朱婕 徐剛

摘 要：本文從工程教育專業(yè)認(rèn)證角度出發(fā)，以O(shè)BE為理念，在分析歷年自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程存在問題的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)課時(shí)、教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、考核體系等方面進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)改革并取得一定的階段性成效，這將有助于高校控制類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提升.實(shí)踐成效驗(yàn)證了改革與研究的有效性.

中圖分類號(hào)：G642.0 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2019）12-0149-03

眾所周知，工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循三大理念：成果導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，持續(xù)改進(jìn).其中成果導(dǎo)向教育（Outcome based education，OBE）亦稱能力導(dǎo)向教育，本著這個(gè)原則，為了以學(xué)生發(fā)展為中心，以學(xué)生能力提升（即OBE理念）為導(dǎo)向[1]，而《自動(dòng)控制原理》作為《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的自動(dòng)化類專業(yè)一門非常重要的核心課程，其實(shí)驗(yàn)課程對(duì)理論課內(nèi)容的理解有著舉足輕重的作用，而以往的該實(shí)驗(yàn)課的課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等已經(jīng)不能很好適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求.本文從機(jī)工程教育專業(yè)認(rèn)證角度出發(fā)，以O(shè)BE為理念，分析自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的不足，并就課程進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、教學(xué)方法和手段以及課程考核評(píng)價(jià)體系制定等方面的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探討.

1 高校自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排不合理

高校普遍存實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)安排較少的情況.教師為了完成教學(xué)任務(wù)，只能在有限的課時(shí)內(nèi)選取對(duì)重要的理論內(nèi)容來設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難易程度又不盡相同，但是設(shè)置每次實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)又是統(tǒng)一的，使得一部分學(xué)生在有限的實(shí)踐課堂教學(xué)時(shí)間出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，沒有足夠的時(shí)間去分析和判斷，并最終找到問題所在，而另一部分能力強(qiáng)的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后又無所事事.

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目陳舊，沒有層次

目前，實(shí)驗(yàn)課程的項(xiàng)目基本是確定好的，一份實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書可以使用數(shù)年，導(dǎo)致其中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既陳舊又單一，從表1中可以看出綜合性實(shí)驗(yàn)僅占25%，其余均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，更沒有設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力培養(yǎng)，由此造成學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的缺失.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只需要根據(jù)步驟執(zhí)行即可得出預(yù)期的結(jié)果，沒有創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)性，很大程度上抑制了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的模式保守

目前自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較單一，實(shí)驗(yàn)可操作性不強(qiáng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和實(shí)際操作能力.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)主要是基于Matlab的軟件仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，另外一種是通過自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱連線的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?兩種教學(xué)模式各有利弊，無法針對(duì)不同能力的學(xué)生做不同的項(xiàng)目練習(xí)，達(dá)不到以學(xué)生為本的要求.

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式模糊

課程考核的目的在于了解學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)和方法的掌握情況，歷年該課程的考核方式并沒有明確，很多情況下把最后一次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為實(shí)驗(yàn)考核，這樣教師并不能很好的了解學(xué)生對(duì)這門實(shí)驗(yàn)課的掌握程度，也不能很好的體現(xiàn)每一個(gè)學(xué)生的能力.

2 實(shí)踐教學(xué)改革

針對(duì)在實(shí)踐教學(xué)中遇到的問題，思考如何提高高等教育自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程的質(zhì)量，本文分別從以下方面進(jìn)行了思考與闡述.

2.1 實(shí)驗(yàn)課時(shí)合理化

實(shí)踐教學(xué)工作沒有提前的計(jì)劃和準(zhǔn)備，就不可能獲得良好的教學(xué)目的，所以要好好對(duì)照檢查，及時(shí)糾偏，及時(shí)總結(jié).針對(duì)課時(shí)安排不合理的現(xiàn)象，在設(shè)置實(shí)驗(yàn)課時(shí)的時(shí)候，按照每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難易程度來設(shè)置相應(yīng)的課時(shí)數(shù)，這樣就可以合理安排進(jìn)度，又避免學(xué)生為了應(yīng)付，放棄實(shí)驗(yàn)或者不求甚解，匆匆了事的現(xiàn)象.

2.2 教學(xué)手段多樣化

為了以學(xué)生發(fā)展為中心，以學(xué)生能力提升（即OBE理念）為導(dǎo)向，在自控原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用一種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，就是在教學(xué)中結(jié)合虛擬仿真模式和硬件模式的優(yōu)點(diǎn)，即一種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)行“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)后，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制理論的思考，也能獲得對(duì)控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)和調(diào)試的切身體會(huì)，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)理論內(nèi)容的升華，提高學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用水平.改革前后教師授課模式和學(xué)生上課模式的對(duì)比見表2.

由于虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法具有綜合性的特點(diǎn)，學(xué)生能夠綜合運(yùn)用《模擬電子線路》《信號(hào)與系統(tǒng)》《自動(dòng)控制原理》《現(xiàn)代控制理論》等相關(guān)課程的相關(guān)知識(shí)，可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)本身的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)模塊化的內(nèi)容組合設(shè)計(jì)，可以考查控制類專業(yè)學(xué)生在以下幾個(gè)方面所掌握知識(shí)的程度.

1）能夠正確運(yùn)用好電子電路硬件電路模塊，通過模擬電路的學(xué)習(xí)正確理解各種反饋在電路設(shè)計(jì)中的重要意義.

2）能夠正確分析和描述各種波形的參數(shù)意義，并能夠結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)掌握確定參數(shù)的具體計(jì)算方法和步驟.

3）通過軟件仿真（matlab和multisim）、學(xué)習(xí)掌握軟件仿真的操作、使用、理論計(jì)算分析等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的能力，理解工程環(huán)境下不同軟硬件結(jié)合的功能實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)分組討論、小組答辯等環(huán)節(jié)中進(jìn)行充分理解和討論.

4）要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)，能訓(xùn)練學(xué)生的儀器使用、線路搭建的能力和思維邏輯性;在實(shí)驗(yàn)過程中，通過小組合作促使學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)，發(fā)動(dòng)小組討論，加以教師引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)比理論結(jié)果找出差異、分析原因;課后利用虛擬實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，促進(jìn)學(xué)生反思和深度學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和應(yīng)用能力.

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)化

2.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)

為了提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的興趣，按照OBE的教學(xué)思路，新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用集成化設(shè)計(jì)思路，結(jié)合了電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和虛擬儀器技術(shù)[2]，可提供實(shí)體實(shí)驗(yàn)所需的硬件電路，并且能夠提供仿真軟件，完成硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，和軟件仿真?shí)驗(yàn)，同時(shí)可根據(jù)教學(xué)要求兩者有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn).系統(tǒng)可以進(jìn)行理論計(jì)算，以matlab中的Simulink搭建控制系統(tǒng)框圖并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行理論參數(shù)分析及計(jì)算.學(xué)生能夠根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)分析和自動(dòng)控制原理等課程的相關(guān)理論進(jìn)行參數(shù)的確定和分析，注重參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性和強(qiáng)耦合性.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)主要由虛擬部分和實(shí)踐部分組成.實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供各種電路，實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可以進(jìn)行靈活調(diào)用、構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的各種典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)，滿足不同硬件實(shí)驗(yàn)的需求.同時(shí)結(jié)合信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字示波器等儀器儀表，可以實(shí)現(xiàn)模擬電子電路、信號(hào)系統(tǒng)與分析等硬件電路實(shí)驗(yàn)的需求.通過實(shí)驗(yàn)掌握運(yùn)算放大器、階躍電路產(chǎn)生、空間狀態(tài)方程等主要專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，利用放大器件、信號(hào)發(fā)生器、波興器等功能模塊和儀器實(shí)現(xiàn)各種電路的基本功能.虛擬部分主要臺(tái)式計(jì)算機(jī)構(gòu)成，計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝Matlab仿真軟件和Multism形成虛擬電子工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件仿真，同時(shí)聯(lián)合信號(hào)發(fā)生器、虛擬示波器等作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需的信號(hào)源和測試儀器，形成集模型仿真、電路仿真和硬件電路系統(tǒng)調(diào)試、軟件硬件結(jié)合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示.

2.3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改進(jìn)

任課教師要對(duì)照課程標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化自身對(duì)實(shí)踐教學(xué)細(xì)節(jié)化思考，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)深度[3].所以自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程在OBE理念下，根據(jù)學(xué)生能力的不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，增加設(shè)計(jì)性、提高性的實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到鍛煉學(xué)生的目的.實(shí)驗(yàn)改革后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)數(shù)表格見表3所示.

從表3可以看出，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比重大大增加，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)內(nèi)容非常飽滿，相應(yīng)的來說，學(xué)生的積極性就會(huì)提高很多，不同程度的學(xué)生完成不同程度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而對(duì)于能力比較強(qiáng)的同學(xué)，在完成基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)之后，可以進(jìn)行提高性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，可以使學(xué)生能力發(fā)揮到極致.

2.4 實(shí)驗(yàn)考核制度體系化

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成績主要是以出勤率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為主要依據(jù)，這樣的方式不能夠把每一位同學(xué)的掌握情況都那么清晰的顯現(xiàn)出來.在采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法后，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和參與度，本課程建立基于學(xué)習(xí)過程的課程考核體系[4]，每次實(shí)驗(yàn)課時(shí)可以對(duì)每位學(xué)生的每個(gè)步驟進(jìn)行打分.

1）在軟件部分完成以后，可以對(duì)學(xué)生的完成情況進(jìn)行評(píng)分

2）硬件操作結(jié)束之后，再對(duì)每位學(xué)生的完成度進(jìn)行評(píng)分

3）針對(duì)嘗試更多設(shè)計(jì)方法和參數(shù)調(diào)試的學(xué)生進(jìn)行鼓勵(lì)性加分

這樣一來，平時(shí)成績中的操作部分將會(huì)占有很大比重，從而弱化傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)報(bào)告占據(jù)大比重的現(xiàn)象，具體分配如下：實(shí)驗(yàn)考核包括實(shí)驗(yàn)平時(shí)考核和實(shí)驗(yàn)期末考核兩部分;實(shí)驗(yàn)考核成績=實(shí)驗(yàn)平時(shí)考核成績×70%+實(shí)驗(yàn)期末考核成績×30%.實(shí)驗(yàn)期末考核方式為操作加筆試.（表4）

3 改革成效

3.1 競賽成果

近年來，經(jīng)過提高性和自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練的學(xué)生，很多都自行設(shè)計(jì)制作作品參加各類比賽，均取得了良好的成績.圖3為部分學(xué)生參賽獲獎(jiǎng)證書.

3.2 項(xiàng)目成果

經(jīng)過自控實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革后，學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?chuàng)新能力都得到不同程度的提高，部分同學(xué)可以自己主持或者參加各類項(xiàng)目，比如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，支持百名優(yōu)秀學(xué)生課外科技實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)基金項(xiàng)目等等，項(xiàng)目名稱如表5所示：

4 總結(jié)

基于OBE理念的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程改革和實(shí)踐已經(jīng)刻不容緩，以學(xué)生發(fā)展為中心的成果導(dǎo)向是今后工科專業(yè)課程建設(shè)的必由之路，也是反哺教學(xué)提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的重要途徑.本文在總結(jié)當(dāng)前自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課存在問題的基礎(chǔ)上，以成果導(dǎo)向教育和學(xué)生能力提升為理念對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了教學(xué)改革和實(shí)踐，有效提升創(chuàng)新能力，使學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的接受更為準(zhǔn)確.通過系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可以有效幫助學(xué)生理解好專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的能力，培養(yǎng)更高質(zhì)量的綜合性人才.

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