基于OBE 理论的“自动控制原理”课程重构研究

颜 森，周红锴，李高宇，李崇山，王守峰

（桂林理工大学南宁分校，广西 崇左 532100）

0 引言

为了推动职业教育高质量发展，提高劳动者技术技能水平，促进就业创业，建设教育强国和技能型社会，推进社会主义现代化建设，2022 年5 月1 日起正式实施《中华人民共和国职业教育法（修订草案三次审议稿）》（下称《职业教育法》）[1]。《职业教育法》作为国家层面对职业教育的顶层设计，为新时期我国的职业教育发展提供了可靠的法治保障，对推动我国技能型社会的建设具有重大意义，彰显了中国特色社会主义职业教育已经进入了高质量发展的新阶段[2]。2020年9 月，教育部等九部门联合印发《职业教育提质培优行动计划（2020-2023 年）》，提出职业教育“三教”（教师、教材、教法）改革攻坚行动任务，全面深化“三教”改革，要求树立新发展理念，服务建设现代化经济体系和实现更高质量更充分就业需要，对接科技发展趋势和市场需求，为高等职业院校课程改革确立了基本的逻辑起点[3]。“自动控制原理”课程是高等职业院校自动化类和机电一体化专业的基础课程，也是控制理论与实际工程应用紧密结合的一门经典课程，与高质量就业和适应产业发展需求密切相关。然而，当前的“自动控制原理”课程内容相对陈旧，与企业需求和未来的工作岗位技能要求匹配度不够；在课程的教学中普遍存在教学内容理论性过强、教学实践少的问题，不符合“三教”改革背景下的人才培养，因此开展高等职业院校自动控制原理课程内容重构的研究势在必行。

1 OBE 理念对“自动控制原理”课程改革的意义

OBE（Outcome Based Education）以学习成果驱动整个课程教学体系并进行学习评价的先进教育理念，对于解决上述问题具有重要的指导意义。OBE 教育理念的核心是以学生预期获得的学习目标和达到毕业要求为导向，以学生为中心，反向重构课程教学内容[4]。根据学生毕业要求达成度持续改进教学体系、修正课程培养目标，从而形成闭环的持续改进机制，如图1 所示。在“三教”改革和专业分级建设的背景下，基于OBE 的先进理念对于高等职业院校课程改革和提高人才培养质量具有重大的现实意义。

图1 OBE 理念模型

国内已有较多学者基于OBE 理念对课程改革展开了研究[5-7]，但对“自动控制原理”课程改革研究相对较少。通过分析“自动控制原理”课程的特点、教学现状以及存在的问题，结合社会发展需求，基于OBE 理念对自动控制原理课程进行重构研究。首先突出就业行动导向，明确课程培养目标；然后根据培养目标重构教学理论，将知识点与项目相融合设计教学内容，优化教学体系；最后采用自主式、探索式、团队式相互融合的方法改革实践教学，并建立以学生为中心，根据学生毕业要求达成度持续改进教学体系、修正培养目标，从而构建闭环持续改进机制。课程内容重构深度融合OBE 理念，将提高学生学习积极性、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，以促进就业和适应产业发展需求，实现高质量就业[8]。

2 课程学前分析

2.1 课程的地位与作用

“自动控制原理”课程是高等院校自动化、机电一体化专业的专业基础课，也是建筑电气与智能化等专业的必修课，并且是工程类硕士研究生考研专业课之一。根据2019-2021 年桂林理工大学南宁分校选课人数数据得出，该课程本科选课人数呈线性增长，且2021 年增长率为114%，专科选课人数也呈现增长趋势。由于机电一体化专业减少2 个班的招生人数，但是2020 年与2021 年选课人数基本一致，说明本课程在专业课程体系中占有举足轻重的地位。如图2 所示。

图2 本专科选课人数

“自动控制原理”对课程设计、毕业设计具有重大意义，根据自动化专业2022 年毕业论文选题数据得出，与自动控制系统设计相关的毕业设计高达70%，而且跟学院的就业率和就业质量息息相关。

2.2 课程存在问题

采用问卷调查的方法，对目前进行自动控制原理课程授课的2021 级自动化和机电一体化专业进行调查分析，问卷调查向168 人发放了问卷，有效回复问卷152 份，无效问卷0 份，缺失问卷16 份，有效问卷超过91.0%，问卷有效。本课程是专业必修课，课程对于初学者来讲，属偏难课程，根据问卷调查的情况，采用频数分析法，进行调查分析。

2.2.1 学习兴趣不高

自动控制原理课程涉及的理论知识包含多门课程如高等数学、电机拖动技术和电力电子技术等，其控制系统的数学模型建立和转换理论性很强，具有很强的专业性，对控制系统进行性能分析内容繁杂，容易导致学生对自动控制原理课程的学习兴趣不高，超过68%的同学认为该课程难以掌握。如图3 所示。

图3 课程难易程度

2.2.2 教学内容繁杂脱节

自动控制原理是多学科知识在控制过程中的综合运用。本课程主要包含1 个原理：控制系统工作原理；2 大模型：微分方程和传递函数；3 大方法：时域法、频率响应法和根轨迹法；4 个判据：劳斯判据，霍尔维兹判据，Nyquist 判据和Bode 图等多方面、多角度的知识，导致教学内容较为繁杂。并且该课程课时数相对较少，导致课程授课内容知识点覆盖范围较小，与企业需求和高技术工作匹配度不够（图4），缺乏专业性强的拔高类课程内容和体系，课程建设不够完善。

图4 毕业生就业去向

2.2.3 教学内容重理论、轻实践

由于教学条件的限制，以往的自动控制原理课程往往都是采取任课教师统一讲解的教学方式，教学活动的主体是教师，导致学生的学习兴趣不高，学生对该课程的理解不深，无法将所学知识用于解决实际问题。

3 课程教学内容重构路径

3.1 突出就业行动导向，建立课程培养目标

《职业教育法》在教育规划方面，提出规定发展职业教育应当与促进就业创业、推动产业结构调整等整体部署、统筹实施，进一步明确职业教育面向市场、服务发展、促进就业的办学方向，因此自动控制原理课程作为一门专业必修课，培养目标应综合考虑人才培养目标和社会需求，体现专业特色和职业特征，以突出就业行动导向为逻辑起点，建立综合性、多维度、促就业的课程培养目标。

根据自动化和机电一体化社会需求和岗位技能要求，要求学生具备根据实际的控制系统分析和解决问题、参与工程实践的实际能力，具有良好职业素养。因此，在教学中应建立本课程的课程目标，应包含知识目标、能力目标以及素质目标三个目标。知识目标主要有根据实际的控制系统建立数学模型，分析系统的稳定性、动态和稳态性能，并能设计相应实验，形成良好的工程实践意识。能力目标包括掌握控制系统的控制过程，利用仿真实验，设计校正控制器改善控制系统性能，具备设计开发复杂工程问题解决方案的能力。素质目标含有培养学生勇于面对挑战的精神，并能够立足专业特色、追求卓越，具有科技强国的使命担当[9-10]。

因此，为更好地达到课程培养目标，以学生为中心，充分考虑不同学生背景差异和就业岗位技能需求进行因材施教，注重课程理论和实践相结合，全面提高学生的知识应用能力，依靠课程反馈机制不断调整教学内容和教学方式，从而实现促就业高质量就业的目标。

3.2 基于OBE 理念重构教学内容

3.2.1 优化课程内容

自动控制原理课程理论性较强，内容包括复杂繁多的数学推导和数学分析，导致学生学习兴趣不高，因此采用任务驱动式教学方法提高学生学习的积极性，并用实际的工程项目引导学生学习，并根据学生和企业需求对教学重难点进行调整，使教学内容更有利于课程目标的达成。该课程内容可以分成建立系统的数学模型和控制系统性能分析两大部分：第一部分主要包括系统概述、拉普拉斯变换和系统的数学模型；第二部分主要包括时域分析法、频域分析法、根轨迹法、控制器的设计与实现，通过工程项目、分析系统组成、系统框图设计、建立系统数学模型、系统性能分析、系统校正以及系统实施形成一个有机的知识链，对各章节内容进行有机的衔接和融合[11]。

（1）系统概述以水位控制系统为例贴近生活实际，讲解其自动控制系统的分类、组成以及系统的作用量和被控量，增加学生的兴趣，让学生更好的达成系统概述知识目标。

（2）拉普拉斯变换以单位阶跃函数变换为例，深入浅出讲解拉氏变换的概念以及拉式变换的运算定理，使学生达成理论知识目标。

（3）系统的数学模型以建立直流电机的微分方程为例，讲解系统微分方程的建立步骤，利用拉普拉斯变换转换成传递函数，引出传递函数的定义和性质。数学模型实质上是描述系统中的变量及其关系，而变量间的关系是各种物理化学定律，通过典型实例使学生掌握常规的定律和建立控制系统数学模型的步骤，为后续的系统性能分析打下坚实的基础和兴趣。

（4）时域分析法以二阶控制系统的单位阶跃响应为例，直接从微分方程或间接从传递函数出发分析控制系统的稳定性、稳态性能和动态性能，引导学生观察典型环节的响应输出曲线，并进行归纳总结典型控制系统不同输入信号作用输出的特性，达成利用时域分析法分析系统性能的技能目标。

（5）频域分析法以典型环节为例，用图解的方法对控制系统进行分析，重点讲解辐角原理，引导学生绘制Nyquist 图和Bode 图，使学生掌握利用开环传递函数的频率特性分析闭环系统性能的方法，达成利用频域分析方法分析系统性能的技能目标[12-13]。

（6）根轨迹法以三阶系统为例，从系统开环传递函数和闭环传递函数为切入点引导学生明确零点、极点以及闭环主导极点的对控制系统性能的影响，利用根轨迹分析系统参数对控制系统性能的影响。

（7）控制器的设计与实现以PID 控制器设计为例，当自动控制系统的性能不满足所要求的性能指标时，首先考虑调整系统可调整的参数能不能改善系统性能，然后需要设计控制器进行系统校正使之满足所要求的性能指标。PID 控制器的设计与实现综合考察学生对实际控制系统的建模、分析、校正的能力，检验是否达成课程目标方法之一。

3.2.2 课程学时的优化

学校教学计划自动控制原理课程共48 学时，其中理论教学为44 学时，实践教学为4 学时。自动控制原理理论教学中的部分知识，在高等数学、电子技术等课程中已经讲述，而且理论知识比较枯燥乏味，学生的兴趣不高，因此，需要对授课内容进行必要的重构，以实际项目为导向，突出重点、弱化难点，从而实现缩减理论教学学时，增加实践教学和线上教学学时的目标。具体的改革措施如下：

（1）理论教学改为36 学时，实践教学为8 学时，线上学习4 学时。建立系统的数学模型和频域分析作为课程重点内容，采用“项目引导式授课+随堂测试+翻转课堂”模式开展，注重学生对实际控制系统的数学模型建立的步骤和变换成传递函数的方法，并根据数学模型利用频域分析法分析控制系统的性能，判断是否满足性能指标，与实际工作密切相关，切实符合岗位技能的需要[14-15]。

（2）为了增加学生的学习积极性、不断提高学生解决复杂问题的能力，以促进就业，增加一些实践教学内容，如：二阶控制系统的搭建、二阶控制系统的阶跃响应、控制器的设计与实验等。

3.3 构建闭环持续改进机制

以学生预期获得的学习目标、毕业要求以及社会需求为导向，反向设计课程内容，在教育过程中以学生为中心，量化教育评价方式，根据专业发展趋势和学生毕业要求达成度持续改进教学体系、修正培养目标，从而形成闭环的OBE 理念模型。教研室每学年都会开展课程培养目标的修订工作，主要依据开学前和开学后的问卷调查、作业、课堂表现、期末成绩、辅导员意见搜集、学生评教等方式搜集反馈意见，分析计算学生毕业要求达成度的情况。根据社会的需求、反馈以及毕业要求达成度的情况，调整课程培养目标，不断优化课程内容，提高学生的学习积极性及解决实际问题的能力，促进就业和适应产业发展需求。

4 教学改革成效

基于OBE 理论对自动控制原理课程重构以来，受到学生和同行的一致好评，也得到实习单位和用人单位的高度认可，并从课程质量调查问卷、学生评教和督导检查结果得知，基于OBE 理论对自动控制原理课程重构，解决了目前该课程存在的部分问题，并取得了预期效果。

4.1 优化课程培养目标

根据自动化和机电一体化专业的社会需求和岗位技能要求，结合人才培养方案，以突出就业行动导向，优化课程知识目标、能力目标和素质目标，使绝大多数学生能够独立、高质量完成控制系统建模和控制系统性能分析，通过解决实际工程问题，深化知识内涵、提升创新思维能力。

4.2 优化课程内容，知识点与工程项目有机融合

根据学生需求和企业需求对教学重难点进行调整，并将各章节的知识点与实际的工程项目有机融合，促进就业和适应产业发展需求，采用任务驱动式教学方法引导学生学习，提高学习兴趣，解决由于自动控制原理课程理论性较强，内容繁多复杂，导致学生学习兴趣不高等问题，受到学生和同行的一致好评。

4.3 人才培养成效

学生利用所学的理论知识解决实验和实践中遇到的问题，提高学生的分析、解决问题的能力和理论与工程实践融合的能力。另外，以工程项目为导向，提高学生的学习兴趣，培养学生创新创业意识。我院学生在参与科研教改项目，发表论文、专利，申报大学生创新创业项目等方面数量逐年增加，质量不断提高，达成提高人才培养质量的目标。

5 结语

在“三教”改革的背景下，分析目前自动控制原理课程教学存在的问题，基于OBE 理论的自动控制原理课程重构研究，以学生为中心，突出就业行动导向，建立课程培养目标，重构课程内容，优化学时分配，利用实际工程项目问题深入浅出讲解自动控制原理的知识点，使其真正掌握控制系统的基本概念、系统分析、设计的方法，并根据社会的需求、反馈以及毕业要求达成度的情况，构建闭环持续改进机制，不断优化课程内容，提高学生的学习积极性、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，促进就业和适应产业发展需求，提高人才培养质量。