基于OBE理念的现代控制理论教学改革研究与探讨

王俊伟 杨俊玲

河套学院机电工程系，内蒙古 巴彦淖尔 015000

为了使中国的高等教育与世界接轨，2016 年，我国高校正式加入《华盛顿协议》。工程教育专业认证是为了给工程类专业毕业的学生进入企业工作提供教育质量保障，而通过专业认证机构对工程类专业进行的专业认证。工程教育专业认证的核心理念是“产出导向教育”（Output Based Education，OBE），其核心要素包括：以学生为中心、以产出为导向、持续发展。基于OBE 理念，改革现代控制理论课程教学对提高毕业生的教育质量具有重要的意义。

现代控制理论课程是自动化、电气自动化和机械电子等专业的必修专业课。该课程以自动控制原理线性代数和矩阵论课程为基础；教学内容包括控制系统的状态空间模型、系统运动分析、能控性和能观性分析、系统稳定性分析、状态反馈控制器设计、状态观测器设计和线性二次型最优控制。该课程的学习，可使学生具备控制论的理论分析和解决复杂控制系统实际问题的能力。

随着大数据、“互联网+”和人工智能的发展，传统教育理念下培养出的人才与社会需要存在一定的差距。为了适应社会对毕业生的需求，基于OBE 理念，课程组对现代控制理论的课程内容、课堂教学和实验教学三个方面进行了改革与研究。

一、现代控制理论课程存在的问题

学生基础比较薄弱，尤其是数学课基础。课程主要采用讲授法、案例教学法和实验演示法进行教学。讲授法主要是指通过板书理论推导和多媒体辅助的手段完成教学。案例教学法也有应用，但是应用得较少。实验演示法主要是采用理论仿真实验的形式进行实验教学，也有一部分实物的演示实验（例如倒立摆实验），但是应用得比较少，更不要说将人工智能中的机器视觉应用到实践教学中了。因此，本课程目前的教学方法和手段比较传统、单一，这是教师存在的主要问题。由于该课程有大量的理论公式的推导，部分学习基础薄弱的学生对该课程存在厌学心理。因此，教师可多采用案例教学法，淡化理论公式的推导。实验教学方面可以采用理论仿真和实物实验互补的方式，教师应开发更多应用型实验，与当今时代发展相结合，比如控制论的实际应用与人工智能中的机器学习相结合等。

重视理论教学、淡化实践教学是目前应用型本科院校定位不准的主要问题，教师教学主要以理论为主，教师工程实践能力较弱，课程教学与工程应用结合程度较低。这种侧重学生对理论知识的掌握能力、淡化课程实践教学的模式，使学生将理论应用于实践的能力比较弱，很难适应现代工程教育专业认证理念。而河套学院是一所专升本的本科院校，教师大部分来源于专科院校，部分教师科研能力较差、工程应用能力较弱；新进教师的学历主要是硕士研究生，没有企业工作背景，科研能力和工程能力较差；少数学校招聘来的博士研究生的专业主要是电子技术、生物、农业和材料学科的冷门专业，博士与所属系部专业不完全相符，对学校专业发展作用有限。因此，课程改革必须解决上述教学中存在的问题。

二、新形势下的现代控制理论课程教学改革

传统的教学方法和手段已不符合现代控制理论课程的教学要求，教学效果也不理想，培养出的学生与企业的需求严重脱轨。这种情况下，对现代控制理论课程教学进行改革势在必行。

（一）教学方法和手段的改革

课程教学的改革主要是对现有的教学方法和手段进行改革。教学方法应侧重以案例教学法为主，教学手段应更加多样化，除了采用板书、多媒体演示和实验室实物演示等手段，还可以采用企业观摩和科研项目完成的方式进行该课程的教学。

案例教学法的实施是基于OBE 理念，以产出为导向，根据课程目标，对教学内容进行设计和优化。理论教学应从基础理论出发，以实践应用为目标，淡化理论教学和理论公式的推导。理论教学应该与实践结合起来，任课教师可利用业余时间申请和收集其他教师的科研课题进行研究，将课程的讲授与项目相结合，进行控制系统的建模、分析、设计、仿真和实践应用，真正地将实践教学与理论教学有机结合，使学生真正受益和获得知识。教师也可以利用课本中具体的实践应用型案例，如双级倒立摆案例，进行课程理论知识讲解，之后让学生对其进行数学建模，将建模后的非线性系统等效成线性系统，对线性系统进行分析、设计、仿真和实际应用，找出实际应用的倒立摆控制方法和理论方面倒立摆控制器设计的差别。以工程产出为导向，也可以采用启发式教学方法，如启发学生如何在工程实践中利用双级倒立摆控制算法、PID 控制和模糊控制在实践中怎么实现控制，从而锻炼学生的理论数学建模能力和在工程实践中分析系统性能、解决实际问题的能力。

教学手段的实施也要以OBE 理念为指导。本课程采用企业学习与观摩的方式，让学生了解和指导现代控制理论课程知识在企业中的应用，比如航空航天中的飞机和导弹的控制，学生只有亲身经历、了解和学习了这方面的知识，才会知道该课程在实际中的应用价值，才会对该课程产生兴趣，才会找到学习该课程的方向。

我们可以科研项目的完成来达到更好的教学效果。教师把科研项目中的一个应用型问题提炼出来，让学生以小组的形式完成该项目，通过项目对课程内容进行巩固和提高。

现代控制理论课程应针对不同的学生采用不同的教学方法。对于部分基础薄弱的学生，可以加强他们的数学知识训练；对于部分觉得课程理论性强、在实践中应用不大的学生，可以帮助他们加强该课程知识在实践中的应用，课堂教学淡化理论推导。

另外，由于课堂教学时间的关系，教师既要完成理论的讲授，又要让理论与实践案例相结合，这给教师带来了挑战。基于此，我们采用线上板书、多媒体演示、实验教学演示、企业实习观摩和参与科研项目的教学手段，线下以微课为教学的补充形式，从而有效地提高了学生的学习效率和学生对该课程的掌握程度。

1.完善线下课程教学

具体内容如图1 所示。教师线下根据课程内容，有针对性地录制该课程所涉及的数学知识的小视频，让学生在假期或课下的时间学习，为更好地学习该课程打下基础；录制现代控制理论课程内容小视频，将课堂上的教学内容分成具体的知识点进行讲解，尽量通俗易懂，课下通过微课去弥补学生不懂的知识；每一章都设计有具体的试题，为了防止学生抄袭作业，针对学生课堂表现和学习程度，让不同类型的学生做不一样的章节测试题，使学生真正地动起来；建立课程试卷库，设有综合题、设计题和客观题，题量较多，让学生在期末考试之前加以训练；建立科研项目，最少有20个题目，以2人为一组完成其中一题，使学生深刻了解该课程知识在实践性中的应用。

2.改革课堂教学模式

基于以学生为中心的教育理念，保留传统教学的优势，比如对现代控制理论课程尽量采用板书而不是多媒体教学。对一些具体的理论推导来说，板书式教学更容易让学生理解。但也要对现有的教学模式进行改革，如采用课下预习、课堂测试和课下作业模式。具体的课堂教学新模式如图2所示。学生通过学习微课小视频进行课下预习；通过每节课的当堂测试，教师可以了解每个学生对知识的掌握程度，为课下作业布置和及时了解学生的学习状态提供依据，以便更好地调整教学方法、服务课堂教学、提升学生主动学习的能力。

（二）实验教学改革

由于该课程的理论性比较强，该课程的实验教学主要利用MATLAB 仿真软件来开展。因此，基于OBE 理念，以产出为导向，针对目前该课程实验教学的弊端，课程组提出以下几个实验教学改革措施。

其一，MATLAB 仿真实验主要停留在验证性实验上，所以应开发更多的设计性和综合性仿真实验，以提高学生分析问题和解决问题的能力，为学生具备一定的研究能力打下基础。

其二，实验教学应与教师主持的科研项目相结合。实验以项目中模型的搭建，模型的数学建模，模型控制器的设计、分析、仿真和实际应用为线路，提炼出综合性和创新性实验。

其三，鼓励学生进行大学生创新创业科研项目的申报和参加一些专业竞赛。教师对学生科研项目进行指导，一方面可以锻炼学生写作专业论文的能力，另一方面可以锻炼学生解决实际工程项目的能力。

其四，工程训练和为期1个月的企业参观学习也作为实验教学的一部分，让学生消化企业生产的工艺流程，了解当前控制理论在实践应用中比较成熟的算法，了解当前理论与实践相结合的情况。这样既开拓了学生的眼界又使理论与实践不相脱节，激发了学生学习的积极性。

课程实验的改革措施改变了当前我校大学生工程经验不足和解决实际问题能力较差的现状。

三、结束语

在“互联网+”和工程教育专业认证的大背景下，基于OBE理念——“以学生为中心，以产出为导向，持续发展”，课程组对现代控制理论教学中的教学方法、教学手段和实验教学三个方面进行了改革和研究，目的是探索一种适合本校学生的现代控制理论课程的新型教学模式，改变传统的重理论轻实践的传统教学模式。文章基于OBE 理念，既保留传统教学的优势，又在传统教学的基础上进行了改革，最终让学生做到懂理论、会应用、会分析和会创新。希望通过这些改革措施，能提高学生分析和解决复杂工程问题的能力，培养出更多、更优秀的学生，以更好地为企业服务。