控制工程多学科交叉复合教学及信息化研究

摘  要：控制工程基础以控制理论为工具，研究系统分析及设计中的共性化问题，是应用性较强、多学科交叉复合的工科专业课程。由于课程内容较抽象，涉及较多理论性知识，使学生对课程产生复杂枯燥的印象。为调动学生积极性，强化该门课程的应用性，该项目对课程进行教学改革尝试，调整教学内容，引入OBE（Outcomes-Based Education）成果导向理念，增加实验课程比重，同时建设线上教学平台，取得良好的教学效果。

关键词：控制工程;OBE成果导向理念;线上教学;教学改革;实验课程

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）08-0137-04

Abstract： Fundamentals of Control Engineering takes control theory as a tool to study the commonness of system analysis and design， which is an engineering course with strong application. As the content of the course is abstract and involves more theoretical content， students have a complex and boring impression on the course. In order to mobilize the enthusiasm of students and strengthen the application of the course， the project made an attempt to reform the teaching of the course， adjusted the teaching content， introduced OBE （Outcomes Based Education） results-oriented concept， increased the proportion of experimental courses， and built an online teaching platform， which achieved good teaching effects.

Keywords： control engineering; OBE results-oriented concept; teaching online; teaching reform; experimental course

控制工程基础是中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院机械设计及自动化专业和过程装备及控制工程专业本科必修课。该课程以控制理论为基础，研究面对实际系统如何进行系统分析与设计及其中的共性化问题，是一门实践性很强的课程。在我国本科阶段的高等教育改革方向逐步向应用型转变的背景下，围绕应用型人才的培养体系建设这一总体目标[1]，对控制工程基础课程进行改革，有极强的时代意义，本文将通过校区工学院的教学实际情况，探索该课程的教学改革总体思路和实施计划。

一  控制工程基础课程教学现状分析

校区工学院的课程体系设置中，控制工程基础是本科相关专业的必修课。学生在前一阶段已经研修了高等数学、大学物理、大学物理实验和电工电子学等先修课程，具备了一定的理论框架和基础知识，但没有研习复变函数这类专业性质较强的课程，给学生在学习拉普拉斯变化、传递函数、频域分析等涉及到复变函数相关概念的重要知识点造成困难。基于上述原因，校区工学院在开设控制工程基础这门课程时，增加了复变函数知识点讲授，并将此内容特别设置为第0章，其目的是与课程的主干内容加以区分，同时向学生说明第0章内容是后续章节的先修课程，是为后续章节进行知识储备的，并不会单独作为考试内容。但随之而来的问题是课程初始阶段就接触到复变函数较为复杂抽象的概念和理论知识，学生往往一时难以适应，并且由此产生控制工程基础课程理论性知识较多，内容较抽象的初始印象。随着后续章节的展开，尤其当讲授到系统的微分方程、传递函数、拉氏变换和频域分析等章节的内容时，又引入了高等数学中的许多理论性概念、公式、定理等内容，加深了上述印象，部分高等数学功底并不扎实的同学出现了畏难情绪， 甚至片面地将控制工程基础课程等同于高等数学课程。上述现象不止存在于某届某个专业，经过长期跟踪调研工学院2016级至2019级2个专业4届学生的研习效果发现，学生中普遍存在着上述认知，并由此产生畏难、厌学情绪，影响了该门课程的讲授效果，其实际效应与课程设置的初始目标南辕北辙。基于上述教学现状，对控制工程基础进行体系化改革显得尤为紧迫。

二  控制工程基础教学改革目标

随着我国成为国际本科工程学位权威互认协议即《华盛顿协议》的正式成员，从2016年开始，国家针对工程教育专业认证开始进行试点工作，目的是促进工程教育领域的国际认同和提升我国工程技术人才的国际竞争力和影响力[2-3]。在此背景下，通过对工程教育专业认证标准体系的深入研究，结合控制工程基础这门专业课程对相关专业毕业要求的支撑作用，拟定了以下教学目标。

在课堂教学中，改变以往教学章节中对知识点进行刻意的划分，选择某个典型系统作为有机串联各个知识点的主线从而构建一个完成的学科教学体系。

弱化本课程数学理论性较强的特点，突出数学工具性的特征，强调使数学作为工具解决实际工程应用的方式方法，激发学生的学习兴趣。

拓展实验环节，增加仿真实验内容，增加实际系统验证环节，增强学生对所学知识在工程实际中应用情况的感性认识。

开发网络大数据平台，完善课程线上线下一体化进程。

三  教学改革措施

（一）  调整教学内容

根据课程教学目标的设定，结合本专业的行业背景特征及学生的知识掌握情况，对过往教学内容进行适当调整，弱化一些抽象复杂的公式、定理的推导演算，增强控制工程的原理、技术、解决工程案例的应用手段和方法，找准抽象理论知识与工程实际应用的结合点，使控制工程基础的授课过程难易适中、通俗易懂、学以致用，激发学生学习课程的兴趣，调动学生的积极性和主动性，提高学生自主学习能力。

（二）  引入OBE（Outcomes-Based Education）成果导向教学理念

成果导向教育[4]也称为基于目标或基于成果教育，近年来获得世界各地教育系统的普遍认可。由于在传统教学模式中没有考虑学习成果的反馈，将缺少对学生互动能力和创新能力的培养，于是引入OBE教育理念的体系在制定课程时侧重于学习者获得或是提升生活技能、基本技能、专业和职业技能、智力技能以及人际关系和个人技能。传统教学模式中以教师为中心，OBE教育理念则是以学生为中心，首先明确预期的学习产出，并以学习过程中的反馈为驱动，持续改进教学学习过程的方法，正是基于上述各点，本项目在进行控制工程基础课程教学内容与方法改革中，利用成果导向理论以提高学生的学习体验与学习效果，激发学生的主观能动性，培养其发现、分析及解决问题的能力。

（三）  增加实验课程比重

进行实验课程使得学习过程从教师对学生传授知识转换为学生主动成为认知主体，让学生独立进行实验操作、自主控制实验进度，让学生在原有的知识基础上累积实践经验，在实验过程中发现问题后与教师进行互动，以预期成果为目标，教师引导学生寻找问题本质，引导学生锻炼分析和解决问题的能力，从而形成学生自己对知识的理解，在新旧知识经验的相互作过程中构建出自己的知识框架。

以往课程设置了MATLAB仿真实验，但都是针对简单求解函数的学习与应用，如运用MATLAB相关功能函数进行拉氏变换。为了突出本课程的应用性，特将仿真实验增加至6个，总学时由4学时增加至12学时，特别增加了PID系统整定实验和综合实验这2项，由学生自主选择被控对象，运用课堂所学理论知识，自主设置实验步骤和方案，完成系统分析，使学生真正地将所学应用于实际工程案例中，充分调动学生的学习积极性与主动性。实验设置见表1。

（四）  建设线上教学平台

随着互联网的不断普及，生活中随处涉及数据采集，我们都已经迈入了大数据时代。近年来，在教学上网络教学已经受到越来越多国内外高校的重视，成为教学改革的潮流和趋势，传统的单一线下教学模式已经不能很好地满足当前的教学需求，无法及时地得到学生学习的反馈。控制工程基础课程内容较多，理论性很强，较为抽象，并且由于实验课时比重的增加，对学生自学能力有了更高要求。为及时掌握学生学习动态，了解学生学习的难点、疑点。针对上述问题，利用中国石油大学学习通平台建设线上教学平台。突破传统“面授”的教学局限，为学习者提供了一个高效便利的平台，通过学习通软件构建教学资源库，使学生对课程的学习不受时间、地域的限制[5]。

如图1所示，该平台可通过收集同学们在学习通上的动态，包括任务点数、作业数、课堂活动、观看课件时长和统计考勤的情况等，对学生进行多维度的综合考评与记录，以帮助学校和老师更好地进行教学管理评估，方便老师对整个课程能有一个宏观的了解。并且，老师还可以统计出在任何时间段同学们的活跃程度，一方面可以对同学们的学习情况有一个了解，另一方面也在客观上督促了同学们的学习。

图2中横坐标为日期时间，纵坐标为学生访问章节的频次，老师可以动态地掌握学生的学习状况，老师也能及时地通过学生们的学习情况调整教学内容和方法，形成线上线下互补的优势。在学习过程中可以随时与同学老师进行讨论。可以在PPT的某个具体篇章随时添加学生自己的学习笔记、体会、心得，方便日后温习时查阅。

表2中为学生综合考评统计，老师在课程设置界面设置平时成绩的权重，如观看PPT时长、视频播放时长、访问量和互动等等学习通提供的统计数据。在课程总览界面，学生也可以查看自己的当前成绩、课程的考核办法、学习进度，以及关于这门课程师生的活动轨迹，学生可以第一时间在平台上知道自己的平时成绩，当然学生的最终考核成绩要与这种线上线下混合式教学模式相适应。不能单以线上的成绩作为学生过程性成绩，可以作为过程成绩的参考项，与课堂上同学们的表现等形成互补，有利于老师更客观、更加接近真实地对学生的过程成绩进行评判。

关于学生签到有多种签到方式（图3），位置签到、图片签到、课堂抢答和选人等学习通提供的功能开展互动，也可以作为学生提交课堂作业的渠道。

课后，老师也可以在超星平台上布置作业、发布通知（图4），或者和学生随时保持联系，第一时间解决同学们出现的问题。“通知”有专门的模块，可以提醒学生作业内容、上交时间等，老师也可以清楚地看到具体每一位同学是否收到信息。

另外如学生在线上进行考试，老师也能减少批改选择判断题的时间，最快速地掌握学生情况。所有平台生成的数据，老师可以下载留存，作为教务存档的依据。

除此之外，学生还可以通过此平台和老师沟通，收到意见及建议后，老师及时进行反馈，不断地完善教学质量，修改教学方法，持续更新完善课件、作业等资源，从而形成良性循环，使得资源展示、教学支持、师生互动能优化协同发挥最大作用。章节测试资源及拓展资源等，以保障线下实体课堂教学的有效开展。

四  结束语

经过上述教学改革方案和措施的制定，有效弱化了控制工程基础的理论性，使课程的讲授从抽象化、复杂化中剥离出来，考虑到了学生实际的学习情况并持续发现问题，以学习过程中学生的反馈为驱动改进教学方法，通过引入OBE教学理念，确保学生在未来学习生活中达到实质性的成功，突出了课程的应用性，通过实验比重的增加提高了学生的动手能力和将理论知识应用于实际的能力，帮助学生自主认知，在知识学习与经验累计中主动发现问题，并逐步构建和完善自己的知识框架，以达到预期的学习成果，数字信息化平台的建设增加了师生互动，让教师从一个知识的传播者变为知识的组织者和学生学习的观察者，使教学方式更加灵活多样，完善了师生课堂教学的闭环，让老师及时了解当前教学的效果，从而不断改进教学方法，着重强调了教学过程中课上的抢答，以及课下的作业、答疑等反馈，能够激发学生的主观能动性，收获了良好的教学效果。

参考文献：

[1] 张磊，王树臣，张建化.应用型本科“控制工程基础”课程的教学改革与实践研究[J].高教学刊，2016，9（15）：127-128.

[2] 吴涛.工程教育背景下控制工程基础课程建设与改革[J].教育教学论坛，20196（24）：80-82.

[3] 武晓晶，陈志军，杜深慧，等.《自动控制原理》课程多方位教学改革研究和探索[J].赤峰学院学报，2019，35（12）：149-151.

[4] 李响.基于OEB理念的新形势下《控制工程基础》教学实践探讨[J].海外文摘，2021（18）：71-72.

[5] 司娟宁，郭阳宽.多元融合开展控制工程基础教学改革[J].科技视界，2021（34）：53-55.

基金项目：自治区科技厅-创新环境（人才、基地）建设专项-自然科学计划（自然科学基金）-地州科学基金项目“基于迭代学习控制的多智能体系统协同追踪在制造业中的应用研究”（2022D01F35）;中国石油大学（北京）克拉玛依校区教学改革项目“《控制工程基础》多学科交叉复合改造及信息数字化改造研究”（JG2021018）

第一作者简介：生龙（1981-），男，汉族，江苏南通人，博士，副教授。研究方向为网络控制系统，遥操作。