基于成果导向教育理念的机械工程控制基础课程改革研究

李艳杰 于晓琳 王磊

摘  要 根据工程教育认证标准，基于成果导向教育的理念，对机械工程控制基础课程在教学内容、教学方法以及考核方式等方面以最终学习成果为起点进行反向设计。采用线上线下教学相结合、合理安排实验教学内容等方法，使学生尽快掌握本课程的基础理论并具备一定的工程应用能力，力争使全体学生达成预期的学习成果。

关键词 成果导向教育;工程教育认证;机械工程控制基础;课程改革;MATLAB/Simulink

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）18-0093-03

Study on Curriculum Reform of Introduction to Mechanical Engineering Control based on Outcome-based Education Idea//LI Yanjie， YU Xiaolin， WANG Lei

Abstract According to the certification standard of Engineering Edu-

cation and based on the idea of outcome-based education， the course of Introduction to Mechanical Engineering Control is designed in reverse starting from the final learning result in teaching content and

teaching method， etc. By combining the online and offline teaching， and arranging experiments reasonably， the students can master the

basic theory of the course as soon as possible and acquire enginee-ring application ability. We strive to make all the students achieve the

expected learning results.

Key words outcome-based education; engineering education certifi-cation; introduction to mechanical engineering control; curriculum reform; MATLAB/Simulink

1 前言

成果导向教育（Outcome-based Education，OBE）指教师通过教学设计与实施，使学生最终取得理想的学习成果。当前，我国的工程专业教育认证正在由课程导向开始向成果导向转化，坚持成果导向教育这一新理念是未来我国高等学校工程教育改革的主要方向[1-2]。

随着人类社会的发展，具有自动化功能的机器越来越多，不同的自动化系统具有不同的结构和不同的性能指标要求。为了使机电一体化系统具有优良的性能，系统的设计者不仅要拥有全面的现代机械设计理论知识和丰富的实践经验，还要拥有设计自动控制系统的理论和经验。机械工程控制基础正是控制理论在机械工程领域的应用，课程内容涉及经典控制理论的核心内容。通过课程的学习，学生应掌握经典控制理论的基本原理及观点，并能运用所学知识去研究和解决机电控制系统的分析与设计问题，为以后进行机电控制系统的工程应用打下坚实的基础。本文用成果导向教育的理念对这门传统课程重新进行教学设计，以获得更好的教学效果。

2 机械工程控制基础课程教学中的主要问题

对照成果导向教育理念，目前传统的机械工程控制基础教学存在下面几个主要问题[3]。

1）仍采用陳旧的灌输式教学，由于课程内容容量大、学时短，这种落后的教育理念势必造成以教师为主，教师讲什么，学生听什么，学生处于被动的学习状态，易造成部分学生一听就懂、一看就会、一做就错的问题。

2）教学模式单一。课程教学单一采用统一的教学时间、内容、方式等，无法兼顾学生的个体学习能力及进度，难以达成全员成功的效果。

3）课程的前修知识包括高等数学、复变函数、电工学、理论力学等，应用型本科院校的学生普遍数理基础薄弱，对课程中诸多的基本概念理解困难，导致部分学生无法跟上课程进度，后续内容学习效果较差。

4）学生实践能力弱。课上教学内容重理论轻实践，缺少工程实例，实践环节学生参与度低，能力训练不足。

5）考核评价机制单一，仍以传统的闭卷考试为主，忽视过程性评价，难以通过考核激发学生参与学习的动力以及提高学生的工程实践能力。

3 成果导向教育理念在课程教学中的应用

与以知识为主导的传统教学理念不同，成果导向教育理念以学生预期能力获得为主导，进行反向教学设计和正向教学实施，教学的重点不再单一聚焦在学生的成绩，更多地关注学习过程结束后学生真正拥有的能力[4]。

机械工程控制基础课程的培养目标  成果导向教育理念要求课程教学目标指向最终学习成果，应根据行业需求、学生能力及发展需求确定课程教学目标，设置教学内容，保证学习成果的达成。机械工程控制基础是机械大类本科专业学生必须掌握的基础理论，课程以经典控制理论为基础，研究机电一体化系统在控制方面的共性问题。课程内容涉及经典控制理论的主要内容，更加突出理论在机电系统中的应用特点。针对应用型本科院校的特点，根据工程教育认证的标准及专业规范对本课程教学大纲的建议，制订本课程的教学目标为：掌握经典控制理论的基本概念;能熟练地运用所学的知识建立机电系统的数学模型，完成数学模型之间的变换;熟练掌握控制系统的时域及频域分析方法;了解系统校正的概念及控制器设计的基本法方法;能够完成典型工程问题的控制系统分析及设计。课程教学的主要目标是在学习经典控制理论的基础上，强化学生的机械工程专业背景，培养学生的动手实践能力，以及应用控制理论解决工程实践问题的能力。

机械工程控制基础课程的反向教学设计  本课程具有基础理论系统性强且理论已在工程领域广泛应用的特点。如何在40左右学时内既完成基础理论的讲授，又能使学生获得应用控制理论解决机械工程中相关问题的能力，是课程教学设计的难点。为此，新的教学模式以基础理论加案例教学为主线、虚拟仿真和实验教学为支撑、线上和线下教学结合为手段，保证课程教学目标的顺利达成。

课程选用机床工作台位置控制系统和伺服阀控液压缸系统作为典型工程问题，贯穿包括绪论、时域响应分析、频域响应分析、稳定性判据、稳态误差计算、系统校正等经典控制理论的知识点，每一章的基础理论之后，都会讲解理论在两个工程实例中 应用，强化学生理论与机械工程专业背景相结合的思维训练。

实验是提高学生工程应用能力的重要环节，课程组设计了从易到难的多层实验体系[5]。在常规的模拟电路基础实验平台的基础上，搭建MATLAB/Simulink虚拟仿真实验系统，既可以辅助教学，也可以提供学生的开放性实验，同时利用实验室现有条件为学生提供以实际工程控制系统为背景的工程实验平台。

机械工程控制基础课程的正向教学实施方案  学生中心、成果导向和持续改进是成果导向教育理念的核心[6]。课程组采用线上线下教学相结合的方式将教学内容灵活组合完成课程教学，并增加与学生的线上互动与交流，采用多种考核方式检验学生是否达成学习成果。基础理论讲解部分，在采用常规的PPT课件等形式进行多媒体授课的基础上，课程组制作基于MATLAB/GUI的仿真实验系统，在课堂教学中将控制理论的教学与仿真实验演示无缝衔接，比单纯的数学推导的理论教学方法更便于学生理解。例如，在不同阻尼比下二阶系统的瞬态響应分析中，用仿真实验系统现场调解不同的参数，演示对应的响应曲线。这种方式不仅可以缩短教学用时，还可以很好地调动学生的注意力和学习兴趣。课程组还按知识点录制了微课发布在线上教学平台，并提前发布要求预习的内容和课前测试题目。

工程案例教学法是深受师生认可的理论与工程应用相结合的教学方法。工程案例的选择既要有行业背景，又要能串接知识点以及呈现控制应用中的常见问题，但同时面临学生专业背景知识不够的问题。针对机械大类专业的学生，课程组选用机床工作台位置控制系统和伺服阀控液压缸系统作为典型工程问题，配合对应知识点将工程问题分解到每章的最后一节。课程组制作并发布工程案例的线上视频教学录像，引导学生提前预习。案例教学过程中采用教师精讲、学生小组讨论等方式互动，做到人人参与、学生互评以及教师点评，以确保每位学生都能获得要求的学习成效。

由于实验学时有限，将实验项目分成必做/选做两大类，采用线上线下组合完成的形式。模拟电路实验重点完成典型系统的时域特性和频率特性分析，要求必做，学生在指定时间到指定实验室完成，同时提供线上实验预习资料。虚拟仿真实验要求学生用MATLAB/Simulink课外自行完成典型系统的性能分析并线上提交实验报告。为提高学生的工程应用能力及学以致用的信心，利用实验室现有的FESTO TP511试验台，将伺服阀控液压缸系统作为工程系统控制实验平台，以作业的形式要求学生跟随课程进度依次完成被控对象位置控制系统的数学模型建立，然后用MATLAB/Simulink软件完成控制系统的仿真建模及控制系统性能仿真分析。最后以小组为单位，在实验台上完成系统的PID控制实验，学习分析PID参数调节对控制系统性能的影响，提倡并鼓励学生自行设计控制算法并实现。

单纯的闭卷考试方式不能客观地评价学生的知识掌握情况及学生的知识运用能力。成果导向教育理念提倡多元化的考核。课程依托线上教学平台提供的课前测试、作业提交、阶段测试等功能，加强过程化阶段性考核，从考核学生对知识的记忆转为考核学生的应用能力。最终考试成绩由平时成绩（40%）、实验成绩（20%）和期末闭环考试成绩（40%）加权构成。线上教学平台的融入不仅可以使教师对学习过程的考核更准确、方便，还可以督促学生对问题与难点及时查漏补缺，保证全体学生都能跟上教学进度，同时加强线上线下课后交流与沟通，为教与学都提供了持续改进的动力。学生可以不受上课时间和地点的约束，自行择时择地补充学习课程教学中不懂或难懂的知识点，这些努力也可以在线上平台完整记录，便于教师完成对学生平时成绩的考核。

4 结语

课程组基于成果导向教育理念对机械工程控制基础课程设定了教学目标，完成了理论教学内容和实验教学内容的整合，采用线上线下结合的教学方法、模拟实验/虚拟实验/工程实验相融合的多层次实验教学体系、多元化的考核方式，提升学生课内外的学习积极性。教学实践表明，教学效果良好，成果导向教育的推广对培养具有动手实践能力和工程应用能力的应用型人才起到积极作用。

参考文献

[1]陈涛，邵云飞.理念与现实：我国高等工程教育加入《华盛顿协议》后的发展趋向探析[J].高等教育管理，2018（1）：54-60.

[2]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）：29-34，70.

[3]夏博，胡雪，曾海峰，等.《机械工程控制基础》课程教学实践与反思：基于罗杰斯人本主义理论的分析[J].高教学刊，2019（16）：24-26，29.

[4]许淑慧.基于成果导向教育的“工程图学”课程教学改革与实践[J].工业和信息化教育，2019（2）：38-41，62.

[5]郭虹，李艳杰.机械控制工程基础课程多层次实验教学方法探讨[M]//Proceedings of 2010 Third InternationalConference on Education Technology and Training（Volume 8）.2010：467-469.

[6]李志义.对我国工程教育专业认证十年的回顾与反思之一：我们应该坚持和强化什么[J].中国大学教育，2016（11）：10-16.