕重的地位。課程包含80學時，其中實驗占6學時。課程內容主要涵蓋：控制系統數學建模、線性系統時域分析、線性系統根軌跡分析、線性系統頻域分析、系統校正、線性離散系統分析、非線性系統分析七大部分。課程主要內容可歸結為控制系統建模、系統分析和控制器設計三大部分，各部分均需要大量的運算和繪圖，課程具有理論性強、內容抽象、數學推導和計算量大的特點。然而，現有部分高校師資比制約，課程實施的是大班教學，學生層次不齊，課堂管理和作業輔導均具有巨大的挑戰性。由此帶來“學生難學”和“教師難教”的“兩難”局面，因此，我們主要從教學內容、課堂教學、實驗教學三大環節對《自動控制原理》課程進行了多方位的改革探索，堅持以OBE核心理念“學生為中心，以產出為導向，持續改進”為準則，利用網絡教學平臺彌補傳統教學的不足，促進教學效果的提高，實現課程培養目標。

三、新形勢下課程教學改革措施

（一）以產出為導向優化教學內容

基于OBE的教育理念，以產出為導向，根據課程目標對教學內容進行優化設計。從基礎理論出發，淡化復雜的結論推導過程，強調理論應用方法，緊跟專業工程認證理念，融入人工智能前沿科學，將有效解決復雜工程問題作為最終的教學目標，注重理論的實際應用。如數學模型建立部分以水箱液位控制系統為引導，進行系統數學模型建立內容的講解，引導學生掌握建模理論的同時理解實際應用，且起到激發學習動機的作用;又如根軌跡分析部分，刪除復雜根軌跡法則的證明，淡化推導過程，強調結論和如何應用其分析系統性能，解決實際問題。

（二）構建線上資源實現“學生為中心”的教學模式

近年來，翻轉課堂教學模式逐漸融入傳統教學模式中，但其適合小班教學，且受教室場地和課堂網絡制約。而部分高校《自動控制原理》課程上課學生基數較大，教師和教室資源有限，實現小班教學難。因此，照搬他人翻轉課堂教學模式教學效果非常有限。基于此，課程組本著“學生為中心”的教育理念，采用線下多媒體教學為主，輔以線上資源作為有效和必要的補充的形式，提高學生學習的效率。主要從以下幾方面對課程教學環節進行改革：

（1）整合課程線上資源，具體內容框圖如圖1所示。錄播“微課”小視頻，將課程按知識點進行分解，對應每個知識點錄制不多于20分鐘的小視頻;錄制復習視頻資源，對每章重點內容進行梳理、總結;整理客觀題目，針對每節課知識點設計相應的客觀題目;整理章節試題資源，針對每章重點內容設計試題，包含主觀題和客觀題;建設課程試卷庫，針對全課程內容設計綜合性題目，結合基礎試題，進行合理組合形成課程試卷庫。

（2）分解課堂教學為“預學-共同-延學”三個模塊，具體方案框圖如圖2所示。預學的主要任務是讓學生課前了解本次課課程目標和課程內容、完成定制的預習任務，能夠帶著問題去學習;共學強調的是學生和老師的共同學習，從教師一味講授、學生被動接受轉變成師生都做學習的主體，增加師生間和生生間的交流互動;教師將知識點進行碎片化，分別講解每個知識點的要點，分析其關聯性和層次性，突出主次，提出重點和精講內容;利用項目驅動式教學方式調動學生的學習積極性，培養學生的創新發散思維能力;設計分組討論的學習方式，促進學生間的互助，培養學生的溝通和協作能力;引導學生繪制思維導圖，加深對各章知識點關聯性的理解，以及對章節內容的歸納和總結;結合構建的線上資源—客觀題目，促進學生對知識的內化。延學注重的是課后對知識理解的升華，利用線上資源—“微課”小視頻，學生可結合自身情況反復觀看，理解課程的難點和重點;通過線上資源—復習小視頻，可促進學生思維導圖的構建，讓學生明確階段性學習內容;定時發布線上資源—章節試題資源，綜合考察學生的階段性學習效果，讓學生和老師都做到心中有數，為“持續改進”指明方向;課程復習階段發布線上資源—課程試卷庫，有助于學生對課程全部內容查漏補缺，進行針對性復習。

（3）增強課程的持續改進環節。利用網絡平臺大數據的功能，尋找學習“漏洞”，合理調整預學、共學、延學的方案;如根據預學任務完成度和達成度，合理調整上課教學方式和制定后續預學任務;又如根據平臺對學生學習參與度、試題正確率等方面的數據分析，調整上課內容和設計教學環節;總之，本著持續改進的原則，建立完整的反饋機制，形成學習-反饋-再學習的閉環，提高本課程培養目標的達成度。

（三）借助現代科學工具實現實驗教學改革

改革課內實驗教學環節，借助現代科學工具（虛擬實驗和Matlab軟件）加深學生對抽象理論知識的理解，通過直觀的實驗結果和學生對仿真結果的感性認識，加強學習的牢固度和靈活性。利用虛擬實驗教學，由于具有人機交互性強、操作靈活、隨意發揮、使用方便的特點，可一邊操作一邊觀察實驗結果，克服了硬件實驗對場地、人數的限制，且可多次反復實驗，強化學生理論聯系實際的能力，使學生做到學以致用;借助Matlab仿真軟件進行實驗教學，彌補硬件實驗實驗內容單一、模型相對固定的不足，同時可加強學生對知識的分析和理解能力;如二階系統阻尼比變化對系統單位響應的影響，單純靠教師幾個圖講解，學生體會不夠深刻，而借助Matlab可修改參數，看響應曲線的形態，讓學生印象更加深刻;又如系統校正部分，校正原理和計算內容較枯燥，而利用Matlab仿真軟件可形象生動的顯現出校正的效果，提高學生的學習興趣。

四、結語

基于“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”的OBE核心理念，對《自動控制原理》課程教學環節從課程內容、課堂教學和實驗教學三大環節進行研究。旨在探索一種適合《自動控制原理》課程特點（課程內容多、理解難度大，上課人數多等）的新型教學方式，在教學過程中強化工程認證理念和應用能力的培養，使學生做到“學理論-會分析-能應用-有創新”。本文提出的改革措施，能夠促進學生學習興趣，提高課程學習效果，有助于培養學生創新能力和解決工程復雜問題的能力。

參考文獻：

[1]邢燦華，徐開蕓.專業認證背景下《自動控制原理》教學中的幾點思考.教育教學論壇，2019，50：245-246.

[2]百度百科，工程教育專業認證：中國高校新的風向標[EB/OL].南方教育，2018-10-03.

[3]李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014，17：7-9.

[4]李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究，2014，2：29-34.

[5]陸鑫.OBE工程教育模式下課程教學設計研究[J].計算機教育，2017，10：135-139.

[6]朱純兵.“互聯網+”時代大學課堂“抬頭率”研究——以自動控制原理為例.現代商貿工業，2019，36：164.

課題：河北科技大學教育教學改革立項項目（2019-QNB02）

*通訊作者：武曉晶（1985-），女，漢族，河北石家莊人，博士，副教授。