基于学习产出的“自动控制原理”教学改革

陈珍萍， 黄友锐， 刘淮霞， 唐超礼

(安徽理工大学 电气与信息工程学院， 安徽 淮南 232001)

基于学习产出的“自动控制原理”教学改革

陈珍萍， 黄友锐， 刘淮霞， 唐超礼

(安徽理工大学 电气与信息工程学院， 安徽 淮南 232001)

本文在研究基于产出的教育(OBE)模式内涵的基础上，对我校“自动控制原理”课程的教学过程进行了改革。明确了“自动控制原理”课程的三个产出，即会建立系统的数学模型、会分析系统的性能指标和会对系统进行校正，围绕这三个产出的实现开展教学活动。

学习产出；教学改革；自动控制原理；

0 引言

基于学习产出的教育OBE(Outcomes-based education)模式最早出现于美国和澳大利亚的基础教学，用于表述学生毕业时应具备的知识、技能、素质和人格, 即知道了什么、有能力做什么、养成了怎样的行为和理念准则等[1]。OBE教育模式的主要理论基础是泰勒运动、掌握学习理论、能力本位的职业教育理论和标准参照学习等[2]。OBE是一个以学生为主体，围绕学习产出展开的各项教学活动，通过总结性和形成性评价关注学生的所得与教学计划间的一致性，它基本上能体现出我国《规划纲要》“把育人为本作为教育工作的根本要求，以学生为主体，以教师为主导，充分发挥学生的主动性，把促进学生成长成才作为学生一切工作的出发点和落脚点”的指导思想和工作方针。

目前，国内很多高校和学者正在围绕OBE进行教学改革。汕头大学提出了以OBE为基础的工程教育模式，注重培养学生的系统工程技术能力、项目组织、设计、开发和实施能力[2]；东南大学基于学习产出理念制定电气工程专业人才培养方案，确定了电气工程专业人才的学习产出，优化了课程设置[1]；文献[3]则针对我国当前学生学习的现状，提出了注重学习产出、重视学生发展的观点，并给出了学习产出应包含的8个方面内容。

本课题组在认真学习和吸收OBE理念的基础上，借鉴国内外高校的教学改革经验，根据我校自动化专业的办学定位，从课程输出CO(Course outcome)的确定、教学活动的开展和教学评价这三个方面着手，研究基于OBE的“自动控制原理”课程的教学改革。主要做到了以下三点：

(1)制定我校自动化专业“自动控制原理”课程的CO；

(2)根据预期课程产出，采用多种教学方法开展课程的教学活动，尤其注重问题教学法和合作教学法的应用，并且让学生在课程的实施过程当中对自身的学习产出进行实时评价，进而在学生层面进行教与学这两种活动的调节；

(3)采用多样化的评价方式评估学生的实际CO，使得课程评价既有“前瞻性”又有“回顾性”，注重评估学生对方法、准则及认知类知识的理解和应用。

1 OBE实施框架

遵照OBE教育理念，学习的最好方式就是先设定目标，然后围绕目标的实现开展各类学习活动[4]。为保证OBE的成功实施，可将OBE分成如下几个部分：教育目标PEO(Program educational objectives)、专业产出PO(Program outcomes)和课程产出CO。将OBE的实施分成自上而下的设计阶段和自下而上的评价阶段[5，6]，具体见图1。在设计阶段，首先，学校根据办学定位和办学特色、岗位的需求、工程人才培养标准等设置教育目标PEO；其次，将PEO细化成多个可执行的PO；最后，将PO细化到多门课程的CO，设计CO-PO匹配矩阵。在评价阶段，由课程的在专业课程中的比重结合CO-PO匹配矩阵，根据CO的评价结果得到PO的评价结果，然后根据多个PO的评价结果获得PEO评价结果。CO位于整个OBE系统的底层，PEO的实现最终归结于多门课程CO的实现。需要说明的一点是，每门课程的CO至少能实现一个PO，课程能实现的PO越多，课程在整个OBE中的效果越好，其在整个课程体系中的重要性也就越高。

在OBE实施框架下，“自动控制原理”课程的教学是个动态的过程，具体见图2。课程的教学主要围绕以下三个方面展开：① 确定课程产出，即预期产出CO1；②围绕预期产出CO1的实现，选用多样化的教学方法开展教学活动即学习产生CO2；③进行课程评价，获取学生的实际产出CO3。

图1 OBE的实施过程

图2中每两个环节间都存在着反馈，如课程目标决定课程实施的方法，反过来课程实施过程中出现的问题又会影响课程预期产出CO1的设置；又如课程评价是根据课程实施各个环节中学生的行为和表现来进行的，而评价结果又反过来影响课程实施的方法和学生的行为。在课程的教学过程中，本着负反馈的原则，每个环节的展开都力图减小实际产出CO3和预期产出CO1间的差异，如此，最终可实现学生的实际产出CO3趋近于或等同于预期产出CO1。

图2 基于OBE的自动控制原理课程教学

2 课程产出

“自动控制原理”课程的宗旨是训练学生学会从系统的角度、全局的高度来思考问题，使学生掌握控制理论的实质，掌握系统分析和研究问题的方法[7]。“自动控制原理”还是一门基于方法论的课程，传授涉及信息流通、系统论、控制思想的一套方法论，可对学生进行逻辑思维方面的训练[8]。课程的主要任务是围绕“系统数学模型的建立-系统性能指标的分析-系统的校正”这三个方面展开，这便是该课程的课程产出，如表1所示。不同类型的系统其数学模型不尽相同，如单输入单输出SISO(Single input single output)连续系统的数学模型有微分方程、传递函数、结构图和信号流图，而多输入多输出MIMO(Multi input multi output)连续系统其数学模型为状态空间表达式。系统的性能指标包括稳定性、准确性和快速性，不同类型系统的性能指标分析方法也不相同，对于SISO连续系统分析方法是时域法、根轨迹法和频率法，而对于MIMO连续系统其分析方法是状态空间分析法。对系统进行校正时，若系统是SISO系统则采用输出反馈校正，而对于MIMO系统则采用状态反馈法。

表1 “自动控制原理”的课程产出

3 OBE下的课程实施

OBE教学模式强调的是学生在毕业时所应具备的各项能力，如美国工程教育认证委员会ABET制定工科毕业生的11条能力，故而教学活动的展开应该围绕学生能力的培养展开[5]。由埃德加·戴尔的“学习金字塔”理论，学生在教学活动中参与的越多、实践的越多，其对知识的记忆和理解也就越深。在进行教学活动时，针对学生的不同特点，选择多样化的教学方法，尤其注重问题教学法PBL(Problem based learning)和合作学习法CL(Cooperative learning)的应用。例如围绕“磁盘驱动器读取系统”不同层面的问题：定性分析、建模和定量分析等，采用PBL教学法，以解决真实的、开放性的问题为学习载体，注重学生思维方法和能力的训练，强调学生自主学习与问题解决的能力。在CL教学方法中，则以真实项目的完成为学习载体，要求学生以团队或小组合作的方式完成一个任务或产品，强调以学生为中心，进行学科交叉、协作学习和自主学习。

采用基于方法论的思想来组织课程的教学内容，其要点是：给出课程的一条主线，即“系统的定性分析---系统的定量分析---系统的重新设计”。借助于数学模型搭建起系统定性分析和定量分析之间的桥梁；通过对比和类比方法，给出系统性能分析的四种方法，即时域法、根轨迹法、频域法和状态空间分析法；由系统性能与系统参数间的关系，分析系统性能改善的措施，进而完成由系统性能分析到系统重新设计的过渡[8]。

在进行课程的第一次教学时，将课程的3个课程产出、课程产出与专业产出的匹配矩阵以及教学内容间的逻辑关系介绍给学生，让学生在整个课程的学习中，围绕“产出”开展课程学习，真正做到“学生知道课程产出并为之努力”、“教学活动围绕课程产出的实现而展开”。如此，在教学活动开展过程中，学生时时对自己的学习进行评价，并与预期产出进行比较，根据比较结果调整学习方法或对课程的教学过程进行建议，形成一个良好的动态调节过程。

4 OBE下的课程评价

在OBE模式下的课程教学过程中，为了实现教学质量的持续改进，需要对课程的实施效果进行评价，需要在课程结束时采用多样化的评价方法考核学生的实际课程产出。课程评价方法越多，评价结果越能真实地反映出学生的实际产出。

对于“自动控制原理”课程，采用形成性评价和总结性评价两种方式对学生的课程产出进行评价，其中形成性评价占据的比重为40%，总结性评价比重为60%，课程的评价目标是至少有50%的学生以最低70分的成绩完成该课程的学习。

形成性评价注重对学生学习过程的评价，为“前瞻式”评价，在课程实施过程中，根据学生的作业完成情况、小组学习效果、课堂表现、实验开展和实验报告完成情况，对学生进行形成性评价，根据评价结果不断地改进和完善课程教学。总结性评价为“回顾式”评价，用在课程结束后评价学生掌握知识、技能的程度和能力水平，通过期末考试来开展。

文献[9]将学习按照认知过程分成记忆/回忆(C1)、理解(C2)、应用(C3)、分析(C4)、评价(C5)和创造(C6)这六类，以及按照知识维度将知识分成事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识这四类。基于OBE的教育模式强调的是学生在毕业时所应具备的各项能力，强调的是学生解决问题的方式方法，注重的不是对事实性知识的简单回忆或记忆，而是注重对涉及方法、准则及认知类知识的理解、应用与分析，更高水准的则是对其进行评价与创造。

我校“自动控制原理”课程的期末考试分值分布见表2，行表示课程产出，列表示认知过程，“√”表示对该行该列对应的知识或能力进行考核。从表2可以看出，在进行课程的总结性评价时，注重评价学生对知识的理解(C2)和应用(C3)，而记忆/回忆(C1)和分析(C4)、评价(C5)、创造(C6)只占整个评价的一小部分，且更注重对学习产生CO2的评价，这是因为系统性能的分析是本课程的核心内容，为系统的校正提供依据和方法。

表2 自动控制原理期末考试分值分布

5 结语

在注重学生学习产出的背景下，对我校自动化专业的“自动控制原理”课程进行了教学改革，围绕学生的学习产出开展课程的教学过程。在整个教学过程中，形成了一个教学质量持续改进的动态循环，课程产出的制定、课程的实施和课程的评价之间均存在反馈，以保证最终能实现学生的实际产出趋向于预期产出。

[1] 窦晓波，黄学良，胡敏强. 以“学习产出”理念制订电气工程专业人才培养方案[J]. 南京:电气电子教学学报. 2010, 32，S1: 1-4, 12.

[2] 顾佩华,胡文龙,林鹏等.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式[J]. 武汉：高等工程教育研究,2014,1:27-37.

[3] 张德江.注重学习产出,重视学生发展[J]. 上海：教育发展研究，2011,8:76-79

[4] Thamrin N M, Abdullah N E, Hashim H. Modem Control Systems in Electrical Engineering Course Assessment Using the Outcome Based Education approach[C]. Kuala Lumpur, Malaysia:2nd International Congress on Engineering Education, December 8-9, 2010: 145 -150.

[5] Felder R M, Brent R. Designing and teaching courses to satisfy the ABET engineering criteria[J]. Washington: Journal of Engineering Education, 2003, 92,1: 7 -26.

[6] Dargham J A, Chekima A, Yin R C K, et al. A direct assessment method of the achievement of the program outcomes from the courses outcomes[C]. Kuala Lumpur, Malaysia :Engineering Education (ICEED), 2013 IEEE 5th Conference on. IEEE, 2013: 131-135.

[7] 王万良. “自动控制原理”课程教学中的几个关键问题[J]. 北京：中国大学教学. 2011,8: 48-51.

[8] 吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J]. 北京：中国大学教学, 2005,9: 28-30.

[9] 安德森等编著,蒋小平,张琴美,罗晶晶译. 布卢姆教育目标分类学:分类学视野下的学与教及其测评(修订版)[M]. 北京：外语教学与研究出版社, 2012：22-29.

重要通告

近日来，网上出现假借“电气电子教学学报”投稿系统之名的钓鱼网站，敬请广大作者和读者注意辨识，以免上当受骗。

我刊—电气电子教学学报的官方网址为：http://www.j4eseu.com

联系电话：025-83793107；联系邮箱：j4e@seu.edu.cn

编辑部地址：江苏省 南京市 四牌楼2号 东南大学 李文正楼北404室

The Teaching Reform on Principle of Automatic Control Based on OBE

CHEN Zhen-ping，HUANG You-rui，LIU Huai-xia，TANG Chao-li

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

In this paper, on the basis of the study of implementation framework for Outcome-based education (OBE), we reform the teaching process of the Principle of Automatic Control course in our school, and determine the three outcomes of this course at the course level, that is the ability to establish a system's mathematical model, the ability to analyze a control system's performance index, and the ability to re-design a control system. All the teaching activities are carried out aimed at the realization of these three outputs.

learning outcomes; teaching reform; principle of automatic control

2015-09-29;

2015-12-24 基金项目：安徽省自动化综合改革试点项目(2012zy033)，省级重点教学研究项目 (2012jyxm201)，省级自动控制原理资源共享课(2014gxk036) 第一作者：陈珍萍(1981-)，女，硕士，副教授，主要从事教育教学理论和课程改革研究，E-mail：zhpchen10@163.com

文献标识码：A 文章编号：1008-0686(2016)04-0039-04