基于OBE理念的林业“自动控制原理”实践教学改革探索

赵燕东，韩巧玲，刘卫平

（北京林业大学 工学院，北京 100083）

引言

OBE（Outcome-based Education）打破了几十年来的教学理念，为大学培养目标的设定提供了一种全新的视角［1］。强调培养学生的工程实践能力，要求遵循以成果为导向，全面提升学生分析和解决实际工程问题的能力。它以行业需求为出发点，要求教育者制定本专业学生毕业5年后达到的培养目标，再根据培养目标制定学生经过4年本科学习能达到的毕业要求，最后根据毕业要求，构建毕业达成度指标，并针对毕业达成度指标设置课程体系。

“自动控制原理”实践课程是高等学校本科自动化、电气工程及其自动化、电子信息类等专业的重要专业基础课［2］。随着智能控制技术的高速发展，自动控制技术在航空航天、工业控制、智能家居、国防等诸多领域得到了越来越广泛的应用。“自动控制原理”是大多数工科专业学生必修的专业基础课，具有实践性强的特点，对培养学生的工程实践动手能力和创新意识至关重要。其实践教学以自动控制理论知识学习后的理论验证和实践创新为主要内容，学生通过“自动控制原理”课程的学习，有助于树立严肃认真的科学作风和理论联系实际的工程观点，对科学思维能力、分析计算能力、实验研究能力和科学归纳能力的培养具有重要的作用。为学习后续专业课程准备必要的自动化技术知识。本文以新工科专业“自动控制原理”实践教学体系为例，进行基于OBE理念的反向实践教学体系设计，精炼各实践教学环节的教学目标，然后在此基础上进行教学过程设计。

一、“自动控制原理”实践教学的特点

“自动控制原理”实践课程具有理论与实践结合紧密和创新空间大的特点［3］。

1.理论与实践结合紧密。理论课程不仅基础知识点多，经典理论多，数学推导多，而且应用性强。这些特点在提高了对验证性实践课程设计要求的同时还要求密切结合行业需求设计实验，理论与实践相结合，相互促进。

2.创新空间大。在验证性实验中，“自动控制原理”实践教学要充分结合前期课程，将自动控制理论融入实验设计。例如，可以采用电路设计验证自控理论知识，在电路设计中，采取不同的连接方式，同样的电路元件可以构成不同的电路，发挥不同的作用，达到验证的目的。课程的这一特点，扩充了电路设计的创新空间，提高了学习的趣味性，为发挥学生在学习中的主观能动性提供了条件。在设计性实验中，要求学生将自动控制原理的理论知识与实际工程案例结合，通过设计电路模型，对实际工程问题进行分析研究，并通过研究结果指导工程实践，解决实际需求。

二、“自动控制原理”实践课程的问题思考

1.“自动控制原理”实践教学内容对自动化专业毕业要求的支撑度不够。目前的实验项目是以知识点为基础的，没有遵从“OBE”理念，体现不出以成果为导向、以学生为中心、持续改进的办学思想。

2.理论教学与实践教学脱节。自动控制原理理论性强，抽象难懂，现有教材一般都不涉及理论与实际的联系问题，内容大多为理论验证性实验，缺乏理论与实践的紧密结合，很少给出物理意义或者是工程意义上的解释。在一定程度上限制了学生工程实践能力的培养。

3.实验项目单一，且缺乏前沿性。目前自动控制原理实验项目大多是验证性实验，虽然有极少数的综合性实验，但谈不上自主设计性和创新性，缺乏对学生通过实验独立发现、分析和解决问题能力的培养，难以调动学生的创新热情，教师更是难以根据不同学生的具体情况做到因材施教，抑制了学生探索精神的发展，难以提升学生主动学习的积极性和创新性。

4.实验教学手段保守。当前“自动控制原理”实践教学多是基于试验箱或者MATLAB仿真进行的，可扩展性不强，无法做到针对不同水平学生进行不同的实验设计，单一呆板的教学手段很难激发起学生的兴趣，不利于培养学生的设计思维和实际操作能力，教学效果受到很大的影响。

5.实验课程的考核评价机制不完备，不能科学、客观地评价学生的工程实践能力［4］。

三、OBE理念下的“自动控制原理”实践教学改进

在“自动控制原理”实践教学改革过程中，教学团队遵循OBE理念，以成果为导向，着力培养学生分析问题、解决问题的能力。制定符合OBE理念的自动控制原理实践课程目标、教学内容，改革完善教学手段，构建过程化、多元化及作品化的评价方式。培养学生沟通协调、自主终身学习的能力，促进学生知识、能力和素质的全面提升。

1.“自动控制原理”实践课程目标的改进。对OBE理念办学进行探索，深入林场、企业、机关单位进行社会调研，收集行业需求，明确行业对“自动控制原理”课程培养目标的需求，在遵从教育部培养人才基本要求的基础上，根据专业培养目标和毕业要求设定本课程的达成度目标。

课程目标：“自动控制原理”实验课程注重将自动控制系统的基本概念、基本原理及基本方法和实际系统相结合，采用从系统数学模型建立，到系统动态特性和稳态特性分析，再到系统综合校正，最后是特殊系统分析的实验教学体系，力求使学生将理论学习通过实验来验证、设计、分析，完善和提高教学效果。剖析分段课程子目标，通过本课程的实验训练，使学生具备下列能力，以达到对毕业要求的支撑作用。

课程目标1：能够应用工程数学、物理学和控制理论基本知识表述控制工程问题，建立实际工程系统的数学模型，并能将数学模型转换为模拟电路的实现模型，能确定模型对应的元器件参数，理解实验建模的局限性。

课程目标2：能够运用控制理论的时域法、频域法和根轨迹法对控制工程问题进行稳定性、动态性能和静态特性的理论分析，设计实验电路并进行系统调试，给出有效结论；能够进行实验结果和理论结果对比分析并给出合理结论。

课程目标3：能够对复杂工程问题进行有效的文献检索和应用，以获得有效结论的能力，并能够应用控制理论的基本原理和基本方法，对复杂工程问题的实际要求进行分析和提炼，考虑各种制约因素确定有效的控制方案，并完成控制系统方案设计、参数确定和系统实验综合。

课程目标4：能够对复杂工程问题建立自动控制系统数学模型和实验模型，进行控制系统实验分析与计算，并能有效合理地分析实验结果，获取有效的结论。

课程目标5：能够利用MATLAB/Simulink软件工具进行复杂工程问题的数学建模和仿真研究，给出有效的结论，并能理解其局限性。

2.实践教学内容的改进。在OBE理念指导下，充分挖掘“自动控制原理”实践教学环节对相关专业毕业要求的支撑度，结合林业科研项目，搭建林业“自动控制原理”实践教学案例，在保持原有验证性实验的基础上，增加科研反哺设计类等实验教学内容，提升实验内容的设计性及创新性。改革前后实践教学内容见表1［5］。

表1 改革前后实验项目对照表

学生可以根据自己的实际情况选择不同类型的实验，既可以选择理论验证类实验，也可以选择更具有创新性与自主性的科研反哺设计、综合设计及专业拓展类实验，给每类实验都赋予不同的难度比重，用于区分学生的工程实践能力，充分调动学生的自主学习积极性。

除课内实验外，为培养学生的自主创新能力，教师根据课程整体的知识点和体系结构，结合教学团队教师的科研项目，设计了选做题目，供学生在课余时间选做。

3.实践教学手段的改进。一是实践教学手段多样化。使用虚实结合的实验教学方式，充分体现以学生能力提升（即OBE理念）为导向，以学生发展为中心，采用线上线下混合式教学模式，为学生推荐最新知识，让学生能够在课下使用网络等现代工具，针对性地对感兴趣的内容进行扩展［6］。在教学中结合虚拟仿真模式和硬件模式的优点，鼓励学生在虚拟仿真模式下对实验项目进行自主创新设计，结合硬件模式进行物理调试，既能实现对控制理论的思考，也能获得控制系统具体实现和调试方法的切身感受，在实验过程中对理论内容进行了升华，同时提高了学生的工程实践应用水平。二是案例库教学。结合科研项目搭建实践教学案例库，使学生通过“自动控制原理”实践课程的学习，具备了林业行业对本专业人才的实际需求。三是科研反哺教学。将科学研究的最新成果用于专业实践教学的新知识挖掘、师资培训及实践教学研究基地建设，将科研与实践教学密切结合。

4.考核评价方式改进。实践教学考核评价的目的有三：一是考核学生学习成果，二是检验教师的教学水平和成果，三是发现总结教学活动中的薄弱环节，为下一步的教学改进提供依据［7］。

目前“自动控制原理”实践教学考核评价主要存在以下弊端：一是当前考核成绩主要有两部分组成，分别为实验操作成绩和实验报告成绩，各占50%，大多数实验操作要么是根据实验指导书操作，要么是教师手把手指导操作，学生的学习态度、学习过程及学习积极性都不能得到充分的体现。二是学生可以根据自己的能力选择不同类型（验证类、科研反哺类、综合设计类及专业拓展类）的实验项目，增加实验答辩环节，培养学生对实验内容的理解及表述能力。教师则根据难度比重及完成情况评定学生的成绩，让每个学生都能通过考核成绩明确自己对本课程的掌握程度及努力方向。

考核成绩由四部分组成，分别为预习成绩、实验操作成绩、实验报告成绩和答辩成绩，各部分成绩占比分别为10%、40%、40%、10%，然后再乘以难度比重，见公式（1）。

其中：Ci——单项实验的成绩

X1——预习报告成绩

X2——操作过程成绩

X3——实验报告成绩

X4——答辩成绩

Ki——本次单项实验难度比重

实验课程总成绩为七个单项实验成绩的平均值，见公式（2）：

四、“自动控制原理”实践教学改革的成果

经过基于OBE理念的“自动控制原理”实践教学改革，教师和学生的教与学水平均得到了提升，特别是激发了学生的实践动手积极性。近两年来本专业学生积极参加各类竞赛和大创项目，取得了多项“自动控制原理”课程相关的学习成果，如获得全国大学生电子设计竞赛（北京赛区）一等奖6项、二等奖8项，获批国家级大创项目3项，省级大创项目3项，校级大创项目多项。

结语

基于OBE理念的“自动控制原理”实践课程改革是林业工科“电类”专业改革的必要一环，是工科专业课程建设的必由之路，也是反哺理论教学，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”实践教学存在问题的基础上，强调“自动控制原理”实践教学目标对行业人才培养目标的支撑作用，倡导科研反哺实践教学，提升“自动控制原理”实践教学的可行性及前沿性。基于OBE理念对该“自动控制原理”实践课程进行了教学改革探索，可有效提升学生的创新能力，通过科研反哺实验教学的案例库可以有效帮助学生深度理解林业行业对“电类”专业“自动控制原理”实践教学内容的要求，培养更符合林业行业发展需求的综合型人才。