《自动控制原理》课程多方位教学改革研究和探索
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作者:武晓晶 陈志军 杜深慧 樊劲辉 宋雪玲
摘 要：在工程教育专业认证和“互联网+”时代的新形势下，基于OBE教育核心理念：“以学生为中心，以产出为导向，持续发展”，结合网络教学平台，对《自动控制原理》课程进行多方位教学改革研究和探索。以产出为导向，优化课程教学内容;以学生为中心，将网络教学平台的优势融入课程资源建设和教学模式改革中，弥补课堂教学的不足;利用网络教学平台大数据功能，建立反馈机制，强化持续改进;借助现代科学工具改革试验教学。
关键词：学生为中心;OBE;工程教育;自动控制原理;教学改革
一、绪论
《华盛顿协议》是工程教育本科专业认证的国际互认协议[1]。2016年6月我国正式加入《华盛顿协议》。随后，工程教育专业认证成为我国高校的新风向标[2]。工程教育专业认证的核心理念是OBE理念，即：产出导向教育（Output Based Education，OBE）[3-5]。在“互联网+”时代下，国内高校相继推出超星、学堂在线、蓝墨云班课等网络教学平台[6]，掀起了教学模式改革的浪潮，对传统意义上的教学提出了新挑战。在工程教育专业认证和“互联网+”时代新形势下，作为自动化专业的核心专业基础课程和考研课程，基于OBE教育理念，结合网络教学平台，实现对《自动控制原理》课程的多方位教学改革具有重要的意义。
二、自动控制原理课程现状分析
《自动控制原理》课程是自动化专业的核心课、必修课，也是控制类专业研究生入学考试的必考课，在自动化专业本科生教育中占有举足轻重的地位。课程包含80学时，其中实验占6学时。课程内容主要涵盖：控制系统数学建模、线性系统时域分析、线性系统根轨迹分析、线性系统频域分析、系统校正、线性离散系统分析、非线性系统分析七大部分。课程主要内容可归结为控制系统建模、系统分析和控制器设计三大部分，各部分均需要大量的运算和绘图，课程具有理论性强、内容抽象、数学推导和计算量大的特点。然而，现有部分高校师资比制约，课程实施的是大班教学，学生层次不齐，课堂管理和作业辅导均具有巨大的挑战性。由此带来“学生难学”和“教师难教”的“两难”局面，因此，我们主要从教学内容、课堂教学、实验教学三大环节对《自动控制原理》课程进行了多方位的改革探索，坚持以OBE核心理念“学生为中心，以产出为导向，持续改进”为准则，利用网络教学平台弥补传统教学的不足，促进教学效果的提高，实现课程培养目标。
三、新形势下课程教学改革措施
（一）以产出为导向优化教学内容
基于OBE的教育理念，以产出为导向，根据课程目标对教学内容进行优化设计。从基础理论出发，淡化复杂的结论推导过程，强调理论应用方法，紧跟专业工程认证理念，融入人工智能前沿科学，将有效解决复杂工程问题作为最终的教学目标，注重理论的实际应用。如数学模型建立部分以水箱液位控制系统为引导，进行系统数学模型建立内容的讲解，引导学生掌握建模理论的同时理解实际应用，且起到激发学习动机的作用;又如根轨迹分析部分，删除复杂根轨迹法则的证明，淡化推导过程，强调结论和如何应用其分析系统性能，解决实际问题。
（二）构建线上资源实现“学生为中心”的教学模式
近年来，翻转课堂教学模式逐渐融入传统教学模式中，但其适合小班教学，且受教室场地和课堂网络制约。而部分高校《自动控制原理》课程上课学生基数较大，教师和教室资源有限，实现小班教学难。因此，照搬他人翻转课堂教学模式教学效果非常有限。基于此，课程组本着“学生为中心”的教育理念，采用线下多媒体教学为主，辅以线上资源作为有效和必要的补充的形式，提高学生学习的效率。主要从以下几方面对课程教学环节进行改革：
（1）整合课程线上资源，具体内容框图如图1所示。录播“微课”小视频，将课程按知识点进行分解，对应每个知识点录制不多于20分钟的小视频;录制复习视频资源，对每章重点内容进行梳理、总结;整理客观题目，针对每节课知识点设计相应的客观题目;整理章节试题资源，针对每章重点内容设计试题，包含主观题和客观题;建设课程试卷库，针对全课程内容设计综合性题目，结合基础试题，进行合理组合形成课程试卷库。
（2）分解课堂教学为“预学-共同-延学”三个模块，具体方案框图如图2所示。预学的主要任务是让学生课前了解本次课课程目标和课程内容、完成定制的预习任务，能够带着问题去学习;共学强调的是学生和老师的共同学习，从教师一味讲授、学生被动接受转变成师生都做学习的主体，增加师生间和生生间的交流互动;教师将知识点进行碎片化，分别讲解每个知识点的要点，分析其关联性和层次性，突出主次，提出重点和精讲内容;利用项目驱动式教学方式调动学生的学习积极性，培养学生的创新发散思维能力;设计分组讨论的学习方式，促进学生间的互助，培养学生的沟通和协作能力;引导学生绘制思维导图，加深对各章知识点关联性的理解，以及对章节内容的归纳和总结;结合构建的线上资源—客观题目，促进学生对知识的内化。延学注重的是课后对知识理解的升华，利用线上资源—“微课”小视频，学生可结合自身情况反复观看，理解课程的难点和重点;通过线上资源—复习小视频，可促进学生思维导图的构建，让学生明确阶段性学习内容;定时发布线上资源—章节试题资源，综合考察学生的阶段性学习效果，让学生和老师都做到心中有数，为“持续改进”指明方向;课程复习阶段发布线上资源—課程试卷库，有助于学生对课程全部内容查漏补缺，进行针对性复习。
（3）增强课程的持续改进环节。利用网络平台大数据的功能，寻找学习“漏洞”，合理调整预学、共学、延学的方案;如根据预学任务完成度和达成度，合理调整上课教学方式和制定后续预学任务;又如根据平台对学生学习参与度、试题正确率等方面的数据分析，调整上课内容和设计教学环节;总之，本着持续改进的原则，建立完整的反馈机制，形成学习-反馈-再学习的闭环，提高本课程培养目标的达成度。 （三）借助现代科学工具实现实验教学改革
改革课内实验教学环节，借助现代科学工具（虚拟实验和Matlab软件）加深学生对抽象理论知识的理解，通过直观的实验结果和学生对仿真结果的感性认识，加强学习的牢固度和灵活性。利用虚拟实验教学，由于具有人机交互性强、操作灵活、随意发挥、使用方便的特点，可一边操作一边观察实验结果，克服了硬件实验对场地、人数的限制，且可多次反复实验，强化学生理论联系实际的能力，使学生做到学以致用;借助Matlab仿真软件进行实验教学，弥补硬件实验实验内容单一、模型相对固定的不足，同时可加强学生对知识的分析和理解能力;如二阶系统阻尼比变化对系统单位响应的影响，单纯靠教师几个图讲解，学生体会不够深刻，而借助Matlab可修改参数，看响应曲线的形态，让学生印象更加深刻;又如系统校正部分，校正原理和计算内容较枯燥，而利用Matlab仿真软件可形象生动的显现出校正的效果，提高学生的学习兴趣。
四、结语
基于“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”的OBE核心理念，对《自动控制原理》课程教学环节从课程内容、课堂教学和实验教学三大环节进行研究。旨在探索一种适合《自动控制原理》课程特点（课程内容多、理解难度大，上课人数多等）的新型教学方式，在教学过程中强化工程认证理念和应用能力的培养，使学生做到“学理论-会分析-能应用-有创新”。本文提出的改革措施，能够促进学生学习兴趣，提高课程学习效果，有助于培养学生创新能力和解决工程复杂问题的能力。
参考文献：
[1]邢灿华，徐开芸.专业认证背景下《自动控制原理》教学中的几点思考.教育教学论坛，2019，50：245-246.
[2]百度百科，工程教育专业认证：中国高校新的风向标[EB/OL].南方教育，2018-10-03.
[3]李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014，17：7-9.
[4]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014，2：29-34.
[5]陆鑫.OBE工程教育模式下课程教学设计研究[J].计算机教育，2017，10：135-139.
[6]朱纯兵.“互联网+”时代大学课堂“抬头率”研究——以自动控制原理为例.现代商贸工業，2019，36：164.
课题：河北科技大学教育教学改革立项项目（2019-QNB02）
*通讯作者：武晓晶（1985-），女，汉族，河北石家庄人，博士，副教授。
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