基于OBE理念的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程改革

摘 "要：隨著社會(huì)生產(chǎn)力持續(xù)進(jìn)步和人們生活質(zhì)量的不斷提升，對(duì)控制理論、技術(shù)、系統(tǒng)和應(yīng)用的需求變得越來(lái)越廣泛和復(fù)雜。作為自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真、分析和設(shè)計(jì)的至關(guān)重要的一門(mén)課程，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和就業(yè)具有重要意義。針對(duì)在該門(mén)課程教學(xué)中存在的課程內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)不匹配、重點(diǎn)理論資源建設(shè)不完善和課程考核方式不恰當(dāng)三大主要問(wèn)題，該文以O(shè)BE（Outcome-Based Education）理念為指導(dǎo)，開(kāi)展有針對(duì)性的課程改革和研究。通過(guò)建設(shè)課程知識(shí)體系與多樣化課程資源，提升教學(xué)品質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；OBE；資源構(gòu)建；系統(tǒng)仿真；課程改革

中圖分類號(hào)：G642 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2096-000X（2025）S2-0129-04

Abstract： With the continuous progress of social productivity and the constant improvement of people's living standards， the demand for control theory， technology， systems， and applications will become increasingly widespread and complex. As a crucial course in the simulation， analysis， and design of automatic control systems， Computer Simulation of Control Systems is of great significance to students' graduation projects and employment. In response to the three major problems existing in the teaching of this course， namely， the mismatch between course content and teaching design， the incomplete construction of key theoretical resources， and the inappropriate methods of course assessment， this article takes the OBE （Outcome-Based Education） concept as a guide and carries out targeted curriculum reform and research. By building a course knowledge system and diverse course resources， we aim to improve teaching quality， stimulate students' enthusiasm for learning， their subjective initiative， and their sense of innovation.

Keywords： control system; OBE; resource construction; system simulation; curriculum reform

近年來(lái)，為了促進(jìn)模擬仿真行業(yè)發(fā)展，我國(guó)頒布了多項(xiàng)關(guān)于支持、鼓勵(lì)、規(guī)范模擬仿真行業(yè)的相關(guān)政策。如2020年，國(guó)家發(fā)展改革委在鼓勵(lì)外商投資產(chǎn)業(yè)目錄中提出，鼓勵(lì)大中型電子計(jì)算機(jī)、萬(wàn)萬(wàn)億次高性能計(jì)算機(jī)、便攜式微型計(jì)算機(jī)、大型模擬仿真系統(tǒng)、工業(yè)控制機(jī)及控制器制造[1]。2022年，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)的《環(huán)保裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2025年）》中指出，推廣仿真模擬軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)展環(huán)保裝備設(shè)計(jì)，提高企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)水平[2]。

在新工科背景下，對(duì)當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)新與工程能力提出了更高的要求[3-4]。為了進(jìn)一步培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和解決復(fù)雜控制工程問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)國(guó)家新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)的適應(yīng)性，各高校均開(kāi)設(shè)有機(jī)器人仿真、過(guò)程控制系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真等仿真課程[5-7]。

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程在自動(dòng)化專業(yè)中具有舉足輕重的地位，該門(mén)課程涉及控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，為學(xué)生提供了關(guān)于系統(tǒng)建模、仿真和控制策略的基本知識(shí)和技能，也為學(xué)生提供了一個(gè)嘗試新方法、新技術(shù)的平臺(tái)[8]。本文針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的控制類課程，擬開(kāi)展基于OBE理念的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程改革與探索，提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新精神。

一 "研究現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件，美國(guó)和歐洲的大學(xué)已將MATLAB正式列入本科和研究生教育階段的教學(xué)計(jì)劃，它是面向工程師和科學(xué)家的最簡(jiǎn)單和最具生產(chǎn)力的軟件[9]。無(wú)論是分析數(shù)據(jù)、開(kāi)發(fā)算法，還是創(chuàng)建模型，其提供了鼓勵(lì)探索發(fā)展的環(huán)境，它可將高級(jí)語(yǔ)言與迭代式工程和科學(xué)工作流進(jìn)行調(diào)整的桌面環(huán)境相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算、算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)可視化和建模仿真等功能，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理和測(cè)試/量、圖像處理、通信、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等。

控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程內(nèi)容包含MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)和控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)及相應(yīng)的仿真，旨在傳授MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言基礎(chǔ)、控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)、Simulink交互式仿真環(huán)境、線性控制系統(tǒng)的分析與仿真、最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生能夠掌握程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言基本知識(shí)、編程方法、Simulink建模與仿真，加深理解和掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，培養(yǎng)綜合性分析和解決問(wèn)題的能力。該課程涵蓋內(nèi)容較多，實(shí)踐能力和邏輯思維能力要求比較強(qiáng)，因此教學(xué)中存在一定難度，國(guó)內(nèi)高校多年來(lái)已有不少顯有成效的改革和嘗試，但依然存在一些突出問(wèn)題。

第一，課程內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)不匹配。大多數(shù)院校針對(duì)該門(mén)課程的課時(shí)設(shè)置較少，由于該門(mén)課程要求的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較多，這就導(dǎo)致多數(shù)教師在授課的過(guò)程中無(wú)法面面俱到，只能一味地加快上課進(jìn)度，從而忽略了一節(jié)課的基本環(huán)節(jié)，尤其是課堂上的鞏固與練習(xí)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)MATLAB編程語(yǔ)言和Simulink建模的掌握不夠，難以應(yīng)用于控制系統(tǒng)。此外，學(xué)生在這種知識(shí)灌輸型授課模式下，缺乏獨(dú)立思考，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性。

第二，重點(diǎn)理論資源建設(shè)不完善。原則上，在學(xué)習(xí)該門(mén)課程以前，學(xué)生已經(jīng)具備了自動(dòng)控制原理的基礎(chǔ)，對(duì)基本的控制結(jié)構(gòu)、控制方法以及控制器設(shè)計(jì)等內(nèi)容已經(jīng)掌握。但大多數(shù)院校將該門(mén)課程與控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程分兩個(gè)學(xué)期安排，沒(méi)有針對(duì)性地建設(shè)與控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真相關(guān)的自控原理重點(diǎn)知識(shí)。學(xué)生在間隔了一個(gè)學(xué)期之后，已經(jīng)將自控原理的知識(shí)拋諸腦后。此外，也沒(méi)有能系統(tǒng)性、針對(duì)性學(xué)習(xí)的相關(guān)資源，這導(dǎo)致在學(xué)習(xí)使用MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)校正的時(shí)候，只是一味地照搬案例，機(jī)械化修改參數(shù)，無(wú)法深入理解其中的原理。

第三，課程考核方式不恰當(dāng)。由于該門(mén)課程涵蓋的理論知識(shí)面廣，且涉及MATLAB編程和Simulink建模等上機(jī)操作，針對(duì)該門(mén)課程的考核如果以期末閉卷考試的方式進(jìn)行，傳統(tǒng)的兩小時(shí)考試試題難以將該門(mén)課程的知識(shí)體系覆蓋全，因此在對(duì)該門(mén)課程制定考核方式的時(shí)候，基本都是以“平時(shí)作業(yè)+期末大作業(yè)”的方式進(jìn)行考核，給予足夠的時(shí)間讓學(xué)生完成。但是，由于該考核方式缺乏監(jiān)管，這不僅讓學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的重視程度不夠，也導(dǎo)致學(xué)生相互之間的抄襲現(xiàn)象比較嚴(yán)重，尤其是在大班教學(xué)的情況下，管理起來(lái)十分困難。

二 "解決問(wèn)題的方法及目標(biāo)

（一） "基于OBE理念的教學(xué)設(shè)計(jì)方案

以控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程為例，借鑒OBE成果導(dǎo)向人才培養(yǎng)設(shè)計(jì)和開(kāi)展過(guò)程，進(jìn)行教學(xué)過(guò)程的反向設(shè)計(jì)。研究自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域人才培養(yǎng)方案及對(duì)系統(tǒng)仿真技術(shù)的要求，分析課程對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的服務(wù)指標(biāo)，細(xì)化依托課程需要達(dá)到的思維、習(xí)慣、能力等分項(xiàng)指標(biāo)，調(diào)整控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程的教學(xué)大綱。改造科研項(xiàng)目、成果，轉(zhuǎn)化成課堂實(shí)施的綜合項(xiàng)目，使目標(biāo)落地。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分解項(xiàng)目，設(shè)計(jì)可實(shí)施的子項(xiàng)目。教學(xué)思路反向設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。例如在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)校正與綜合相關(guān)知識(shí)時(shí)，結(jié)合本人科研方向和企業(yè)項(xiàng)目需求，引入無(wú)線充電系統(tǒng)負(fù)載無(wú)關(guān)性恒壓/恒流輸出設(shè)計(jì)項(xiàng)目，將項(xiàng)目分解為無(wú)線充電系統(tǒng)的MATLAB/Simulink建模、系統(tǒng)傳遞函數(shù)編程計(jì)算、PID控制器設(shè)計(jì)與校正等子項(xiàng)目。通過(guò)項(xiàng)目反推出涉及的知識(shí)模塊，用項(xiàng)目來(lái)牽引知識(shí)。

通過(guò)將實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目、理論課程和仿真技術(shù)相結(jié)合，讓學(xué)生真正感受到該門(mén)課程所能發(fā)揮的工程作用和價(jià)值，不僅能喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升45分鐘的課堂學(xué)習(xí)效率，而且能提升學(xué)生獨(dú)立思考和解決工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性。

（二） "“自控原理+系統(tǒng)仿真”課程知識(shí)體系與資源構(gòu)建

若要深入理解仿真技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，學(xué)生需具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，對(duì)自動(dòng)控制原理課程的相關(guān)知識(shí)有深入的認(rèn)識(shí)。但是，自動(dòng)控制原理的知識(shí)構(gòu)架十分復(fù)雜繁多，因此需要有針對(duì)性地構(gòu)建課程知識(shí)體系和資源，重點(diǎn)突出與控制系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合的理論知識(shí)點(diǎn)?；谒鶚?gòu)建的課程知識(shí)體系和教學(xué)資源，學(xué)生在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)仿真技術(shù)的同時(shí)，能查漏補(bǔ)缺，提高學(xué)習(xí)效率?！白钥卦?系統(tǒng)仿真”課程重點(diǎn)知識(shí)體系如圖2所示，針對(duì)圖示重點(diǎn)內(nèi)容，在建設(shè)資源的過(guò)程中應(yīng)以實(shí)際控制系統(tǒng)應(yīng)用案例為依托，建立控制系統(tǒng)基本原理、數(shù)學(xué)計(jì)算以及MATLAB編程計(jì)算等理論知識(shí)架構(gòu)。教學(xué)課程資源建設(shè)主要包括課前資源、課堂資源和課后資源，具體如圖3所示，所有資源上傳至云空間，教師和學(xué)生能根據(jù)所需知識(shí)點(diǎn)隨時(shí)調(diào)用。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，通過(guò)“自控原理+系統(tǒng)仿真”課程知識(shí)體系與資源構(gòu)建，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)仿真新知識(shí)的同時(shí)保持對(duì)自控原理基礎(chǔ)知識(shí)的熱度，兩者結(jié)合，從原理上真正理解系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)校正以及在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題，從根本上解決項(xiàng)目難題。

（三） "以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為理念的非標(biāo)考核方式

非標(biāo)準(zhǔn)化考試是使用一系列教學(xué)過(guò)程中的評(píng)價(jià)和測(cè)試取代統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化考試，即將單純的“一考定乾坤”轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)過(guò)程中的全程測(cè)評(píng)，其目的是為訓(xùn)練、提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題所需要的知識(shí)、技能、工具、溝通、學(xué)習(xí)和研究等能力。本項(xiàng)目擬改變傳統(tǒng)“平時(shí)成績(jī)+期末考試成績(jī)=總成績(jī)”的評(píng)分機(jī)制，將總成績(jī)分為實(shí)驗(yàn)成績(jī)、平時(shí)作業(yè)成績(jī)、綜合設(shè)計(jì)、課堂討論以及期末答辯成績(jī)，如圖4所示。其中實(shí)驗(yàn)主要包含上機(jī)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，平時(shí)作業(yè)主要考查對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握情況，綜合設(shè)計(jì)主要考查系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中思路是否清晰、能否得到正確的運(yùn)行結(jié)果，課堂討論主要包含課堂上的互動(dòng)以及云平臺(tái)上的學(xué)習(xí)活動(dòng)。期末答辯成績(jī)占主導(dǎo)，包含答辯和設(shè)計(jì)報(bào)告。主要是考查基于不同的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)編程建模、傳遞函數(shù)求解、穩(wěn)定性分析、指標(biāo)計(jì)算、閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)與系統(tǒng)校正，最后在Simulink平臺(tái)下建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基本功能，具有實(shí)際意義。

上述考核方式以O(shè)BE理念為指引，考核應(yīng)用案例從工程實(shí)際中提煉，充分體現(xiàn)自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)，突出自動(dòng)化專業(yè)背景。

三 "應(yīng)用案例分析

本文以輸電線路巡檢無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的實(shí)際應(yīng)用需求為例[10-11]，結(jié)合上述解決方法，進(jìn)行引導(dǎo)式教學(xué)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主能動(dòng)性。

巡檢無(wú)人機(jī)普遍受限于電池容量，現(xiàn)有方案每航次只能巡查2～4座桿塔，便需要進(jìn)行更換電池或者返回“機(jī)場(chǎng)”進(jìn)行充電，極大限制了無(wú)人機(jī)的巡檢里程及智能化水平。目前較好的解決方案是開(kāi)發(fā)無(wú)線充電無(wú)人機(jī)智能控制分析平臺(tái)，建立配電網(wǎng)無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，提高電力線路無(wú)人機(jī)智能巡檢作業(yè)全自主性、自動(dòng)化和智能化水平。因此，課程要求設(shè)計(jì)一套無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)，確保當(dāng)無(wú)人機(jī)移入后，系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地為負(fù)載提供需要的功率， 同時(shí)當(dāng)無(wú)人機(jī)移除后，系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

該案例要求學(xué)生能根據(jù)自身所學(xué)的控制系統(tǒng)建模與仿真的知識(shí)，并結(jié)合自動(dòng)控制原理相關(guān)閉環(huán)控制理論，搭建一套無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)仿真模型。案例涉及控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能分析、PID控制器設(shè)計(jì)與校正和MATLAB/Simulink仿真建模各子項(xiàng)目的訓(xùn)練。無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)答案，以此作為課程考核內(nèi)容之一，可有效提升學(xué)生獨(dú)立思考和解決工程問(wèn)題的能力，有利于學(xué)生從系統(tǒng)上掌握課程知識(shí)。

圖5為某學(xué)生針對(duì)該案例所搭建的無(wú)線充電系統(tǒng)仿真模型，為了使供給到無(wú)人機(jī)的電壓保持恒定不變，接收端采用DC-DC變換電路，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)采用PID閉環(huán)控制，PID控制模型如圖6所示。圖7為無(wú)人機(jī)“飛入—飛出—飛入”時(shí)系統(tǒng)輸出電壓和電流的仿真波形，可見(jiàn)在無(wú)人機(jī)飛入后系統(tǒng)能為其提供電能，飛出后，系統(tǒng)輸出電壓和電流近似為零，保持待機(jī)狀態(tài)。因此，該仿真能實(shí)現(xiàn)該案例所要求的基本功能。

四 nbsp;結(jié)束語(yǔ)

本文基于OBE理念，對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程進(jìn)行了改革探索，立足實(shí)踐來(lái)建構(gòu)知識(shí)與發(fā)展知識(shí)，通過(guò)理論課程來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)際應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)際工程案例來(lái)深化理論學(xué)習(xí)，盡可能地把學(xué)生的創(chuàng)造潛能誘導(dǎo)出來(lái)，促使學(xué)生的工程實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力得到全方位提升。最后，通過(guò)學(xué)生完成的實(shí)際案例進(jìn)行說(shuō)明，驗(yàn)證了本文所提出的教學(xué)改革方法的可行性和有效性。

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