基于OBE理念的《控制工程基础》课程闭环教学系统设计
高旭 石利霞 段洁 胡源
摘 要：在当前工程教育认证的大背景下，文章以光电测控类课程《控制工程与基础》教学为例，提出了基于OBE理念的课程教学设计，深入研究了以学生为中心，以学生产出为导向的教学设计、教学实施以及教学评价。建立了以OBE理念为指导，以学生产出为导向，连接各个教学环节的闭环教学控制系统，通过闭环控制，形成良性持续改进机制。结合教学案例，为课程教学系统提供了有效的数据支撑和理论支撑。
关键词：OBE;光电特色;光电测控类;控制工程与基础
中图分类号：G642.423 ? ? ?文献标志码：B ? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2019）22-0054-04
一、背景分析
《控制工程基础》也泛称为“自动控制原理”，是大部分工科专业的必修课，从系统概念角度来看，更是测控技术与仪器专业的特色课，在课程体系中具有承上启下的重要作用。
课程的大致内容可从以下三个角度进行概括：运用工程的意识，将物理、化学、生物等不同原理的测控系统工程化;采用控制的语言，对工程系统进行相关原理、方式、效果的描述;利用数学的手段，对控制系统建模并对信号传输误差进行分析。所以，控制科学是测控仪器研制必备的技术手段，并占有重要的技术地位。
我们的教育理念是基于学习产出的教育模式（Outcomes-Based Education，OBE）或称成果导向教育模式，即以学生为中心，建立以学生产出为导向的教学设计、教学实施以及教学评价。《控制工程基础》作为一门专业基础课，在这样的理念指导下，根据本科教学国家标准和人才培养方案，在课程体系中能够支撑4点毕业要求指标点。2018年，长春理工大学光电工程学院测控技术与仪器专业经过首轮认证，梳理了12点毕业要求，细化分解了32点毕业要求指标点，并建立了课程、课程目标以及毕业要求指标点间对应关系矩阵。
该专业依托仪器科学与技术一级学科，以航天航空、兵器、光电精密仪器产业为背景，它的专业定位是国内知名的本科教育，专业特色（特质）为集光、机、电技术的综合工程应用，专业以培养具备精密仪器设计与研制、测控技术及系统开发领域基本理论、专门知识和专业技能，具有创新精神、国际视野和社会责任感的工程技术人才为培养目标。
基于此，《控制工程基础》课程在庞大的课程体系中自身设立了5个课程目标，并对应支撑4个毕业要求指标点，如表1所示。以第二章《控制系统数学模型》为例，它对应课程目标1、2，后又按照不同权重关系，支撑3个毕业要求指标点。
二、课程目标设置
《控制工程基础》的课程目标设置从技术要素、非技术要素二维又细化升级为知识、能力、情感三维，建立了5个课程目标：①能够学习和解释自动控制方面的专业术语及其含义;②学习控制系统基本分析方法和校正方法，建立控制系统各个部分传递函数，并通过机理分析建立简单的线性定常数学模型;③能够利用基本分析方法和校正方法对简单线性定常系统进行定性评价、定量估算和制定简单控制系统校正方案;④能够使用Matlab仿真软件对系统进行模拟分析，初步具备光电仪器控制系统的设计能力;⑤通过典型控制工程案例，使学生感受控制科学在复杂工程系统设计中的工程价值。
概括来说，以能够学习、解释自动控制方面术语及各种分析方法即为知识目标;以能够应用各类分析方法及软件对控制系统进行分析设计即为能力目标;以通过典型控制工程案例，使学生感受控制科学在系统设计中的工程价值即为情感目标。
根据这样的三维目标内容，我们设置了“一主三辅”的教材选用策略，以胡寿松老师主编的偏控制工程的“十二五”规划教材《控制工程基础》作为主教材，以胡寿松老师主编的国防工业出版社出版的《自动控制原理》（第 5 版）和董景新老师主编的清华大学出版社出版的《控制工程基础》（第 4 版）这两本偏控制理论的中文教材作为辅教材，同时以Stanley M.shinners主编的Moderm Control System Theory and Design英文教材作为辅教材，一方面为了打开学生的国际视野，另外一方面为学生本科阶段学习的经典控制理论与今后将会学习的现代控制理论做衔接与指引。
三、教学目标设置
如果把教学系统比作一个嵌入式系统的话，那么课程知识是软件，学生则是硬件，因此还需要了解学生的特点。本门课程授课对象是大三第一学期的学生，课程基础是高数和电工技术，因此从专业层面，可通过以往试卷分析学生的知识水平;通过辅导员和班导师了解学生的心理特点;通过实验的观察以及相关工程训练了解学生的能力水平和情感水平，还可采用调查问卷综合衡量学生特点。[1]
那么在教学过程正式嵌入之前，需要对以往教学过程进行分析和反思，我们的宗旨是依据三维课程目标，通过毕业要求达成度值反思学生的学和教师的教。例如，本课程从2013版课程大纲修订到2018版课程大纲，在原有侧重知识、能力考核的4个目标基础上，为强化情感这一维度的考核，2018版增加到5个目标，并重新梳理了对毕业要求的支撑关系，如表1所示。
在这样的背景下，建立合理的教学目标尤为重要。我们的教学目标设置，是根据课程具体知识点内容，依旧是从知识、能力、情感三维角度进行细化。
1.知识目标
①知道自动控制方面的专业术语;②能解释时域微分方程、传递函数、频率特性三者之间的转换关系;③能解释时域分析法、根轨迹法、频域分析法，并能分辨和归纳不同方法在具体应用场合间的差别;④能解释简单的校正方法，并能识别简单系统所需校正的场合。
2.能力目标
①能利用自动控制的基本概念和基本构成描述分析简单光学精密仪器系统;②能利用微分方程、传递函数建立系统的模型，能解释系统特征;③能利用Matlab或其他软件工具，應用时域分析法、根轨迹法、频域分析法分析线性定常系统的特性;④能利用校正方法对存在不同偏差类型的系统进行简单的校正设计;⑤能利用实验条件设计和完成实验任务，分析实验数据;⑥能利用本课程所学知识、方法、工具解决光电精密仪器问题。
3.情感目标
能通过本课程所学知识，理解控制理论在项目设计当中的工程价值。概括来说：知识分类目标为能解释具体的控制专业术语;能力分类目标为能正确使用具体的分析方法;情感目标为通过本课程的学习，对工程价值有初步认知。
教学目标设置的合理性和达成分析，一方面从学生角度，通过调查问卷形式进行，即通过本课程的学习，我能否达到以下教学内容的目标;另一方面从教师角度，通过各种教学目标达成途径，如前期知识储备以及学习过程中作业、实验、报告等环节的课程目标达成度值，来反映教学目标达成情况。
四、教学内容导图设计
如果说教学目标是方向，那么教学内容便是载体。从课程体系角度来看，课程前期以相关数学、电子技术等课程为基础。从系统角度来看，为后期仪器设计、精密测量等课程做基础，起着承上启下的作用。从专业研究角度来看，控制系统融合了力、热、光、电、磁等系统，而其专业特色（特质）为集光机电技术的综合工程应用，所以课程主要针对光电仪器系统控制进行学习。
课程特点为：针对同一个系统可以采用不同的分析方法进行分析，而同一个分析方法也可适用于多个物理意义不相同的系统，最终追求的目标都是系统的性能指标，所以《控制工程基础》课程的体系是立体的，不是平面的，更不是一维的。在这样的3D空间当中，我们设计了三横一纵的课程导图，如图1、2所示。
以系统性能指标为主线或者以稳定性、准确性、快速性理论作为主线，即树根;以三种分析方法、校正方法、数学建模作为横向支撑，即枝叶。由此，总结课程本身的系统性特点。之后进一步抽象建立控制系统的宏观模型，从课程本身出发总结重难点，重点即为系统建模、控制方法及校正方法，难点即为应用各类方法及软件对系统性能进行分析及指标解算。从专业研究角度来看，随着学生知识学习的深入、工程经历的丰富以及工程价值的认知感增强，课程的重点在于基于方法论的角度研究各类控制系统的分析方法，难点在于如何选择合适的方法评价一个已知控制系统，如何根据性能指标设计一个未知控制系统。
基于以上分析，课程设计了48学时的理论模块和16学时的实验模块，并细化了各个章节的学时分布，设计了7个验证性实验和1个设计性实验。
五、教学策略
一个优异的教学系统如何以最优的路径实现最佳收敛呢？教学策略便是实施的最佳手段。本课程总体的教学策略是：理论模块采用工程问题式导向教学;实验模块采用工程任务式导向教学。具体教学策略是融合现代教育技术手段，应用具体的教学方法、教学设计来实施[2-4]。
因为本课程更偏向专业技术，所以知识层面主要以讲授法为主，同时配合课堂派、雨课堂等App结合使用;能力层面主要以实验、教师指导特色的光电设计大赛等采用探究式教学法进行;情感水平的提升主要结合控制理论发展史及相关比赛渗透情感教育。所以不同的课程模块采用不同的策略和方法。
在具体目标的有效达成策略方面，我们结合专业特色，以典型的位置控制为例，设计了望远镜指向系统、激光操纵系统、雕刻机位置控制等光学控制系统，如图3所示，且与时域分析法、频域分析法、根轨迹分析法等三种分析方法密切对应。从编程、分析到仿真，作为知识、能力目标达成的专业强化策略。结合与仪器科学相关的获得诺贝尔奖的人物以及控制系统稳定性判据研究历史，例如劳斯判据、奈氏判据，加强学生对专业的热爱以及感受工程价值在人类生活中产生的重要影响。
在具体教学设计方面，如图4所示。从教师实际参与的飞行器控制案例simulink模型导入，首先讲解课程目标，然后具化建模的内容，通过这种激发式教学法进一步拓展运动模态等其他内容。
为了更好地将理论与实际相结合，我们与中国人民解放军空军航空大学联合自主研发了自动控制虚拟实验室，如图5所示。以液位控制系统为例，虚拟实验室可仿真实验，实验室可自主搭建实际物理系统。
同时，授课过程中还采用并列学习思维、上下位学习思维等思维方法。例如，三种分析方法的演变过程与编程语言（从汇编语言到C语言再到图形式Labview语言）的演变思维方式大同小异。再例如y=f（x），从纯数学角度来看，它表征一个函数关系，x是自变量，y是变量;而对于一个电学系统而言，x相当于系统激励，y相当于系统的响应;再延伸到一个控制系统而言，x相当于系统输入信号，y相当于系统输出信号。由此授课的思维模式也渗透让学生学习到一种科学的专业研究思维方法，而不仅仅是课程本身的内容知识。[5][6]
六、教学评价
一个教学系统设计完成之后，如何评价最后的教学效果，考核方式是依据。根据三维课程目标，情感层面可依据相关教学环节定性评价，而知识层面、能力层面结合教学环节，定量评价。具体的定量评价方式由平时成绩（20%）、实验成绩（10%）以及期末成绩（70%）三部分组成。并细化了三部分具体的考核细则，制定了细则中内容与课程目标间支撑的权重关系。
最后自主设计了达成度分析软件，并根据课程目标达成度计算公式（1）、（2），将成绩输入到软件界面，可直观获得课程目标达成度值。以1602114班学生为例，计算结果如图6所示，进而智能直接地反馈教学策略及教学设计。
通过课程目标达成值来看，目标3达成度为0.6，不高，目标3内容重点考察分析方法、校正方法的应用，通过各个达成途径，分析知识层面表征学生复变函数基础薄弱，能力层面表征对工程问题总体分析能力欠缺，因此后续课程我们将融入具体参与的科研项目等实际工程案例进行讲授。
最后，一个优异的教学系统建立完成之后，更离不开软硬件的支持。一方面，具体知识内容加强途径可通过MOOC、习题等各种软件条件支撑，即不同的教学模块采用不同的加强路径。假如对分析方法的实际应用感到困难，那么可以通过MOOC去学习自动控制元件实践课。另一方面，可依靠相关本科创优项目以及长春理工大学光电工程学院国家级实验教学中心和共享平台等硬件条件作为支撑。
七、结语
综上所述，我们建立了以OBE理念为指导，以学生产出为导向，连接各个教学环节的闭环教学控制系统。通过闭环控制，形成良性的持续改进机制。传感器和控制科学不断地更新发展，因此要取得良好的教学效果，还需要专业教师源源不断的科研力量作为支撑。
参考文献：
[1]高旭，石利霞，王劲松.Wiki-思维导图教学模式在光电测控类专业教学中的实践探索[J].中国教育信息化，2018（18）：70-73.
[2]李金环，王笑军，王庆勇.PPBL教学模式在光学教学中的实践探索[J].物理实验，2015，35（8）：10-14.
[3]王扬扬，许谨.测控类课程群综合实验教学模式的研究[J].中国电力教育，2013（19）：145-146.
[4]曹江中，戴青云，何家峰.产学研背景下工科院校实验教学的改革探索[J].实验室研究与探索，2011，30（6）：287-290.
[5]汤銘.促进学生“创新思维”发展的思维导图教学研究[D].上海：上海师范大学，2006.
[6]王恒，花国然，朱龙彪，等.面向卓越工程师培养的机电测控技术课程群建设研究[J].科教文汇（上旬刊），2016（1）：50-51.
（编辑：李晓萍）
