基于OBE理念的模糊控制課程教學(xué)設(shè)計(jì)

劉慧文　張健欣　齊詠生

摘? 要? 在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)參與教育部工程認(rèn)證的背景下，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，對(duì)模糊控制課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。闡述模糊控制課程具有理論新穎抽象，直接面向解決復(fù)雜非線(xiàn)性控制問(wèn)題的特點(diǎn)。簡(jiǎn)述OBE理念“反向設(shè)計(jì)，正向?qū)嵤钡倪壿嬻w系結(jié)構(gòu)?；贠BE理念，結(jié)合課程特點(diǎn)，以學(xué)生為中心，從培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)、能力、素養(yǎng)等幾個(gè)方面制定教學(xué)目標(biāo)；通過(guò)案例教學(xué)，與經(jīng)典控制理論對(duì)比，貫穿直接解決復(fù)雜工程為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)；針對(duì)上述教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合課程目標(biāo)制定注重能力培養(yǎng)的綜合考核評(píng)價(jià)體系。

關(guān)鍵詞? 工程認(rèn)證；OBE理念；能力培養(yǎng)；模糊控制

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）08-0058-04

0? 引言

為適應(yīng)新時(shí)代工科發(fā)展需求，對(duì)接國(guó)際，助力工程教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，推動(dòng)國(guó)家工程科學(xué)發(fā)展，教育部組織開(kāi)展工程教育認(rèn)證，旨在推動(dòng)高等學(xué)校工科建設(shè)發(fā)展[1]。工程教育認(rèn)證以高等學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)主動(dòng)申報(bào)形式開(kāi)展，具有廣泛的社會(huì)認(rèn)可度[2-4]。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)借此契機(jī)，為提升教學(xué)質(zhì)量，推動(dòng)學(xué)科發(fā)展，積極申報(bào)工程教育認(rèn)證，并已獲得教育部的批準(zhǔn)。工程教育認(rèn)證的理念包括三個(gè)方面：以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)[5-6]。其中產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，OBE）是核心，可以進(jìn)一步表述為三個(gè)方面：1）工程教育的目標(biāo)是培養(yǎng)未來(lái)的工程師，通過(guò)大學(xué)階段的學(xué)習(xí)，掌握工程師所必須具備的基本知識(shí)、能力和素養(yǎng)；2）OBE目標(biāo)需要逐級(jí)遞進(jìn)，分解目標(biāo)，進(jìn)而形成系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)；3）以實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的整個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，最終滿(mǎn)足工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。

在此背景下，以?xún)?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)模糊控制課程為例，貫徹工程教育理念，結(jié)合課程特點(diǎn)闡述課程的教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程。

1? 課程特點(diǎn)

模糊控制是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)控制理論系列課程的高階部分。該課程理論難度高，主要用于解決非線(xiàn)性被控對(duì)象的數(shù)學(xué)建模與控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題，直接面向培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1.1? 教學(xué)內(nèi)容理論新穎抽象

模糊控制以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，提供一種不確定性問(wèn)題的建模方式及基于經(jīng)驗(yàn)的邏輯控制體系，其理論基礎(chǔ)既需要類(lèi)似高等數(shù)學(xué)、線(xiàn)性代數(shù)等經(jīng)典數(shù)學(xué)課程的嚴(yán)密數(shù)學(xué)推理，同時(shí)又與工程實(shí)際相關(guān)，需要結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和直覺(jué)判據(jù)。這些特點(diǎn)對(duì)本科生而言，思維方式新穎，接受起來(lái)有一定難度。同時(shí)，由于針對(duì)模糊控制的改進(jìn)算法多種多樣，因此，理解這些過(guò)程需要前序經(jīng)典控制理論的支持，要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底、較強(qiáng)的抽象思維能力。

1.2? 課程面對(duì)的問(wèn)題

模糊控制為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的選修課，在本科階段第七學(xué)期開(kāi)設(shè)，以服務(wù)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向。具體針對(duì)控制問(wèn)題而言，主要用于解決非線(xiàn)性對(duì)象的建模與控制器設(shè)計(jì)。模糊控制的基本思想為利用隸屬度函數(shù)描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并以借鑒經(jīng)驗(yàn)知識(shí)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則為基礎(chǔ)進(jìn)行模糊推理，進(jìn)而得出相應(yīng)的控制器隸屬度函數(shù)，再通過(guò)清晰化操作給出控制作用。模糊控制的典型特點(diǎn)是不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠有效借鑒專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，是典型的解決非線(xiàn)性控制問(wèn)題的方法，開(kāi)設(shè)該課程有助于拓展學(xué)生思維，提升對(duì)控制理論的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步加深控制思想的構(gòu)建。

2? 基于OBE理念的模糊控制教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)模糊控制課程的特點(diǎn)，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

按照OBE的理念，課程的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該按照“反向設(shè)計(jì)，正向?qū)嵤钡倪^(guò)程進(jìn)行。反向設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。基本思路為：在學(xué)校辦學(xué)章程的主體框架下，依據(jù)專(zhuān)業(yè)特征，制定專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)而設(shè)置專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求，并從知識(shí)、能力、素養(yǎng)等方面分解為細(xì)化的指標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建課程體系。具體而言，每門(mén)課程結(jié)合課程內(nèi)容制定教學(xué)目標(biāo)，以支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)；圍繞教學(xué)目標(biāo)，以教學(xué)內(nèi)容為載體進(jìn)行教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)；同時(shí)，制定課程的考核評(píng)價(jià)體系。該考核評(píng)價(jià)體系能夠佐證學(xué)生對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求，在知識(shí)、能力、素養(yǎng)等方面的提升，并且可以找出教學(xué)中存在的問(wèn)題，為后續(xù)從課程目標(biāo)、教學(xué)過(guò)程、評(píng)價(jià)體系三方面進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。顯然，該邏輯體系與傳統(tǒng)依據(jù)課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)的順序相反，因而稱(chēng)為“反向設(shè)計(jì)”。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，依然需要以具體課程內(nèi)容為載體、以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)，因此稱(chēng)為“正向?qū)嵤薄?/p>

在圖1所示的反向教學(xué)設(shè)計(jì)的邏輯體系下，針對(duì)具體某一門(mén)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程，又可以基于圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行。具體而言，OBE理念的核心是“以學(xué)生為中心”，首先應(yīng)該明確學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程能夠獲取哪些知識(shí)，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)能夠提升什么能力，進(jìn)而定出課程目標(biāo)；圍繞以學(xué)生為中心的課程目標(biāo)，從意識(shí)、知識(shí)、能力、技能等角度制定相應(yīng)的考核要求。在具體教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該以課程內(nèi)容為載體，依據(jù)教學(xué)條件設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，最終達(dá)成課程目標(biāo)。當(dāng)然，整合教學(xué)環(huán)節(jié)的考核評(píng)價(jià)體系要求能夠找出問(wèn)題所在，為教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。

上述OBE理念的“反向設(shè)計(jì)，正向?qū)嵤边^(guò)程始終強(qiáng)調(diào)目標(biāo)導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為宗旨。據(jù)此思路，下面從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、考核評(píng)價(jià)體系三個(gè)方面予以闡述。

2.1? 基于OBE理念的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)為省屬地方高校，辦學(xué)定位為立足內(nèi)蒙古自治區(qū)、服務(wù)國(guó)家和地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)需要。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為：培養(yǎng)服務(wù)能源、電力、化工、冶金、煤炭等行業(yè)，從事與自動(dòng)控制相關(guān)的應(yīng)用型工程技術(shù)人員。以此為基礎(chǔ)，具體畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)劃分為幾個(gè)大類(lèi)。結(jié)合模糊控制課程的特點(diǎn)及其知識(shí)載體，經(jīng)課程組討論，設(shè)計(jì)該課程教學(xué)目標(biāo)點(diǎn)3個(gè)。目標(biāo)點(diǎn)1，理解模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。主要包含：模糊集合、模糊關(guān)系、模糊推理等內(nèi)容。該目標(biāo)點(diǎn)支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為：能夠應(yīng)用自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，正確表述能源、電氣等工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，并分析對(duì)象特性。該目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)的培養(yǎng)。目標(biāo)點(diǎn)2，理解模糊控制的基本結(jié)構(gòu)及原理，并能夠按此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的模糊控制器，了解模糊控制的應(yīng)用場(chǎng)合，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。該目標(biāo)點(diǎn)支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為：能夠運(yùn)用與自動(dòng)化相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，針對(duì)能源、電氣等工程領(lǐng)域的工程問(wèn)題，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)解決方案。該目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)學(xué)生的能力培養(yǎng)。目標(biāo)點(diǎn)3，能夠查閱文獻(xiàn)資料，針對(duì)工程問(wèn)題或?qū)嶒?yàn)室非線(xiàn)性被控對(duì)象，應(yīng)用模糊控制知識(shí)建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)控制器，并與經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論進(jìn)行比較分析。該目標(biāo)點(diǎn)支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為能夠應(yīng)用自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)知識(shí)，通過(guò)文獻(xiàn)分析，評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題的不同解決方案，獲得有效結(jié)論。該目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)學(xué)生的素養(yǎng)提升。

2.2? 以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，以模糊控制課程的知識(shí)內(nèi)容為載體，同時(shí)考慮到學(xué)生在前序課程中學(xué)習(xí)了自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、過(guò)程控制等課程，已經(jīng)建立了基本的控制思想，因此本課程以項(xiàng)目式教學(xué)方式開(kāi)展。

在教學(xué)過(guò)程中，先向?qū)W生明確課程目標(biāo)，而后針對(duì)具體控制實(shí)例，開(kāi)展教學(xué)。具體教學(xué)內(nèi)容開(kāi)展過(guò)程，直接面對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的建模與控制器設(shè)計(jì)，整個(gè)教學(xué)過(guò)程以完成一個(gè)大作業(yè)為線(xiàn)索進(jìn)行。

首先，引導(dǎo)學(xué)生選擇一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，比如，以實(shí)驗(yàn)室的典型非線(xiàn)性控制對(duì)象，倒立擺、雙容水箱、吹擺系統(tǒng)等為控制對(duì)象，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，了解被控對(duì)象的特性，依據(jù)控制理論的基本思想，明確控制目標(biāo)、輸入量、輸出量的特性，進(jìn)而建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)PID或者極點(diǎn)配置狀態(tài)反饋控制器。

其次，分析這些控制對(duì)象及控制器的特點(diǎn)。例如針對(duì)倒立擺系統(tǒng)，使用雙閉環(huán)PID控制方法或者極點(diǎn)配置狀態(tài)反饋控制方法，都需要基于倒立擺的線(xiàn)性化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，而線(xiàn)性化模型是由倒立擺的非線(xiàn)性模型在平衡點(diǎn)附近近似處理所得。這也從本質(zhì)上決定了采用經(jīng)典控制理論的方法控制倒立擺的可控范圍有限。針對(duì)此問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生拓展思維，思考以模糊控制的方式設(shè)計(jì)控制器，是否可以擴(kuò)大倒立擺角度、位移的控制范圍。以這一個(gè)改進(jìn)控制目標(biāo)為導(dǎo)向，對(duì)模糊控制的基本結(jié)構(gòu)予以講解，并要求學(xué)生分析模糊控制理論與經(jīng)典控制理論的區(qū)別。在模糊控制基本結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)思想指導(dǎo)下，針對(duì)具體的模糊數(shù)學(xué)內(nèi)容開(kāi)展教學(xué)，包括模糊集合、模糊關(guān)系、模糊推理等內(nèi)容。針對(duì)此部分課程內(nèi)容制定的考核評(píng)價(jià)方式，要求學(xué)生同步完成所選控制對(duì)象相關(guān)內(nèi)容的建模，比如，設(shè)計(jì)擺桿角度的模糊語(yǔ)言取值，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，依據(jù)擺桿角度的模糊狀態(tài)特性設(shè)計(jì)模糊規(guī)則等。在引導(dǎo)學(xué)生完成模糊數(shù)學(xué)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)之后，再引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)理解模糊控制的基本結(jié)構(gòu)，并要求學(xué)生利用模糊控制完成對(duì)所選控制對(duì)象的有效控制。在此過(guò)程中，學(xué)生可能遇到問(wèn)題，需要查閱文獻(xiàn)，比如，倒立擺控制器的輸入為小車(chē)位移、速度、擺桿角度、角速度四個(gè)量，四個(gè)輸入量會(huì)引起模糊規(guī)則爆炸問(wèn)題，因此，學(xué)生需要查閱文獻(xiàn)解決此問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程可培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力。

最后，針對(duì)模糊控制的改進(jìn)控制策略開(kāi)展教學(xué)。鑒于學(xué)生已經(jīng)采用經(jīng)典控制方法和模糊控制方法實(shí)現(xiàn)了所選控制對(duì)象的穩(wěn)定控制，要求學(xué)生分析比較兩種控制方法的控制效果。比如，分析模糊控制可控范圍更寬，但在平衡點(diǎn)附近控制精度不如PID控制的原因，進(jìn)而自然引出模糊控制與PID結(jié)合的改進(jìn)控制方法。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)查閱文獻(xiàn)，完善大作業(yè)。整個(gè)過(guò)程圍繞大作業(yè)的完成，以模糊控制知識(shí)內(nèi)容為載體，從模型構(gòu)建，控制器設(shè)計(jì)、多種控制方法比較等角度培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，拓展學(xué)生的控制思維，培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力，從而實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生綜合素質(zhì)的目標(biāo)。

2.3? 持續(xù)改進(jìn)的多元考核評(píng)價(jià)體系

與上述教學(xué)環(huán)節(jié)相匹配，與傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)模式相比較，課程的評(píng)價(jià)體系加大了過(guò)程考核力度，具體包括平時(shí)考核、大作業(yè)、期末試卷3部分內(nèi)容。在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考和自主學(xué)習(xí)，將這些問(wèn)題作為平時(shí)作業(yè)，平時(shí)作業(yè)有隨堂提交和課后提交兩種方式。簡(jiǎn)單的問(wèn)題作業(yè)隨堂提交，這種方式有助于保證學(xué)生出勤率，且督促學(xué)生課上認(rèn)真聽(tīng)講。復(fù)雜的問(wèn)題作業(yè)課后提交，該方式給學(xué)生提供了獨(dú)立思考的時(shí)間。大作業(yè)的完成貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，對(duì)學(xué)生諸如獨(dú)立思考、自學(xué)、文獻(xiàn)查閱、報(bào)告寫(xiě)作進(jìn)而構(gòu)成的解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力的提升有很大幫助。期末試卷分為計(jì)算和論述兩種類(lèi)型的題目，注重對(duì)學(xué)生模糊控制知識(shí)的理解、控制思想的構(gòu)建的考查，而不是簡(jiǎn)單地考查其知識(shí)記憶。

從上述考核評(píng)價(jià)體系可以看出，與傳統(tǒng)的單一試卷考核方式相比較，該考核方式更加注重過(guò)程考核、能力考核，而弱化了記憶性考核。同時(shí)可以為后續(xù)教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)，比如，在第一輪教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大作業(yè)存在比較嚴(yán)重的抄襲現(xiàn)象，在后續(xù)的教學(xué)中就可思考如何督促學(xué)生自主完成大作業(yè)，避免抄襲的問(wèn)題。

3? 結(jié)束語(yǔ)

在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)參與工程教育認(rèn)證的背景下，本文基于OBE理念，針對(duì)模糊控制課程，從分析課程特點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用OBE理念的一般思路及課程設(shè)計(jì)的過(guò)程，制定了課程的教學(xué)目標(biāo)。以教學(xué)目標(biāo)為指導(dǎo)，針對(duì)非線(xiàn)性控制對(duì)象實(shí)例，與傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行對(duì)比，從建立控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)模糊控制器、改進(jìn)控制效果等角度，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)模糊控制的知識(shí)體系。

在課程的教學(xué)過(guò)程中，不以講解內(nèi)容為中心，而是以提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力為導(dǎo)向，通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、素養(yǎng)的提升。最后闡述了包括平時(shí)考核、大作業(yè)、期末考試三方面的課程考核評(píng)價(jià)體系，并對(duì)存在的問(wèn)題提出了持續(xù)改進(jìn)意見(jiàn)。

4? 參考文獻(xiàn)

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[5] 孫曉玲，楊秋格，李?yuàn)檴?基于工程教育認(rèn)證的大學(xué)課程改革研究：評(píng)《成果導(dǎo)向教育與工程教育認(rèn)證》[J].中國(guó)高?？萍?，2022（3）：106.

[6] 孫麗華，韓曉慧，王慧，等.基于OBE理念的“電力工程”課程教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)改革[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2021，21（3）：64-68.

*項(xiàng)目來(lái)源：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)教改項(xiàng)目“新工科背景下地方高校電氣大類(lèi)工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的探索”（基金編號(hào)：2021109）。

作者簡(jiǎn)介：劉慧文，博士，講師；張健欣、齊詠生，博士，教授。