《自动控制原理》课程多方位教学改革研究和探索

作者:未知

  摘 要:在工程教育专业认证和“互联网+”时代的新形势下,基于OBE教育核心理念:“以学生为中心,以产出为导向,持续发展”,结合网络教学平台,对《自动控制原理》课程进行多方位教学改革研究和探索。以产出为导向,优化课程教学内容;以学生为中心,将网络教学平台的优势融入课程资源建设和教学模式改革中,弥补课堂教学的不足;利用网络教学平台大数据功能,建立反馈机制,强化持续改进;借助现代科学工具改革试验教学。
  关键词:学生为中心;OBE;工程教育;自动控制原理;教学改革
  
  一、绪论
  《华盛顿协议》是工程教育本科专业认证的国际互认协议[1]。2016年6月我国正式加入《华盛顿协议》。随后,工程教育专业认证成为我国高校的新风向标[2]。工程教育专业认证的核心理念是OBE理念,即:产出导向教育(Output Based Education,OBE)[3-5]。在“互联网+”时代下,国内高校相继推出超星、学堂在线、蓝墨云班课等网络教学平台[6],掀起了教学模式改革的浪潮,对传统意义上的教学提出了新挑战。在工程教育专业认证和“互联网+”时代新形势下,作为自动化专业的核心专业基础课程和考研课程,基于OBE教育理念,结合网络教学平台,实现对《自动控制原理》课程的多方位教学改革具有重要的意义。
  二、自动控制原理课程现状分析
  《自动控制原理》课程是自动化专业的核心课、必修课,也是控制类专业研究生入学考试的必考课,在自动化专业本科生教育中占有举足轻重的地位。课程包含80学时,其中实验占6学时。课程内容主要涵盖:控制系统数学建模、线性系统时域分析、线性系统根轨迹分析、线性系统频域分析、系统校正、线性离散系统分析、非线性系统分析七大部分。课程主要内容可归结为控制系统建模、系统分析和控制器设计三大部分,各部分均需要大量的运算和绘图,课程具有理论性强、内容抽象、数学推导和计算量大的特点。然而,现有部分高校师资比制约,课程实施的是大班教学,学生层次不齐,课堂管理和作业辅导均具有巨大的挑战性。由此带来“学生难学”和“教师难教”的“两难”局面,因此,我们主要从教学内容、课堂教学、实验教学三大环节对《自动控制原理》课程进行了多方位的改革探索,坚持以OBE核心理念“学生为中心,以产出为导向,持续改进”为准则,利用网络教学平台弥补传统教学的不足,促进教学效果的提高,实现课程培养目标。
  三、新形势下课程教学改革措施
  (一)以产出为导向优化教学内容
  基于OBE的教育理念,以产出为导向,根据课程目标对教学内容进行优化设计。从基础理论出发,淡化复杂的结论推导过程,强调理论应用方法,紧跟专业工程认证理念,融入人工智能前沿科学,将有效解决复杂工程问题作为最终的教学目标,注重理论的实际应用。如数学模型建立部分以水箱液位控制系统为引导,进行系统数学模型建立内容的讲解,引导学生掌握建模理论的同时理解实际应用,且起到激发学习动机的作用;又如根轨迹分析部分,删除复杂根轨迹法则的证明,淡化推导过程,强调结论和如何应用其分析系统性能,解决实际问题。
  (二)构建线上资源实现“学生为中心”的教学模式
  近年来,翻转课堂教学模式逐渐融入传统教学模式中,但其适合小班教学,且受教室场地和课堂网络制约。而部分高校《自动控制原理》课程上课学生基数较大,教师和教室资源有限,实现小班教学难。因此,照搬他人翻转课堂教学模式教学效果非常有限。基于此,课程组本着“学生为中心”的教育理念,采用线下多媒体教学为主,辅以线上资源作为有效和必要的补充的形式,提高学生学习的效率。主要从以下几方面对课程教学环节进行改革:
  (1)整合课程线上资源,具体内容框图如图1所示。录播“微课”小视频,将课程按知识点进行分解,对应每个知识点录制不多于20分钟的小视频;录制复习视频资源,对每章重点内容进行梳理、总结;整理客观题目,针对每节课知识点设计相应的客观题目;整理章节试题资源,针对每章重点内容设计试题,包含主观题和客观题;建设课程试卷库,针对全课程内容设计综合性题目,结合基础试题,进行合理组合形成课程试卷库。
  (2)分解课堂教学为“预学-共同-延学”三个模块,具体方案框图如图2所示。预学的主要任务是让学生课前了解本次课课程目标和课程内容、完成定制的预习任务,能够带着问题去学习;共学强调的是学生和老师的共同学习,从教师一味讲授、学生被动接受转变成师生都做学习的主体,增加师生间和生生间的交流互动;教师将知识点进行碎片化,分别讲解每个知识点的要点,分析其关联性和层次性,突出主次,提出重点和精讲内容;利用项目驱动式教学方式调动学生的学习积极性,培养学生的创新发散思维能力;设计分组讨论的学习方式,促进学生间的互助,培养学生的沟通和协作能力;引导学生绘制思维导图,加深对各章知识点关联性的理解,以及对章节内容的归纳和总结;结合构建的线上资源—客观题目,促进学生对知识的内化。延学注重的是课后对知识理解的升华,利用线上资源—“微课”小视频,学生可结合自身情况反复观看,理解课程的难点和重点;通过线上资源—复习小视频,可促进学生思维导图的构建,让学生明确阶段性学习内容;定时发布线上资源—章节试题资源,综合考察学生的阶段性学习效果,让学生和老师都做到心中有数,为“持续改进”指明方向;课程复习阶段发布线上资源—課程试卷库,有助于学生对课程全部内容查漏补缺,进行针对性复习。
  (3)增强课程的持续改进环节。利用网络平台大数据的功能,寻找学习“漏洞”,合理调整预学、共学、延学的方案;如根据预学任务完成度和达成度,合理调整上课教学方式和制定后续预学任务;又如根据平台对学生学习参与度、试题正确率等方面的数据分析,调整上课内容和设计教学环节;总之,本着持续改进的原则,建立完整的反馈机制,形成学习-反馈-再学习的闭环,提高本课程培养目标的达成度。   (三)借助现代科学工具实现实验教学改革
  改革课内实验教学环节,借助现代科学工具(虚拟实验和Matlab软件)加深学生对抽象理论知识的理解,通过直观的实验结果和学生对仿真结果的感性认识,加强学习的牢固度和灵活性。利用虚拟实验教学,由于具有人机交互性强、操作灵活、随意发挥、使用方便的特点,可一边操作一边观察实验结果,克服了硬件实验对场地、人数的限制,且可多次反复实验,强化学生理论联系实际的能力,使学生做到学以致用;借助Matlab仿真软件进行实验教学,弥补硬件实验实验内容单一、模型相对固定的不足,同时可加强学生对知识的分析和理解能力;如二阶系统阻尼比变化对系统单位响应的影响,单纯靠教师几个图讲解,学生体会不够深刻,而借助Matlab可修改参数,看响应曲线的形态,让学生印象更加深刻;又如系统校正部分,校正原理和计算内容较枯燥,而利用Matlab仿真软件可形象生动的显现出校正的效果,提高学生的学习兴趣。
  四、结语
  基于“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”的OBE核心理念,对《自动控制原理》课程教学环节从课程内容、课堂教学和实验教学三大环节进行研究。旨在探索一种适合《自动控制原理》课程特点(课程内容多、理解难度大,上课人数多等)的新型教学方式,在教学过程中强化工程认证理念和应用能力的培养,使学生做到“学理论-会分析-能应用-有创新”。本文提出的改革措施,能够促进学生学习兴趣,提高课程学习效果,有助于培养学生创新能力和解决工程复杂问题的能力。
  参考文献:
  [1]邢灿华,徐开芸.专业认证背景下《自动控制原理》教学中的几点思考.教育教学论坛,2019,50:245-246.
  [2]百度百科,工程教育专业认证:中国高校新的风向标[EB/OL].南方教育,2018-10-03.
  [3]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,2014,17:7-9.
  [4]李志义,朱泓,刘志军,等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究,2014,2:29-34.
  [5]陆鑫.OBE工程教育模式下课程教学设计研究[J].计算机教育,2017,10:135-139.
  [6]朱纯兵.“互联网+”时代大学课堂“抬头率”研究——以自动控制原理为例.现代商贸工業,2019,36:164.
  课题:河北科技大学教育教学改革立项项目(2019-QNB02)
  *通讯作者:武晓晶(1985-),女,汉族,河北石家庄人,博士,副教授。
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