朱婕 徐剛

摘 要：本文從工程教育專業(yè)認證角度出發(fā)，以O(shè)BE為理念，在分析歷年自動控制原理實驗課程存在問題的基礎(chǔ)上，對實驗課時、教學手段，實驗項目、考核體系等方面進行相應(yīng)的實踐教學改革并取得一定的階段性成效，這將有助于高?？刂祁悓I(yè)實踐教學質(zhì)量的提升.實踐成效驗證了改革與研究的有效性.

中圖分類號：G642.0 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）12-0149-03

眾所周知，工程教育專業(yè)認證遵循三大理念：成果導(dǎo)向，以學生為中心，持續(xù)改進.其中成果導(dǎo)向教育（Outcome based education，OBE）亦稱能力導(dǎo)向教育，本著這個原則，為了以學生發(fā)展為中心，以學生能力提升（即OBE理念）為導(dǎo)向[1]，而《自動控制原理》作為《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》中規(guī)定的自動化類專業(yè)一門非常重要的核心課程，其實驗課程對理論課內(nèi)容的理解有著舉足輕重的作用，而以往的該實驗課的課程目標、教學內(nèi)容、教學方法等已經(jīng)不能很好適應(yīng)工程教育專業(yè)認證的要求.本文從機工程教育專業(yè)認證角度出發(fā)，以O(shè)BE為理念，分析自動控制原理實驗課程教學中存在的不足，并就課程進度和實驗項目、教學方法和手段以及課程考核評價體系制定等方面的教學實踐進行探討.

1 高校自動控制原理實驗課程的現(xiàn)狀

1.1 實驗課時安排不合理

高校普遍存實驗教學課時安排較少的情況.教師為了完成教學任務(wù)，只能在有限的課時內(nèi)選取對重要的理論內(nèi)容來設(shè)置實驗項目，而每個實驗項目的難易程度又不盡相同，但是設(shè)置每次實驗課的課時又是統(tǒng)一的，使得一部分學生在有限的實踐課堂教學時間出現(xiàn)錯誤時，沒有足夠的時間去分析和判斷，并最終找到問題所在，而另一部分能力強的學生完成實驗后又無所事事.

1.2 實驗項目陳舊，沒有層次

目前，實驗課程的項目基本是確定好的，一份實驗指導(dǎo)書可以使用數(shù)年，導(dǎo)致其中的實驗項目既陳舊又單一，從表1中可以看出綜合性實驗僅占25%，其余均為驗證性實驗，更沒有設(shè)計性的實驗，缺乏對學生通過實驗獨立發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力培養(yǎng)，由此造成學生創(chuàng)新意識的缺失.學生在實驗過程中只需要根據(jù)步驟執(zhí)行即可得出預(yù)期的結(jié)果，沒有創(chuàng)造性和設(shè)計性，很大程度上抑制了學生的創(chuàng)新能力.

1.3 實驗教學手段的模式保守

目前自動控制原理實驗教學比較單一，實驗可操作性不強，不利于培養(yǎng)學生的設(shè)計思維和實際操作能力.傳統(tǒng)的實驗主要是基于Matlab的軟件仿真實驗?zāi)Ｊ剑硗庖环N是通過自動控制實驗箱連線的教學實驗?zāi)Ｊ?兩種教學模式各有利弊，無法針對不同能力的學生做不同的項目練習，達不到以學生為本的要求.

1.4 實驗教學的考核方式模糊

課程考核的目的在于了解學生對該實驗課程知識和方法的掌握情況，歷年該課程的考核方式并沒有明確，很多情況下把最后一次實驗內(nèi)容作為實驗考核，這樣教師并不能很好的了解學生對這門實驗課的掌握程度，也不能很好的體現(xiàn)每一個學生的能力.

2 實踐教學改革

針對在實踐教學中遇到的問題，思考如何提高高等教育自動控制原理實驗課程的質(zhì)量，本文分別從以下方面進行了思考與闡述.

2.1 實驗課時合理化

實踐教學工作沒有提前的計劃和準備，就不可能獲得良好的教學目的，所以要好好對照檢查，及時糾偏，及時總結(jié).針對課時安排不合理的現(xiàn)象，在設(shè)置實驗課時的時候，按照每個實驗內(nèi)容和實驗項目的難易程度來設(shè)置相應(yīng)的課時數(shù)，這樣就可以合理安排進度，又避免學生為了應(yīng)付，放棄實驗或者不求甚解，匆匆了事的現(xiàn)象.

2.2 教學手段多樣化

為了以學生發(fā)展為中心，以學生能力提升（即OBE理念）為導(dǎo)向，在自控原理實驗教學中使用一種虛實結(jié)合的實驗教學方式，就是在教學中結(jié)合虛擬仿真模式和硬件模式的優(yōu)點，即一種虛實結(jié)合的教學方法，對實驗項目進行合理設(shè)計，使學生進行“自動控制原理”課程實驗后，既能實現(xiàn)對控制理論的思考，也能獲得對控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)和調(diào)試的切身體會，在實驗過程中實現(xiàn)對理論內(nèi)容的升華，提高學生的工程實踐應(yīng)用水平.改革前后教師授課模式和學生上課模式的對比見表2.

由于虛實結(jié)合的教學方法具有綜合性的特點，學生能夠綜合運用《模擬電子線路》《信號與系統(tǒng)》《自動控制原理》《現(xiàn)代控制理論》等相關(guān)課程的相關(guān)知識，可以根據(jù)學生的學習能力和專業(yè)本身的特點進行相應(yīng)模塊化的內(nèi)容組合設(shè)計，可以考查控制類專業(yè)學生在以下幾個方面所掌握知識的程度.

1）能夠正確運用好電子電路硬件電路模塊，通過模擬電路的學習正確理解各種反饋在電路設(shè)計中的重要意義.

2）能夠正確分析和描述各種波形的參數(shù)意義，并能夠結(jié)合相關(guān)理論知識掌握確定參數(shù)的具體計算方法和步驟.

3）通過軟件仿真（matlab和multisim）、學習掌握軟件仿真的操作、使用、理論計算分析等環(huán)節(jié)，提高學生綜合實驗數(shù)據(jù)分析的能力，理解工程環(huán)境下不同軟硬件結(jié)合的功能實現(xiàn)，引導(dǎo)學生在實驗報告、實驗分組討論、小組答辯等環(huán)節(jié)中進行充分理解和討論.

4）要求學生在實驗前預(yù)習，能訓(xùn)練學生的儀器使用、線路搭建的能力和思維邏輯性;在實驗過程中，通過小組合作促使學生協(xié)作學習，發(fā)動小組討論，加以教師引導(dǎo)，促進學生分析實驗結(jié)果，并對比理論結(jié)果找出差異、分析原因;課后利用虛擬實驗體驗實驗過程，促進學生反思和深度學習，從而培養(yǎng)學生實踐能力和應(yīng)用能力.

2.3 實驗系統(tǒng)和實驗項目改進化

2.3.1 實驗系統(tǒng)的改進

為了提高教學質(zhì)量，提高學生的興趣，按照OBE的教學思路，新的實驗教學系統(tǒng)采用集成化設(shè)計思路，結(jié)合了電路設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和虛擬儀器技術(shù)[2]，可提供實體實驗所需的硬件電路，并且能夠提供仿真軟件，完成硬件實驗?zāi)Ｊ?，和軟件仿真實驗，同時可根據(jù)教學要求兩者有機結(jié)合實現(xiàn)虛實結(jié)合實驗.系統(tǒng)可以進行理論計算，以matlab中的Simulink搭建控制系統(tǒng)框圖并進行仿真實現(xiàn)，進行理論參數(shù)分析及計算.學生能夠根據(jù)信號與系統(tǒng)分析和自動控制原理等課程的相關(guān)理論進行參數(shù)的確定和分析，注重參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性和強耦合性.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

在實驗教學過程中采用的實驗平臺系統(tǒng)主要由虛擬部分和實踐部分組成.實驗臺提供各種電路，實驗過程中根據(jù)實驗需要可以進行靈活調(diào)用、構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的各種典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)，滿足不同硬件實驗的需求.同時結(jié)合信號發(fā)生器、數(shù)字示波器等儀器儀表，可以實現(xiàn)模擬電子電路、信號系統(tǒng)與分析等硬件電路實驗的需求.通過實驗掌握運算放大器、階躍電路產(chǎn)生、空間狀態(tài)方程等主要專業(yè)知識點，利用放大器件、信號發(fā)生器、波興器等功能模塊和儀器實現(xiàn)各種電路的基本功能.虛擬部分主要臺式計算機構(gòu)成，計算機內(nèi)安裝Matlab仿真軟件和Multism形成虛擬電子工作平臺，實現(xiàn)實驗系統(tǒng)的軟件仿真，同時聯(lián)合信號發(fā)生器、虛擬示波器等作為實驗系統(tǒng)所需的信號源和測試儀器，形成集模型仿真、電路仿真和硬件電路系統(tǒng)調(diào)試、軟件硬件結(jié)合的教學實驗設(shè)備.實驗平臺結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示.

2.3.2 實驗項目的改進

任課教師要對照課程標準，強化自身對實踐教學細節(jié)化思考，動態(tài)調(diào)整教學深度[3].所以自動控制原理實驗課程在OBE理念下，根據(jù)學生能力的不同，對實驗項目進行改進，增加設(shè)計性、提高性的實驗，以達到鍛煉學生的目的.實驗改革后實驗項目及學時數(shù)表格見表3所示.

從表3可以看出，綜合性和設(shè)計性實驗項目的比重大大增加，整個實驗課堂教學內(nèi)容非常飽滿，相應(yīng)的來說，學生的積極性就會提高很多，不同程度的學生完成不同程度的實驗內(nèi)容，而對于能力比較強的同學，在完成基礎(chǔ)的驗證性實驗之后，可以進行提高性實驗的訓(xùn)練，可以使學生能力發(fā)揮到極致.

2.4 實驗考核制度體系化

傳統(tǒng)的實驗成績主要是以出勤率和實驗報告作為主要依據(jù)，這樣的方式不能夠把每一位同學的掌握情況都那么清晰的顯現(xiàn)出來.在采用虛實結(jié)合的教學方法后，為了提高學生學習的主動性和參與度，本課程建立基于學習過程的課程考核體系[4]，每次實驗課時可以對每位學生的每個步驟進行打分.

1）在軟件部分完成以后，可以對學生的完成情況進行評分

2）硬件操作結(jié)束之后，再對每位學生的完成度進行評分

3）針對嘗試更多設(shè)計方法和參數(shù)調(diào)試的學生進行鼓勵性加分

這樣一來，平時成績中的操作部分將會占有很大比重，從而弱化傳統(tǒng)教學中實驗報告占據(jù)大比重的現(xiàn)象，具體分配如下：實驗考核包括實驗平時考核和實驗期末考核兩部分;實驗考核成績=實驗平時考核成績×70%+實驗期末考核成績×30%.實驗期末考核方式為操作加筆試.（表4）

3 改革成效

3.1 競賽成果

近年來，經(jīng)過提高性和自主設(shè)計性實驗項目訓(xùn)練的學生，很多都自行設(shè)計制作作品參加各類比賽，均取得了良好的成績.圖3為部分學生參賽獲獎證書.

3.2 項目成果

經(jīng)過自控實驗的教學改革后，學生的科學實驗?zāi)芰?、?chuàng)新能力都得到不同程度的提高，部分同學可以自己主持或者參加各類項目，比如大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，支持百名優(yōu)秀學生課外科技實踐創(chuàng)新活動基金項目等等，項目名稱如表5所示：

4 總結(jié)

基于OBE理念的自動控制原理實驗課程改革和實踐已經(jīng)刻不容緩，以學生發(fā)展為中心的成果導(dǎo)向是今后工科專業(yè)課程建設(shè)的必由之路，也是反哺教學提升學生動手實踐能力的重要途徑.本文在總結(jié)當前自動控制原理實驗課存在問題的基礎(chǔ)上，以成果導(dǎo)向教育和學生能力提升為理念對該實驗課程進行了教學改革和實踐，有效提升創(chuàng)新能力，使學生對專業(yè)知識的接受更為準確.通過系統(tǒng)性的實驗教學環(huán)節(jié)可以有效幫助學生理解好專業(yè)教學內(nèi)容，提高學生的能力，培養(yǎng)更高質(zhì)量的綜合性人才.

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