基于OBE理念的智能控制课程教学改革

黄苏丹 胡智勇 曹广忠 郭小勤 邱洪 敬刚

摘  要：为提高自动化专业智能控制课程的本科教学质量，针对目前智能控制课程的教学内容理论性过强、学生仿真能力低、教学实践少的问题，提出基于OBE（Outcome Based Education）理念的智能控制课程教学改革方法。分析了智能控制课程的特点、教学现状以及存在的问题，根据自动化专业发展趋势并结合智能控制应用于机电系统的具体实例，基于OBE理念设计理论、仿真与实验相互融合的教学内容，通过任务驱动式方法和问题启发式方法改革授课方式，采用自主式、探索式、团队式相互融合的方法改革实验教学，探讨提升复杂工程问题解决能力的理论与实践相结合的考核方式。该课程改革深度融合OBE理念，将提高智能控制课程学生的学习积极性、理论与工程实践融合的能力以及解决复杂工程问题的能力。

关键词：智能控制;OBE理念;复杂工程问题;自动化专业

Abstract： In order to improve the undergraduate teaching quality of intelligent control course in automation major， this paper proposes a teaching reform method of intelligent control course based on the concept of OBE（Outcome Based Education）， aiming at the problems of the current teaching content of intelligent control course is too theoretical， students simulation ability is low， and teaching practice is little. Analyses the characteristics of intelligent control courses， the teaching status quo and existing problems， on the developing trend of automation and intelligent control applied to the specific instance of mechanical and electronic systems， based on the concept of OBE design theory， the simulation and the experiment teaching content of mutual integration， through the task driving method and heuristic teaching method reform way problem， adopt autonomous， explore， team mutual fusion method to reform the experiment teaching， to explore complex engineering problem solving way of the combination of theory and practice of the inspection. This course reform deeply integrates OBE concept， which will improve students learning enthusiasm of intelligent control course， their ability to integrate theory and engineering practice， and their ability to solve complex engineering problems.

一、概述

目前控制理論包括经典控制、现代控制、智能控制三大分支，《智能控制》课程属于智能控制范畴，被设为自动化本科生的重要选修课程之一，是培养控制领域高质量专业人才的必备基础课程。目前自动化领域所研究的被控对象复杂度逐渐提高，使广泛适用于复杂被控对象的智能控制在该领域具有重要的理论价值与应用意义，进而使之前仅在研究生阶段开设的《智能控制》课程也开设于高年级本科教学中[1]，该本科课程开设的目的是使自动化本科生了解控制领域当前的发展方向和趋势，并初步掌握智能控制的核心基础知识[2]。当今自动化领域的发展趋势亟需高校培养具备解决复杂工程问题能力的高素质自动化专业人才，《智能控制》课程能有效培养自动化本科生解决复杂工程问题的能力，但目前《智能控制》课程的本科教学普遍存在教学内容理论性过强、学生仿真能力低、教学实践少的问题，将严重影响高素质自动化专业人才的培养。为提高自动化本科生的学习积极性、理论与工程实践融合的能力以及解决复杂工程问题的能力，论文提出基于OBE（Outcome Based Education）理念的智能控制课程教学改革方法。

工程教育专业认证是目前国际上通用的评估认证机制，为高校本科毕业生进入相关行业工作提供质量保证[3]，其核心是OBE理念，OBE理念强调高校本科毕业生具备解决复杂工程问题的能力[4]。OBE理念具有三大特点：以成果为导向、以学生为中心、持续改进[5-6]。图1为OBE理念模型，通过社会的需求制定适合学生发展的培养方案和毕业要求，完善课程目标，通过学生对教学的评价持续改进教学活动，最后根据学生毕业时的达成度持续改进课程目标，从而形成闭环的理念模型[7-8]。

《工程教育认证标准》规定复杂工程问题必须具备以下一个或多个特征：1. 必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决;2. 涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互间有一定冲突;3. 需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;4. 不是仅靠常用方法就可以完全解决的;5. 问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;6. 问题相关各方利益不完全一致;7. 具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[9-10]。《智能控制》课程可涉及到上述复杂工程问题特征的1.、2.、4.、7.，通过有效的《智能控制》课程教学能有效提升自动化本科生解决复杂工程问题的能力。

二、课程特点

（一）教学内容特点

《智能控制》课程教学内容主要具有两个特点：1.  覆盖内容广。《智能控制》是一门前沿的交叉学科课程，需要学生事先具备《自动控制原理》、《现代控制理论》、《电机学》、《信号处理》、《控制系统仿真》等基础课程知识，进而开展更深层次的《智能控制》课程学习。课程内容主要包含专家控制、模糊控制、神经网络控制、智能算法的核心基础知识，具有涉及学科多、覆盖内容广、知识点多且综合性强的特点。2. 教学内容抽象。《智能控制》是一门理论性很强的专业课程，课程涉及模糊数学、专家知识、神经网络、进化算法等多学科交叉内容，教学内容抽象，公式繁琐，且许多问题需借助数值计算方法求解，学生须具备一定的高等数学基础、经典和现代控制理论基础、仿真基础。

（二）授课对象特点

《智能控制》作为之前仅开设于研究生阶段的一门课程，需要学生具备一定的数学基础和专业基础，高年级本科生在大一、大二和大三上学期已经完成了专业基础课程的学习，具备《智能控制》课程的学习能力，通过课程学习了解本专业的前沿发展方向和趋势，并初步掌握智能控制的核心基础知识。此外，高年级本科生面临工作和继续深造等选择，课程涉及初级科研能力培养，可提升本科生的科研积极性和科研思维，为即将工作的本科生培养更严谨更综合的专业思维能力，为即将继续深造的本科生培养科研思维能力。

三、教学现状与存在的问题

通过调研得到了目前我校本科毕业生对《智能控制》課程教学的反馈意见，部分教学反馈意见如图2所示[11]。根据课程教学反馈意见和调研可知目前《智能控制》课程教学主要存在教材多样、理论性过强、仿真能力低以及教学实践少的问题。

（一）教材多样

智能控制作为新兴的第三代控制理论，仍在持续发展和完善。目前虽有针对本科生编著的《智能控制》教材，但与传统控制的《自动控制原理》和《现代控制理论》教材相比，其质量仍然存在较大的差距，最突出的缺点是教材多样化，并没有经典权威的教材。

（二）理论性过强

《智能控制》课程教学内容抽象、公式推导繁多且教学内容多，若授课教师侧重讲解理论知识，将降低学生的课程积极性，同时也难以理解抽象的理论知识。此外，由于教学内容具有一定的难度，学生在学习阶段对知识的理解存在一定的困难，学生易对课程产生厌倦感和恐惧感。

（三）仿真能力低

《智能控制》课程可借助MATLAB仿真软件对控制系统进行分析和求解，通过MATLAB仿真可极大提高《智能控制》课程的学习效率，帮助学生更好地掌握智能控制知识。然而，目前大多数高年级本科生并不具备熟练的MATLAB仿真能力甚至没接触过该软件，从而将极大影响学生对《智能控制》课程学习效率的提升。

（四）教学实践少

由于《智能控制》的教学内容多且深，涉及的每一个控制算法（例如模糊控制、神经网络控制等）都能开设一门单独的课程，而且几乎都是抽象的理论知识，教学内容在有限的课时内无法全部讲授[12]，所以大多数院校没有开设相应的教学实践环节，学生仅通过枯燥的理论知识难以深入理解智能控制理论知识，此外也难以掌握智能控制理论的应用能力，进而阻碍《智能控制》课程教学效果的提升。

四、基于OBE理念的课程目标与持续改进

为了使学生具备解决复杂工程问题的能力，根据表1所示的基于OBE理念的毕业要求确定课程目标，通过教学评价和达成度改进课程目标。《智能控制》的课程目标与基于OBE理念的毕业要求的对应关系如表2所示。通过教学评价与课程达标度持续改进课程目标，形成适应自动化领域发展、适合当前自动化本科生的《智能控制》课程目标。

五、基于OBE理念的教学改革

为了实现基于OBE理念的《智能控制》课程目标，对《智能控制》课程的教学内容、教学方法以及考核方式进行改革。

（一）教学内容改革

1. 引入工程实例

《智能控制》作为理论课，大部分教学内容都是讲解控制算法的原理和理论推导。通过精简教学内容，理论讲解结合具体的工程设计实例，使教学内容更加具体形象，可激发学生学习的积极性，加深学生对理论知识的理解，进而提升教学效果。采用先进的直线电机倒立摆系统作为工程实践的被控对象，设计相应的模糊控制器设计、神经网络控制器、基于遗传算法的智能控制器等，实现直线电机倒立摆系统的有效控制。

2. 紧密联系《自动控制原理》与《现代控制理论》

为了突出《智能控制》的前沿性和独特性，以往在教学过程中经常脱离学生所熟知的专业基础知识，使学生感觉在学习一门全新的学科知识[13]。该课程是经典控制和现代控制基础之上的控制方法，更倾向于解决复杂系统的控制问题，在《智能控制》教学过程中应紧密结合经典控制和现代控制，将三者进行对比分析和融合，进而使学生更深层次地理解控制理论、更加理解并掌握智能控制的基本理论知识。

3. 提高仿真能力，重视实验

传统的《智能控制》教学方式一般为理论讲解，学生吸收课堂所授的理论知识效率低[14]，针对这一特点，引入MATLAB仿真教学与实验教学，深入融合理论、仿真与实验教学，提高学生的课堂积极性与专业实践能力。利用MATLAB自带的模糊控制和神经网络等职能控制相关的工具箱，可促进学生消化理论知识，并降低对枯燥、理论过强的课程的抵触心理。同时学生也可基于MATLAB软件自行编写智能控制算法，提高学生理论知识的消化率和学生的实践能力。此外，基于直线电机倒立摆的实验，使学生掌握了将智能控制理论知识应用于具体工程实践的能力，同时培养学生解决复杂工程问题的能力。

（二）教学方法改革

1. 改革授课方式

《智能控制》课程传统教学授课过程与学生交流较少，采用任务驱动式[15]和问题启发式[16]的教学方法。学生根据布置的课程任务思考课程相应的内容并提出问题，根据提出的相关问题对学生进行引导性的思考和详细讲解，提高学生对课程的好奇心与求知欲，增强学生对课程知识的吸收率和转化率。

2. 改革作业方式

《智能控制》课程传统的作业方式为教师线下审批[17]。该课程大部分作业需要MATLAB辅助完成，根据该特点，利用组建的课程QQ群在线上布置作业，由指定的学生代表收齐作业，然后在线上递交作业，教师审批完作业后，记录作业中存在的问题并在线上反馈给相关学生，师生进行线上课程互动。该作业模式，可增进师生互动、提高课程效率。

3. 改革实验教学

《智能控制》课程传统的实验教学分为教师讲解原理和学生实验验证、处理数据以及撰写报告两部分[18]，该方式极易使学生产生敷衍心理，无法深刻理解智能控制算法及其应用。为了提高学生参与实践教学的积极性，采用自主式、探索式和团队式的教学方法，即：课前学生分组预习实验内容，实验过程中教师不参与实验讲解与操作，实验过程中出现的相关问题由学生团体之间相互讨论和解决、教师辅助提点，鼓励学生自主解决问题，进而培养学生利用智能控制理论解决负责工程问题的能力。

4. 考核方式改革

《智能控制》课程考核方式由传统的期末笔试[19]改为期末开卷考结合实验考核的方式，考核方式与成绩占比如表3所示。期末开卷考和实验考核均占总成绩的50%，主要考核学生是否具备应用智能控制理论解决负责工程问题的能力，该方式可培养学生利用智能控制理论解决负责工程问题的能力，并提升学生学习的积极性和工程实践能力。

期末开卷考内容主要是智能控制器设计的相关内容。实验考核包括实验设计与分析、汇报答辩两部分。实验设计与分析考核，学生组队进行实验，教师考查实验过程中学生参与度和积极性，现场考核实验系统的控制效果，同时考核实验报告中智能控制器的设计、分析与结论。汇报答辩考核，课程实验结束后，学生进行课程PPT汇报答辩，汇报内容主要为实验设计、分析与总结，教师根据学生汇报内容提出相应的问题，学生要回答教师的相应提问，其中学生PPT汇报时间为15分钟，提问和回答10分钟。

六、结束语

针对目前《智能控制》课程的教学内容理论性过强、学生仿真能力低、教学实践环节少的问题，通过调研并结合自身的《智能控制》课程教学经验，提出并探讨了基于OBE理念的智能控制课程教学改革方法，该课程教学改革方法可有效提高自动化专业智能控制理论课程的本科教学质量，提高自动化本科生《智能控制》课程的学习积极性、智能控制理论与工程实践融合的能力以及解决复杂工程问题的能力。

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