基于OBE理念的自动控制原理实验课堂教学改革与实践

朱婕 徐刚

摘 要：本文从工程教育专业认证角度出发，以OBE为理念，在分析历年自动控制原理实验课程存在问题的基础上，对实验课时、教学手段，实验项目、考核体系等方面进行相应的实践教学改革并取得一定的阶段性成效，这将有助于高校控制类专业实践教学质量的提升.实践成效验证了改革与研究的有效性.

关键词：工程教育专业认证;OBE;自动控制原理;实践教学改革

中图分类号：G642.0  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）12-0149-03

众所周知，工程教育专业认证遵循三大理念：成果导向，以学生为中心，持续改进.其中成果导向教育（Outcome based education，OBE）亦称能力导向教育，本着这个原则，为了以学生发展为中心，以学生能力提升（即OBE理念）为导向[1]，而《自动控制原理》作为《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中规定的自动化类专业一门非常重要的核心课程，其实验课程对理论课内容的理解有着举足轻重的作用，而以往的该实验课的课程目标、教学内容、教学方法等已经不能很好适应工程教育专业认证的要求.本文从机工程教育专业认证角度出发，以OBE為理念，分析自动控制原理实验课程教学中存在的不足，并就课程进度和实验项目、教学方法和手段以及课程考核评价体系制定等方面的教学实践进行探讨.

1 高校自动控制原理实验课程的现状

1.1 实验课时安排不合理

高校普遍存实验教学课时安排较少的情况.教师为了完成教学任务，只能在有限的课时内选取对重要的理论内容来设置实验项目，而每个实验项目的难易程度又不尽相同，但是设置每次实验课的课时又是统一的，使得一部分学生在有限的实践课堂教学时间出现错误时，没有足够的时间去分析和判断，并最终找到问题所在，而另一部分能力强的学生完成实验后又无所事事.

1.2 实验项目陈旧，没有层次

目前，实验课程的项目基本是确定好的，一份实验指导书可以使用数年，导致其中的实验项目既陈旧又单一，从表1中可以看出综合性实验仅占25%，其余均为验证性实验，更没有设计性的实验，缺乏对学生通过实验独立发现、分析和解决问题的能力培养，由此造成学生创新意识的缺失.学生在实验过程中只需要根据步骤执行即可得出预期的结果，没有创造性和设计性，很大程度上抑制了学生的创新能力.

1.3 实验教学手段的模式保守

目前自动控制原理实验教学比较单一，实验可操作性不强，不利于培养学生的设计思维和实际操作能力.传统的实验主要是基于Matlab的软件仿真实验模式，另外一种是通过自动控制实验箱连线的教学实验模式.两种教学模式各有利弊，无法针对不同能力的学生做不同的项目练习，达不到以学生为本的要求.

1.4 实验教学的考核方式模糊

课程考核的目的在于了解学生对该实验课程知识和方法的掌握情况，历年该课程的考核方式并没有明确，很多情况下把最后一次实验内容作为实验考核，这样教师并不能很好的了解学生对这门实验课的掌握程度，也不能很好的体现每一个学生的能力.

2 实践教学改革

针对在实践教学中遇到的问题，思考如何提高高等教育自动控制原理实验课程的质量，本文分别从以下方面进行了思考与阐述.

2.1 实验课时合理化

实践教学工作没有提前的计划和准备，就不可能获得良好的教学目的，所以要好好对照检查，及时纠偏，及时总结.针对课时安排不合理的现象，在设置实验课时的时候，按照每个实验内容和实验项目的难易程度来设置相应的课时数，这样就可以合理安排进度，又避免学生为了应付，放弃实验或者不求甚解，匆匆了事的现象.

2.2 教学手段多样化

为了以学生发展为中心，以学生能力提升（即OBE理念）为导向，在自控原理实验教学中使用一种虚实结合的实验教学方式，就是在教学中结合虚拟仿真模式和硬件模式的优点，即一种虚实结合的教学方法，对实验项目进行合理设计，使学生进行“自动控制原理”课程实验后，既能实现对控制理论的思考，也能获得对控制系统的具体实现和调试的切身体会，在实验过程中实现对理论内容的升华，提高学生的工程实践应用水平.改革前后教师授课模式和学生上课模式的对比见表2.

由于虚实结合的教学方法具有综合性的特点，学生能够综合运用《模拟电子线路》《信号与系统》《自动控制原理》《现代控制理论》等相关课程的相关知识，可以根据学生的学习能力和专业本身的特点进行相应模块化的内容组合设计，可以考查控制类专业学生在以下几个方面所掌握知识的程度.

1）能够正确运用好电子电路硬件电路模块，通过模拟电路的学习正确理解各种反馈在电路设计中的重要意义.

2）能够正确分析和描述各种波形的参数意义，并能够结合相关理论知识掌握确定参数的具体计算方法和步骤.

3）通过软件仿真（matlab和multisim）、学习掌握软件仿真的操作、使用、理论计算分析等环节，提高学生综合实验数据分析的能力，理解工程环境下不同软硬件结合的功能实现，引导学生在实验报告、实验分组讨论、小组答辩等环节中进行充分理解和讨论.

4）要求学生在实验前预习，能训练学生的仪器使用、线路搭建的能力和思维逻辑性;在实验过程中，通过小组合作促使学生协作学习，发动小组讨论，加以教师引导，促进学生分析实验结果，并对比理论结果找出差异、分析原因;课后利用虚拟实验体验实验过程，促进学生反思和深度学习，从而培养学生实践能力和应用能力.

2.3 实验系统和实验项目改进化

2.3.1 实验系统的改进

为了提高教学质量，提高学生的兴趣，按照OBE的教学思路，新的实验教学系统采用集成化设计思路，结合了电路设计、数据采集、数据处理和虚拟仪器技术[2]，可提供实体实验所需的硬件电路，并且能够提供仿真软件，完成硬件实验模式，和软件仿真实验，同时可根据教学要求两者有机结合实现虚实结合实验.系统可以进行理论计算，以matlab中的Simulink搭建控制系统框图并进行仿真实现，进行理论参数分析及计算.学生能够根据信号与系统分析和自动控制原理等课程的相关理论进行参数的确定和分析，注重参数之间的关联性和强耦合性.系统结构图如图1所示.

在实验教学过程中采用的实验平台系统主要由虚拟部分和实践部分组成.实验台提供各种电路，实验过程中根据实验需要可以进行灵活调用、构成自动控制系统的各种典型环节和系统，满足不同硬件实验的需求.同时结合信号发生器、数字示波器等仪器仪表，可以实现模拟电子电路、信号系统与分析等硬件电路实验的需求.通过实验掌握运算放大器、阶跃电路产生、空间状态方程等主要专业知识点，利用放大器件、信号发生器、波兴器等功能模块和仪器实现各种电路的基本功能.虚拟部分主要台式计算机构成，计算机内安装Matlab仿真软件和Multism形成虚拟电子工作平台，实现实验系统的软件仿真，同时联合信号发生器、虚拟示波器等作为实验系统所需的信号源和测试仪器，形成集模型仿真、电路仿真和硬件电路系统调试、软件硬件结合的教学实验设备.实验平台结构原理图如图2所示.

2.3.2 实验项目的改进

任课教师要对照课程标准，强化自身对实践教学细节化思考，动态调整教学深度[3].所以自动控制原理实验课程在OBE理念下，根据学生能力的不同，对实验项目进行改进，增加设计性、提高性的实验，以达到锻炼学生的目的.实验改革后实验项目及学时数表格见表3所示.

从表3可以看出，综合性和设计性实验项目的比重大大增加，整个实验课堂教学内容非常饱满，相应的来说，学生的积极性就会提高很多，不同程度的学生完成不同程度的实验内容，而对于能力比较强的同学，在完成基础的验证性实验之后，可以进行提高性实验的训练，可以使学生能力发挥到极致.

2.4 实验考核制度体系化

传统的实验成绩主要是以出勤率和实验报告作为主要依据，这样的方式不能够把每一位同学的掌握情况都那么清晰的显现出来.在采用虚实结合的教学方法后，为了提高学生学习的主动性和参与度，本课程建立基于学习过程的课程考核体系[4]，每次实验课时可以对每位学生的每个步骤进行打分.

1）在软件部分完成以后，可以对学生的完成情况进行评分

2）硬件操作结束之后，再对每位学生的完成度进行评分

3）针对尝试更多设计方法和参数调试的学生进行鼓励性加分

这样一来，平时成绩中的操作部分将会占有很大比重，从而弱化传统教学中实验报告占据大比重的现象，具体分配如下：实验考核包括实验平时考核和实验期末考核两部分;实验考核成绩=实验平时考核成绩×70%+实验期末考核成绩×30%.实验期末考核方式为操作加笔试.（表4）

3 改革成效

3.1 竞赛成果

近年来，经过提高性和自主设计性实验项目训练的学生，很多都自行设计制作作品参加各类比赛，均取得了良好的成绩.图3为部分学生参赛获奖证书.

3.2 项目成果

经过自控实验的教学改革后，学生的科学实验能力、创新能力都得到不同程度的提高，部分同学可以自己主持或者参加各类项目，比如大学生创新创业项目，支持百名优秀学生课外科技实践创新活动基金项目等等，项目名称如表5所示：

4 总结

基于OBE理念的自动控制原理实验课程改革和实践已经刻不容缓，以学生发展为中心的成果导向是今后工科专业课程建设的必由之路，也是反哺教学提升学生动手实践能力的重要途径.本文在总结当前自动控制原理实验课存在问题的基础上，以成果导向教育和学生能力提升为理念对该实验课程进行了教学改革和实践，有效提升创新能力，使学生对专业知识的接受更为准确.通过系统性的实验教学环节可以有效帮助学生理解好专业教学内容，提高學生的能力，培养更高质量的综合性人才.

参考文献：

〔1〕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）：7-10.

〔2〕李文锋，高金山，李尚锋.基于EP7312的嵌入式频谱分析技术[J].电子设计应用，2004（11）：94-97.

〔3〕蒋定福.高校实验教学存在的问题及其对策[J].中国教育技术装备，2006（11）：16-17.

〔4〕张翠，曲春波，牟红安，赵建萍.《营养健康管理》课程过程性考核模式对培养人才的实践研究[J].经济研究导刊，2018（32）：80-82.