基于OBE理念的机械控制理论课程教学研究

张涛　牛金星　魏巍

摘要：针对机械控制理论课程教学与企业实际需求脱节的问题，基于成果导向教育理念和测控专业的特点，笔者提出了机械控制理论课堂教学改革方案。以学生为中心，以最终成果为导向，从教学目标、教学内容方法、实践环节和校企合作等方面进行研究和改革，能达到有效提高机械控制理论课程教学质量和学生学习效果的目标。实践证明，这种基于成果导向教育理念的探索具有重要的理论意义与现实意义。

关键词：成果导向教育；机械控制理论；课堂改革

成果导向教育理念（outcome-based ed-ucation，OBE）是20世纪90年代在北美最早发展起来的，也被称作能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育。美国工程教育认证协会全面接受了OBE理念，并将其贯穿工程教育认证标准的始终。

OBE理念要求课程的教学活动以“不论学生的基础如何，每个学生都能够学会”为前提条件，将最终学习成果作为出发点，由最终成果决定课程培养目标，再由培养目标确定课程体系。机械控制理论课程是华北水利水电大学机械学院的一门重要专业基础课程，其理论性和实践性较强，且该门课程在教学中普遍存在学生学习兴趣不高、动手能力不强等问题。利用工程教育专业认证的契机，将OBE教育模式应用到机械控制理论的课程教学中，有助于激发学生的学习兴趣，有效地提高了学生分析、解决工程实际问题的能力。

一、基于OBE的机械控制理论课程建设目标

在机械控制理论课程教学中，课本内容理论性较强，与高等数学等基础学科联系密切，包括微积分、复变函数、线性代数、数理统计和矩阵论等。除了数学建模那部分还有一些实际系统，其他的都是动态的抽象结构，学生学习起来难度大。而教师只是在课堂和实验上将课本中的知识内容照本宣科地讲给学生，重视讲解考试内容，甚至涉及考研题目，造成学生在学习过程中只是被动接受，对所学知识不能及时理解并消化。这种情况下学生也不重视实践环节，动手能力不强.长此以往会失去学习兴趣。

以OBE理念对机械控制理论课程进行改革，首先要明确最终成果需求是什么。以往机械控制理论的教学目标是通过学习使学生系统地掌握控制理论的相关知识，没有考虑其与毕业后职业发展之间的联系。基于OBE理念的课程教学目标要考虑教学质量能否满足毕业后的工作目标，开展知识、能力、素质的递进模块化培养，并加入创新环节和企业实训环节，实现工程设计能力的提升和专业水平的培养。具体目标为：第一，知识目标，学生熟练掌握控制数学模型的建立方法，掌握控制系统分析方法的使用，理解系统校正方法，掌握控制系统的设计过程；第二，能力目标，学生可以将理论知识与工程应用背景结合起来，能够对一般的线性控制系统进行建模、系统性能分析，根据系统提出的性能指标能够对控制系统进行校正：第三，素质目标，学生应具有工程价值观，提高知识掌握和解决工程项目的能力，具有独立思考、分析和解决问题的能力，具有较强的沟通能力和团队协作意识，要激发学生应用控制理论解决工程问题的欲望，培养学生的创新思维和能力。

二、基于OBE的机械控制理论课程教学设计

（一）教学内容和方法的设计

OBE教育模式强调在学习的过程中让学生获得学习成果是整个教学过程的核心。因此，合理地调整教学内容和方法是帮助学生获得较好学习成果的有效途径。

在教学内容上，在省级精品课程和省级示范性视频开放课程的基础上加强了机械控制理论教法的研究探索。教师根据最终学习成果，制定具体的教学内容，合理规划并细化为具体的知识点，改变以前授课中经典控制理论部分和现代控制理论部分完全分开的课程体系，把课程按照“建模—分析—设计”的思路重新进行规划。具体内容分为三部分：第一，控制系统建模，包括微分方程、传递函数和状态空间表达式三种模型的建立，并理解实际物理系统：第二，控制系统分析，包括时域分析、频域分析和能控能观性分析，理解分析方法和性能参数之间的关系；第三，控制系统设计，包括系统校正、状态反馈和状态观测器，掌握如何设计一个控制系统。课程的三级规划使学生可以将控制理论课程看作一个完整的工程问题，对学习有个清晰的结构框架。

由于机械控制理论课程教学内容涉及数学、机械和电子等多学科，课程内容比较抽象，理解起来难度较大。所以在教学方法上，教师要将课程理论与实际工程结合起来。比如，在讲解数学模型微分方程的建立，大多数书本上都是以弹簧阻尼系统和RLC电路系统为例，学生无法与实际对接。如果以“脉搏压力传感器的信号调理电路系统”为例，通过机理分析，将其分为前置放大电路、滤波电路和后级放大电路三部分，分别进行数学分析建模，从而求得微分方程，在随后讲解状态空间表达式中，将传感器的温度变化、人体的干扰等中间变量作为状态变量，学生就可以清晰地理解现代控制是经典控制向高精度方向发展的延伸，便于理解两者的联系。

教师在讲解中要注意各个知识点的联系，让学生明白不同方法的目的是一样的，只是表现形式不同。比如，时域分析中的指标通过转换可以得到频域指标，要明白它们之间存在的内在关系以及频域分析中的奈奎斯特图、伯德图和尼科尔斯图的区别和联系。

另外，教师要注意加强与前后知识点的串联，在企业实际生产中遇到的问题不是单一知识就可以解决的，通常是许多知识点甚至是多学科的交叉。所以在授课过程中，教师除了要讲解控制理论及相关数学知识，还要与大学物理课程、电路课程、模拟电子技术课程、数字电子技术课程等联系起来进行综合分析和讲解。

（二）创建实践平台

按照国家对创新创业教育的要求和学校关于人才培养模式的导向，要积极开展第二课堂的实践教学模式探索。机械学院自动控制实验室拥有10套THKKL-1型控制理论电子模拟实验箱和UTD2000示波器，可以进行控制理论的基本实验，包括简单系统时域分析、频域分析和电路系统校正等。利用MATLAB平台模拟小车运动模型，调整参数优化其运动轨迹，并绘制参数曲线。除此之外，学院还搭建各种创新性实验平台，如机器人创新实验平台、labview虚拟仿真平台、固高倒立摆系统实验平台等。要大力促进实践教学与创新创业的结合，积极鼓励学生在完成自身学业的同时，参与相关教师的科研项目。学院鼓励学生成立团队申请大学生创新创业项目，鼓励学生坚持以兴趣学习为原则，参加全国大学生飞思卡尔智能车大赛、河南省大学生机器人竞赛以及学校组织的华彩杯和学院組织的卫华杯等创新比赛，这些都提高了学生的创新能力和工程实践能力。近年，机械学院学生在飞思卡尔智能车大赛和机器人竞赛中获得10多次奖项，并且已经建立了完整的以创新项目为依托的人才培养模式。

（三）完善校企合作

依托教育部“卓越工程师计划”平台的支撑，要在课程设计中邀请相关企业来学校对学生进行培训。目前，学院与深圳信盈达电子有限公司合作申请了教育部协同育人项目，每年公司派人来学校进行嵌入式系统控制装置设计的讲座和实训，将控制理论与嵌入式系统进行深度融合，设计的项目有“基于DS18820的多点温度监控系统设计”和“基于STM32的智能手环设计”等内容。同时学院还组织学生到十堰第二汽车集团等公司学习，并与之建立长期的合作关系，打破了学校单一的封闭式教学模式，使学校课堂教学与企业就业实现无缝对接，培养社会需要的人才。

三、结语

笔者提出的基于OBE理念的机械控制理论课堂教学改革方案，从教学目标制定、教学内容方法设计、实践教学改进和校企合作等几方面论述了教学改革的思路。要坚持以教学最终成果为中心，以发展学生综合能力为最终目的，改进现有的授课过程中存在的问题，从而有效地提高机械控制理论课程的教学质量和学生的学习效果，适应工程教育专业认证的需求。

近年，机械控制理论的课程建设增加了学生对课程学习的兴趣，学生在毕业设计选题中控制类题目增多，从原来只是单片机的控制到现在嵌入式控制系统和远程控制系统，学生的能力得到了显著提升，企业对学生的认可度也得到了提高。

责编：清欢