基于成果導(dǎo)向教育理念的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程改革研究

李艷杰 于曉琳 王磊

摘 ?要 根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，基于成果導(dǎo)向教育的理念，對機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式等方面以最終學(xué)習(xí)成果為起點進(jìn)行反向設(shè)計。采用線上線下教學(xué)相結(jié)合、合理安排實驗教學(xué)內(nèi)容等方法，使學(xué)生盡快掌握本課程的基礎(chǔ)理論并具備一定的工程應(yīng)用能力，力爭使全體學(xué)生達(dá)成預(yù)期的學(xué)習(xí)成果。

關(guān)鍵詞 成果導(dǎo)向教育;工程教育認(rèn)證;機(jī)械工程控制基礎(chǔ);課程改革;MATLAB/Simulink

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：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

成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education，OBE）指教師通過教學(xué)設(shè)計與實施，使學(xué)生最終取得理想的學(xué)習(xí)成果。當(dāng)前，我國的工程專業(yè)教育認(rèn)證正在由課程導(dǎo)向開始向成果導(dǎo)向轉(zhuǎn)化，堅持成果導(dǎo)向教育這一新理念是未來我國高等學(xué)校工程教育改革的主要方向[1-2]。

隨著人類社會的發(fā)展，具有自動化功能的機(jī)器越來越多，不同的自動化系統(tǒng)具有不同的結(jié)構(gòu)和不同的性能指標(biāo)要求。為了使機(jī)電一體化系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，系統(tǒng)的設(shè)計者不僅要擁有全面的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，還要擁有設(shè)計自動控制系統(tǒng)的理論和經(jīng)驗。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)正是控制理論在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用，課程內(nèi)容涉及經(jīng)典控制理論的核心內(nèi)容。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握經(jīng)典控制理論的基本原理及觀點，并能運(yùn)用所學(xué)知識去研究和解決機(jī)電控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題，為以后進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。本文用成果導(dǎo)向教育的理念對這門傳統(tǒng)課程重新進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，以獲得更好的教學(xué)效果。

2 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)中的主要問題

對照成果導(dǎo)向教育理念，目前傳統(tǒng)的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)存在下面幾個主要問題[3]。

1）仍采用陳舊的灌輸式教學(xué)，由于課程內(nèi)容容量大、學(xué)時短，這種落后的教育理念勢必造成以教師為主，教師講什么，學(xué)生聽什么，學(xué)生處于被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)，易造成部分學(xué)生一聽就懂、一看就會、一做就錯的問題。

2）教學(xué)模式單一。課程教學(xué)單一采用統(tǒng)一的教學(xué)時間、內(nèi)容、方式等，無法兼顧學(xué)生的個體學(xué)習(xí)能力及進(jìn)度，難以達(dá)成全員成功的效果。

3）課程的前修知識包括高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電工學(xué)、理論力學(xué)等，應(yīng)用型本科院校的學(xué)生普遍數(shù)理基礎(chǔ)薄弱，對課程中諸多的基本概念理解困難，導(dǎo)致部分學(xué)生無法跟上課程進(jìn)度，后續(xù)內(nèi)容學(xué)習(xí)效果較差。

4）學(xué)生實踐能力弱。課上教學(xué)內(nèi)容重理論輕實踐，缺少工程實例，實踐環(huán)節(jié)學(xué)生參與度低，能力訓(xùn)練不足。

5）考核評價機(jī)制單一，仍以傳統(tǒng)的閉卷考試為主，忽視過程性評價，難以通過考核激發(fā)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的動力以及提高學(xué)生的工程實踐能力。

3 成果導(dǎo)向教育理念在課程教學(xué)中的應(yīng)用

與以知識為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)理念不同，成果導(dǎo)向教育理念以學(xué)生預(yù)期能力獲得為主導(dǎo)，進(jìn)行反向教學(xué)設(shè)計和正向教學(xué)實施，教學(xué)的重點不再單一聚焦在學(xué)生的成績，更多地關(guān)注學(xué)習(xí)過程結(jié)束后學(xué)生真正擁有的能力[4]。

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的培養(yǎng)目標(biāo) ?成果導(dǎo)向教育理念要求課程教學(xué)目標(biāo)指向最終學(xué)習(xí)成果，應(yīng)根據(jù)行業(yè)需求、學(xué)生能力及發(fā)展需求確定課程教學(xué)目標(biāo)，設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，保證學(xué)習(xí)成果的達(dá)成。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)是機(jī)械大類本科專業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)理論，課程以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，研究機(jī)電一體化系統(tǒng)在控制方面的共性問題。課程內(nèi)容涉及經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容，更加突出理論在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用特點。針對應(yīng)用型本科院校的特點，根據(jù)工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)及專業(yè)規(guī)范對本課程教學(xué)大綱的建議，制訂本課程的教學(xué)目標(biāo)為：掌握經(jīng)典控制理論的基本概念;能熟練地運(yùn)用所學(xué)的知識建立機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，完成數(shù)學(xué)模型之間的變換;熟練掌握控制系統(tǒng)的時域及頻域分析方法;了解系統(tǒng)校正的概念及控制器設(shè)計的基本法方法;能夠完成典型工程問題的控制系統(tǒng)分析及設(shè)計。課程教學(xué)的主要目標(biāo)是在學(xué)習(xí)經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化學(xué)生的機(jī)械工程專業(yè)背景，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，以及應(yīng)用控制理論解決工程實踐問題的能力。

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的反向教學(xué)設(shè)計 ?本課程具有基礎(chǔ)理論系統(tǒng)性強(qiáng)且理論已在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的特點。如何在40左右學(xué)時內(nèi)既完成基礎(chǔ)理論的講授，又能使學(xué)生獲得應(yīng)用控制理論解決機(jī)械工程中相關(guān)問題的能力，是課程教學(xué)設(shè)計的難點。為此，新的教學(xué)模式以基礎(chǔ)理論加案例教學(xué)為主線、虛擬仿真和實驗教學(xué)為支撐、線上和線下教學(xué)結(jié)合為手段，保證課程教學(xué)目標(biāo)的順利達(dá)成。

課程選用機(jī)床工作臺位置控制系統(tǒng)和伺服閥控液壓缸系統(tǒng)作為典型工程問題，貫穿包括緒論、時域響應(yīng)分析、頻域響應(yīng)分析、穩(wěn)定性判據(jù)、穩(wěn)態(tài)誤差計算、系統(tǒng)校正等經(jīng)典控制理論的知識點，每一章的基礎(chǔ)理論之后，都會講解理論在兩個工程實例中 應(yīng)用，強(qiáng)化學(xué)生理論與機(jī)械工程專業(yè)背景相結(jié)合的思維訓(xùn)練。

實驗是提高學(xué)生工程應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)，課程組設(shè)計了從易到難的多層實驗體系[5]。在常規(guī)的模擬電路基礎(chǔ)實驗平臺的基礎(chǔ)上，搭建MATLAB/Simulink虛擬仿真實驗系統(tǒng)，既可以輔助教學(xué)，也可以提供學(xué)生的開放性實驗，同時利用實驗室現(xiàn)有條件為學(xué)生提供以實際工程控制系統(tǒng)為背景的工程實驗平臺。

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的正向教學(xué)實施方案 ?學(xué)生中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)是成果導(dǎo)向教育理念的核心[6]。課程組采用線上線下教學(xué)相結(jié)合的方式將教學(xué)內(nèi)容靈活組合完成課程教學(xué)，并增加與學(xué)生的線上互動與交流，采用多種考核方式檢驗學(xué)生是否達(dá)成學(xué)習(xí)成果?；A(chǔ)理論講解部分，在采用常規(guī)的PPT課件等形式進(jìn)行多媒體授課的基礎(chǔ)上，課程組制作基于MATLAB/GUI的仿真實驗系統(tǒng)，在課堂教學(xué)中將控制理論的教學(xué)與仿真實驗演示無縫銜接，比單純的數(shù)學(xué)推導(dǎo)的理論教學(xué)方法更便于學(xué)生理解。例如，在不同阻尼比下二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析中，用仿真實驗系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)解不同的參數(shù)，演示對應(yīng)的響應(yīng)曲線。這種方式不僅可以縮短教學(xué)用時，還可以很好地調(diào)動學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣。課程組還按知識點錄制了微課發(fā)布在線上教學(xué)平臺，并提前發(fā)布要求預(yù)習(xí)的內(nèi)容和課前測試題目。

工程案例教學(xué)法是深受師生認(rèn)可的理論與工程應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方法。工程案例的選擇既要有行業(yè)背景，又要能串接知識點以及呈現(xiàn)控制應(yīng)用中的常見問題，但同時面臨學(xué)生專業(yè)背景知識不夠的問題。針對機(jī)械大類專業(yè)的學(xué)生，課程組選用機(jī)床工作臺位置控制系統(tǒng)和伺服閥控液壓缸系統(tǒng)作為典型工程問題，配合對應(yīng)知識點將工程問題分解到每章的最后一節(jié)。課程組制作并發(fā)布工程案例的線上視頻教學(xué)錄像，引導(dǎo)學(xué)生提前預(yù)習(xí)。案例教學(xué)過程中采用教師精講、學(xué)生小組討論等方式互動，做到人人參與、學(xué)生互評以及教師點評，以確保每位學(xué)生都能獲得要求的學(xué)習(xí)成效。

由于實驗學(xué)時有限，將實驗項目分成必做/選做兩大類，采用線上線下組合完成的形式。模擬電路實驗重點完成典型系統(tǒng)的時域特性和頻率特性分析，要求必做，學(xué)生在指定時間到指定實驗室完成，同時提供線上實驗預(yù)習(xí)資料。虛擬仿真實驗要求學(xué)生用MATLAB/Simulink課外自行完成典型系統(tǒng)的性能分析并線上提交實驗報告。為提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力及學(xué)以致用的信心，利用實驗室現(xiàn)有的FESTO TP511試驗臺，將伺服閥控液壓缸系統(tǒng)作為工程系統(tǒng)控制實驗平臺，以作業(yè)的形式要求學(xué)生跟隨課程進(jìn)度依次完成被控對象位置控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立，然后用MATLAB/Simulink軟件完成控制系統(tǒng)的仿真建模及控制系統(tǒng)性能仿真分析。最后以小組為單位，在實驗臺上完成系統(tǒng)的PID控制實驗，學(xué)習(xí)分析PID參數(shù)調(diào)節(jié)對控制系統(tǒng)性能的影響，提倡并鼓勵學(xué)生自行設(shè)計控制算法并實現(xiàn)。

單純的閉卷考試方式不能客觀地評價學(xué)生的知識掌握情況及學(xué)生的知識運(yùn)用能力。成果導(dǎo)向教育理念提倡多元化的考核。課程依托線上教學(xué)平臺提供的課前測試、作業(yè)提交、階段測試等功能，加強(qiáng)過程化階段性考核，從考核學(xué)生對知識的記憶轉(zhuǎn)為考核學(xué)生的應(yīng)用能力。最終考試成績由平時成績（40%）、實驗成績（20%）和期末閉環(huán)考試成績（40%）加權(quán)構(gòu)成。線上教學(xué)平臺的融入不僅可以使教師對學(xué)習(xí)過程的考核更準(zhǔn)確、方便，還可以督促學(xué)生對問題與難點及時查漏補(bǔ)缺，保證全體學(xué)生都能跟上教學(xué)進(jìn)度，同時加強(qiáng)線上線下課后交流與溝通，為教與學(xué)都提供了持續(xù)改進(jìn)的動力。學(xué)生可以不受上課時間和地點的約束，自行擇時擇地補(bǔ)充學(xué)習(xí)課程教學(xué)中不懂或難懂的知識點，這些努力也可以在線上平臺完整記錄，便于教師完成對學(xué)生平時成績的考核。

4 結(jié)語

課程組基于成果導(dǎo)向教育理念對機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程設(shè)定了教學(xué)目標(biāo)，完成了理論教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)內(nèi)容的整合，采用線上線下結(jié)合的教學(xué)方法、模擬實驗/虛擬實驗/工程實驗相融合的多層次實驗教學(xué)體系、多元化的考核方式，提升學(xué)生課內(nèi)外的學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)實踐表明，教學(xué)效果良好，成果導(dǎo)向教育的推廣對培養(yǎng)具有動手實踐能力和工程應(yīng)用能力的應(yīng)用型人才起到積極作用。

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