基于OBE-CDIO理念的自动控制原理课程教学改革探索与实践

1、基于OBECDIO理念的自动控制原理课程教学改革探索与实践作者：张丽介婧朱文来源：高教学刊2021年第36期AI课饗曙界岂标乌毕业要求詣标点闻的映射輕阵菲业燮求抬标点培棘目标目捕对播坏点的支搏度L3塞抿专业拆囲知识，具有僚合应用抉理怖识r丄程知识111专业知识分折解决自动领域更凉丁稈闻题的能丿几课:程目标L强丈押2.2匪基予敷学、自蟋科半和H构科学煤评正硝表诂自动化壌域夏杂工埠问迸的数学模型.并期棋塑供:能进荷评析”课穆目捉2强支沖4芒能霧握搦文晞方案构姥实瞬最统，开険丈瞄硏宛，抉得有效宝船紘焉，井能辂对实遠救据逆佇莎折叮解强.课程目标2弱土沖na知IR学习*课堂対论、完曲课后作业线上教学线下

2、教学观看撤课觊频案钢思考、LJ”完成离试題和讨论帖图1线上线下混合教学模式设计方案CDIO3A时段划令思考并提出智能物流小牟初步按制方累.绘制控制框图菲于钢涉方案.利用建壤方法进行问题建模揑屯凍缰性曉分靳，提出竦舎校正方案目标踊向实际挖制购題井析艇力担制系城模观构性诜井驹和乘统校正屣力扔歩具疳心折和解决实羅控制工棍问魅昵力圈2基于cum的智腿肠流小车综各实验顼日设计具俸实施方壤表2课程目标达廉瓒核与评价方式及成绩评定标求指标点M与評价育如冶比倒阁壯硼平时成壊期索考试课程目#1毕业嬰求13251035踝程畠晞毕业52.21050毕94.2151S25101550100摘要：在新工科教育思想指导下

3、，基于OBE-CDIO工程教育理念，以学生为中心，以能力培养为导向，对自动控制原理课程教学改革进行探索。探究课程教学内容的反向设计，开发课程的网络教学资源并构建线上线下混合教学模式，设计基于CDIO的综合实验项目，改革课程考核方式。通过教学改革充分激发学生学习主动性，培养学生复杂工程实践能力，提高新工科人才培养质量。关键词：新工科QBE-CDIO;自动控制原理;教学改革中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：2096-000X(2021)36-0128-04Abstract:Undertheguidanceoftheeducationthoughtofthenewengineering,b

4、asedonOBE-CDIOengineeringeducationconcept，theteachingreformofAutomaticControlPrinciplewhichisstudent-centeredandabilitytrainingorientediscarriedout.Thispaperexploresthereversedesignoftheteachingcontent，developsthenetworkteachingresourcesofthecourseandconstructsonlineandofflinemixedteachingmode，desig

5、nsacomprehensiveexperimentalprojectandreformsthecourseassessmentmethod.Practicehasprovedthatthisteachingmodereformcanfullystimulatestudentslearninginitiative，cultivatestudentsengineeringpracticeability.Itisbeneficialtoimprovethetrainingqualityofnewengineeringtalents.Keywords:thenewengineering;OBE-CD

6、IO;AutomaticControlPrinciple;teachingreform随着“德国工业4.0”“中国制造2025”“互联网+”等概念相继提出，新一轮科技革命、产业变革也在加速进行。以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济对工科建设提出了一系列新的人才需求。2017年教育部提出新工科建设方案，将具有较强工程实践能力、创新思维能力，能够胜任行业发展需求的高素质应用型人才作为高校工程人才培养的基本要求1。新工科背景下的人才培养，离不开教学改革的实施。自动控制原理课程是面向自动化及其相关专业而设立的一门核心专业基础课，通过该课程的学习可使学生系统地掌握自动控制系统的基本概念、系统建

7、模、分析与综合的理论和方法，培养学生具备初步解决自动化及其相关领域内实际工程控制问题的实践能力，具有以反馈和优化为核心的系统观与思维方式。自动控制原理课程内容抽象、知识范围广、理论程度深，学生学习过程中普遍感觉枯燥难学，缺少学习兴趣和动力，影响其学习效果。特别是随着工程教育专业建设的推进，专业人才培养目标也伴随社会需求动态调整，若仍延用传统的教学模式和教学方法，对学生探索能力与创新能力培养不足，难以提高学生的工程素养，因此有必要对这门课程进行教学改革与优化。OBE（Outcome-BasedEducation），即成果导向教育，是工程教育专业认证最核心的教育理念，其宗旨为“以学生为中心，成果为

8、导向，建立持续改进机制。OBE教育理念已被普遍接受且广泛应用于各类人才培养中，有效推动了高等教育的各项教学改革，涌现出了丰富的教改成果3-6。按照OBE教育理念，在课程教学中教师需要以学生为中心，在教学内容、教学方法、教学评价机制等方面进行精心组织，以满足教学目标达成，最终实现使学生知识、能力、素质全面发展的目标。CDIO（ConceiveDesignImplementOperate）由Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实施）与Operate（运作）构成，体现了“任务驱动力”和“理实结合”的教育模式，可以提高学生学习过程中的主动性，培养学生的工程实践能力7。因

9、此，本文按照新工科教育需求，基于工程教育OBE-CDIO理念，探索“以学生为中心，以成果为导向”的自动控制原理课程教学改革设计与建设方案，从教学设计、教学模式、课程综合实验项目设计和课程考核方式四个方面全面实施课程教学改革，提高自动化专业学生的知识理解與应用能力、复杂工程实践能力，以满足未来新兴产业和新经济人才需求。一、课程目前存在的问题分析本课程目前的教学模式和方法存在以下问题：教学内容与“以学生复杂工程能力培养为导向”的工程教育理念相距甚远。作为经典控制理论，自动控制原理是学生学习先进控制技术的入门理论，也是学生建立“系统”观点进行问题研究的基本理论。然而，随着人工智能技术和互联网+技术的

10、快速发展，随着社会产业格局的快速变化，控制理论所对应的控制系统越来越复杂，规模越来越大，复杂控制问题往往需要借助多种理论在不同系统层面问题上进行求解，学生不清楚如何用相关知识去解决实际工程问题，减少了其学习热情和动力。教学模式与“以学生为中心”的教育理念距离较远。当前，本课程以传统课堂授课模式为主，电子资源为辅的授课方式，网络资源内容较局限，无法为学生提供丰富的、可移动的、灵活多样而不受时空限制的柔性学习方式，无法让学生成为学习的主体，从被动学习转变为主动学习。课程实验与理论内容相对分立，没有以实际控制工程的项目案例为牵引，难以系统有效地培养学生对实际复杂工程问题的独立研究、协同解决的能力和素

11、养。课程考核方式单一。当前课程考核采取的是将平时成绩、实验成绩和期末考试成绩按一定比例折算得出总评成绩的考核方式。这种考核方式对学生学习的过程评价考虑不够，教师无法动态掌握学生学习中存在的问题，不能根据教学反馈及时调整教学内容和教学手段，也不能有效调动学生的学习积极性。二、基于OBE理念的反向教学设计基于新工科建设要求及OBE工程教育理念，从本校自动化专业最新人才培养目标和毕业要求出发，综合考虑课程特点，首先明确了自动控制原理课程所支撑的毕业要求指标点，再以毕业要求指标点的能力达成为导向，采用逆向思维方式进行教学设计，将课程的培养目标确定为以下三点：课程目标1：了解控制系统的基本概念、结构组成

12、及工作原理，掌握反馈控制系统建模、分析和综合的理论及方法，能够基于数理及工程知识，对复杂工程背景下的实际控制问题进行原理分析。课程目标2：能够熟练应用控制系统的数学建模方法，以及时域、复域、频域等分析及综合方法，对复杂工程问题进行分析研究并获得有效结论，具有控制系统模型构建、性能分析和系统校正的能力。课程目标3：能够进行控制系统的实验方案设计，并通过现代仿真工具MATLAB進行实验分析及研究，初步具有分析和解决实际控制工程问题的能力。自动控制原理课程培养目标和毕业指标点间的映射矩阵，如表1所示。在此基础上，针对课程目标的有效达成分解课程内容，并逐一确定课程内容相对应的教学方法、手段，设计课程合

13、理有效的考核方式及课程目标达成的评价标准。三、线上线下混合教学模式研究混合教学模式是将传统课堂教学与网络教学方式有效结合，形成线上+线下的教学模式。混合教学模式有利于实现OBE教育理念，能有效发掘学生的学习潜能，将传统教学模式中学生被动接收知识转化为主动学习，增强学生参与感，提高学习兴趣，使学生的知识整合能力和思维能力得到扩展8。基于自动控制原理课程目标和课程特点，线上线下混合教学模式具体实施如下：一）网络教学资源建设明确线上线下教学任务分工，根据授课内容及知识点的划分，完善教学文档的信息化设计，包括教案、教学PPT、重点教学内容的微课视频录制、设计在线测试习题等。（二）基于网络资源进行线上教

14、学教师课前通过网络平台发布本周学习内容，推送微课视频、案例、相关阅读资料、测试题目、讨论贴等教学资源供学生进行碎片化学习。学生可根据需要灵活选择学习内容，通过在线资源的微课视频观摩进行课前预习，并完成教师发布的在线作业、测试和讨论贴。教师通过后台数据分析，可以了解学生的学习成果，根据学习情况反馈来调整教学内容及进度安排。教师可充分利用网络课程平台和课程QQ群，加强与学生的线上互动交流，对学生学习过程中遇到的问题进行答疑解惑。（三）线下教学设计与线上教学内容相互补的线下课堂教学教案，研究翻转课堂的教学方法，以问题驱动、案例分析、小组研讨等多种方式组织教学，在课堂上给出每个章节的任务和要求，使学生

15、掌握本章节的架构及目标任务要求，同时也作为知识点的导航，通过案例导出教学内容，系统讲授课程重点、难点内容，加深学生对所学知识的理解，有效进行各教学内容的学习，并推进实验项目的有效进展。课后完成教师布置的作业，进一步检测课程目标达成情况，图1是线上线下混合教学模式设计方案。通过以上灵活多样的教学方法和教学手段，可激发学生学习的积极性，培养学生分析与解决问题的能力。四、基于CDIO理念理实协同综合实验项目设计CDIO强调的是将教学与工程实践相结合，以项目为载体，让学生在学中做，做中学”的过程中获取知识，强化工程实践意识，提升专业能力和团队合作能力9。基于CDIO工程教育理念，以学生复杂工程问题求解

16、能力培养为导向，结合自动化专业的工程实践基础，以智能制造生产过程中普遍需求的智能物流小车为控制对象，构建课程的综合实验项目。（1）构思阶段：项目构思是一种具有创造性的探索活动，为培养学生的团队合作能力，首先将学生进行分组，3人一组，采用组长负责制。教师要先明确项目的具体要求，引导学生查阅智能物流小车案例背景资料，综合运用自动控制理论关于控制系统的相关知识，思考并提出智能物流小车初步控制方案，根据物流小车工作原理绘制控制框图。（2）设计阶段：将基于初步的解决方案利用控制系统建模方法进行问题建模;鼓励学生进行探讨验证设计的可行性。（3）实施阶段：根据系统模型特点，采用正确的理论方法进行控制系统性能

17、分析及计算，并对其提出综合校正方案。（4）操作阶段：采用MATLAB系统仿真软件对控制系统进行仿真实验及实验分析，以此验证所构思方案的正确性，形成一个实验闭环。学生需提交设计方案和报告，并汇报整个设计过程及设计方案的优缺点。图2以智能物流小车为例展示基于CDIO的综合实验项目设计的具体实施方案。实验项目按照构思、设计、实施、操作四个环节，将理论知识与实践内容相映射，以实际控制工程项目案例为牵引，推进“理实协同学习”方式，引导学生更好地通过理论学习探究最终解决方案和手段，实现从知识到能力的转化，从而有效激发其学习积极性和探索研究的兴趣，形成较系统的工程设计理念和科学研究思维方式。教学模式与“以学

18、生为中心”的教育理念距离较远。当前，本课程以传统课堂授课模式为主，电子资源为辅的授课方式，网络资源内容较局限，无法为学生提供丰富的、可移动的、灵活多样而不受时空限制的柔性学习方式，无法让学生成为学习的主体，从被动学习转变为主动学习。课程实验与理论内容相对分立，没有以实际控制工程的项目案例为牵引，难以系统有效地培养学生对实际复杂工程问题的独立研究、协同解决的能力和素养。课程考核方式单一。当前课程考核采取的是将平时成绩、实验成绩和期末考试成绩按一定比例折算得出总评成绩的考核方式。这种考核方式对学生学习的过程评价考虑不够，教师无法动态掌握学生学习中存在的问题，不能根据教学反馈及时调整教学内容和教学手

19、段，也不能有效调动学生的学习积极性。二、基于OBE理念的反向教学设计基于新工科建设要求及OBE工程教育理念，从本校自动化专业最新人才培养目标和毕业要求出发，综合考虑课程特点，首先明确了自动控制原理课程所支撑的毕业要求指标点，再以毕业要求指标点的能力达成为导向，采用逆向思维方式进行教学设计，将课程的培养目标确定为以下三点：課程目标1：了解控制系统的基本概念、结构组成及工作原理，掌握反馈控制系统建模、分析和综合的理论及方法，能够基于数理及工程知识，对复杂工程背景下的实际控制问题进行原理分析。课程目标2：能够熟练应用控制系统的数学建模方法，以及时域、复域、频域等分析及综合方法，对复杂工程问题进行分析

20、研究并获得有效结论，具有控制系统模型构建、性能分析和系统校正的能力。课程目标3：能够进行控制系统的实验方案设计，并通过现代仿真工具MATLAB进行实验分析及研究，初步具有分析和解决实际控制工程问题的能力。自动控制原理课程培养目标和毕业指标点间的映射矩阵，如表1所示。在此基础上，针对课程目标的有效达成分解课程内容，并逐一确定课程内容相对应的教学方法、手段，设计课程合理有效的考核方式及课程目标达成的评价标准。三、线上线下混合教学模式研究混合教学模式是将传统课堂教学与网络教学方式有效结合，形成线上+线下的教学模式。混合教学模式有利于实现OBE教育理念，能有效发掘学生的学习潜能，将传统教学模式中学生被

21、动接收知识转化为主动学习，增强学生参与感，提高学习兴趣，使学生的知识整合能力和思维能力得到扩展8。基于自动控制原理课程目标和课程特点，线上线下混合教学模式具体实施如下：（一）网络教学资源建设明确线上线下教学任务分工，根据授课内容及知识点的划分，完善教学文档的信息化设计，包括教案、教学PPT、重点教学内容的微课视频录制、设计在线测试习题等。（二）基于网络资源进行线上教学教师课前通过网络平台发布本周学习内容，推送微课视频、案例、相关阅读资料、测试题目、讨论贴等教学资源供学生进行碎片化学习。学生可根据需要灵活选择学习内容，通过在线资源的微课视频观摩进行课前预习，并完成教师发布的在线作业、测试和讨论贴

22、。教师通过后台数据分析，可以了解学生的学习成果，根据学习情况反馈来调整教学内容及进度安排。教师可充分利用网络课程平台和课程QQ群，加强与学生的线上互动交流，对学生学习过程中遇到的问题进行答疑解惑。三）线下教学设计与线上教学内容相互补的线下课堂教学教案，研究翻转课堂的教学方法，以问题驱动、案例分析、小组研讨等多种方式组织教学，在课堂上给出每个章节的任务和要求，使学生掌握本章节的架构及目标任务要求，同时也作为知识点的导航，通过案例导出教学内容，系统讲授课程重点、难点内容，加深学生对所学知识的理解，有效进行各教学内容的学习，并推进实验项目的有效进展。课后完成教师布置的作业，进一步检测课程目标达成情况，图1是线上线下混合教学模式设计方案。通过以上灵活多样的教学方法和教学手段，