基于OBE理念的模糊控制課程教學設計

劉慧文　張健欣　齊詠生

摘? 要? 在內蒙古工業大學自動化專業參與教育部工程認證的背景下，以OBE理念為指導，對模糊控制課程進行教學設計。闡述模糊控制課程具有理論新穎抽象，直接面向解決復雜非線性控制問題的特點。簡述OBE理念“反向設計，正向實施”的邏輯體系結構。基于OBE理念，結合課程特點，以學生為中心，從培養學生知識、能力、素養等幾個方面制定教學目標；通過案例教學，與經典控制理論對比，貫穿直接解決復雜工程為導向進行教學環節設計；針對上述教學環節，結合課程目標制定注重能力培養的綜合考核評價體系。

關鍵詞? 工程認證；OBE理念；能力培養；模糊控制

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0058-04

0? 引言

為適應新時代工科發展需求，對接國際，助力工程教育強國建設，推動國家工程科學發展，教育部組織開展工程教育認證，旨在推動高等學校工科建設發展[1]。工程教育認證以高等學校相關專業主動申報形式開展，具有廣泛的社會認可度[2-4]。內蒙古工業大學自動化專業借此契機，為提升教學質量，推動學科發展，積極申報工程教育認證，并已獲得教育部的批準。工程教育認證的理念包括三個方面：以學生為中心、產出導向、持續改進[5-6]。其中產出導向教育（Outcome Based Education，OBE）是核心，可以進一步表述為三個方面：1）工程教育的目標是培養未來的工程師，通過大學階段的學習，掌握工程師所必須具備的基本知識、能力和素養；2）OBE目標需要逐級遞進，分解目標，進而形成系統予以實現；3）以實現設定好的整個目標系統為導向設計教學環節，最終滿足工程教育認證的標準。

在此背景下，以內蒙古工業大學自動化專業模糊控制課程為例，貫徹工程教育理念，結合課程特點闡述課程的教學設計過程。

1? 課程特點

模糊控制是自動化專業控制理論系列課程的高階部分。該課程理論難度高，主要用于解決非線性被控對象的數學建模與控制器設計問題，直接面向培養學生解決復雜工程問題的能力。

1.1? 教學內容理論新穎抽象

模糊控制以模糊數學為基礎，提供一種不確定性問題的建模方式及基于經驗的邏輯控制體系，其理論基礎既需要類似高等數學、線性代數等經典數學課程的嚴密數學推理，同時又與工程實際相關，需要結合專家經驗知識和直覺判據。這些特點對本科生而言，思維方式新穎，接受起來有一定難度。同時，由于針對模糊控制的改進算法多種多樣，因此，理解這些過程需要前序經典控制理論的支持，要求學生具有扎實的數學功底、較強的抽象思維能力。

1.2? 課程面對的問題

模糊控制為自動化專業的選修課，在本科階段第七學期開設，以服務本科畢業設計和課程設計為導向。具體針對控制問題而言，主要用于解決非線性對象的建模與控制器設計。模糊控制的基本思想為利用隸屬度函數描述被控對象的數學模型，并以借鑒經驗知識設計的模糊規則為基礎進行模糊推理，進而得出相應的控制器隸屬度函數，再通過清晰化操作給出控制作用。模糊控制的典型特點是不需要建立被控對象的精確數學模型，能夠有效借鑒專家經驗知識，是典型的解決非線性控制問題的方法，開設該課程有助于拓展學生思維，提升對控制理論的認識，進一步加深控制思想的構建。

2? 基于OBE理念的模糊控制教學設計

針對模糊控制課程的特點，以OBE理念為指導，對該課程進行教學設計。

按照OBE的理念，課程的教學設計應該按照“反向設計，正向實施”的過程進行。反向設計的邏輯結構如圖1所示。基本思路為：在學校辦學章程的主體框架下，依據專業特征，制定專業培養目標，進而設置專業畢業要求，并從知識、能力、素養等方面分解為細化的指標點，結合畢業要求指標點構建課程體系。具體而言，每門課程結合課程內容制定教學目標，以支撐畢業要求指標點；圍繞教學目標，以教學內容為載體進行教學過程設計；同時，制定課程的考核評價體系。該考核評價體系能夠佐證學生對應畢業要求，在知識、能力、素養等方面的提升，并且可以找出教學中存在的問題，為后續從課程目標、教學過程、評價體系三方面進行持續改進提供依據。顯然，該邏輯體系與傳統依據課程內容進行教學過程設計的順序相反，因而稱為“反向設計”。但在實際教學過程中，依然需要以具體課程內容為載體、以教學目標為導向進行教學，因此稱為“正向實施”。

在圖1所示的反向教學設計的邏輯體系下，針對具體某一門課程教學設計的過程，又可以基于圖2所示的結構進行。具體而言，OBE理念的核心是“以學生為中心”，首先應該明確學生學習該門課程能夠獲取哪些知識，通過課程的學習能夠提升什么能力，進而定出課程目標；圍繞以學生為中心的課程目標，從意識、知識、能力、技能等角度制定相應的考核要求。在具體教學過程中，應該以課程內容為載體，依據教學條件設計教學環節，最終達成課程目標。當然，整合教學環節的考核評價體系要求能夠找出問題所在，為教學的持續改進提供依據。

上述OBE理念的“反向設計，正向實施”過程始終強調目標導向，以學生為中心，以培養學生的能力為宗旨。據此思路，下面從教學目標、教學方法、考核評價體系三個方面予以闡述。

2.1? 基于OBE理念的教學目標設計

內蒙古工業大學為省屬地方高校，辦學定位為立足內蒙古自治區、服務國家和地方經濟社會需要。自動化專業的培養目標為：培養服務能源、電力、化工、冶金、煤炭等行業，從事與自動控制相關的應用型工程技術人員。以此為基礎，具體畢業要求指標點劃分為幾個大類。結合模糊控制課程的特點及其知識載體，經課程組討論，設計該課程教學目標點3個。目標點1，理解模糊控制的數學基礎。主要包含：模糊集合、模糊關系、模糊推理等內容。該目標點支撐的畢業要求指標點為：能夠應用自動化專業基礎知識，正確表述能源、電氣等工程領域的復雜工程問題，并分析對象特性。該目標點對應對學生進行知識學習的培養。目標點2，理解模糊控制的基本結構及原理，并能夠按此結構設計簡單的模糊控制器，了解模糊控制的應用場合，培養學生對控制系統的設計能力。該目標點支撐的畢業要求指標點為：能夠運用與自動化相關的專業知識，針對能源、電氣等工程領域的工程問題，確定設計目標，設計解決方案。該目標點對應學生的能力培養。目標點3，能夠查閱文獻資料，針對工程問題或實驗室非線性被控對象，應用模糊控制知識建立被控對象數學模型、設計控制器，并與經典控制理論、現代控制理論進行比較分析。該目標點支撐的畢業要求指標點為能夠應用自動化專業知識，通過文獻分析，評價自動控制系統復雜工程問題的不同解決方案，獲得有效結論。該目標點對應學生的素養提升。

2.2? 以教學目標為導向的教學環節設計

為了實現上述教學目標，以模糊控制課程的知識內容為載體，同時考慮到學生在前序課程中學習了自動控制原理、現代控制理論、過程控制等課程，已經建立了基本的控制思想，因此本課程以項目式教學方式開展。

在教學過程中，先向學生明確課程目標，而后針對具體控制實例，開展教學。具體教學內容開展過程，直接面對復雜工程問題的建模與控制器設計，整個教學過程以完成一個大作業為線索進行。

首先，引導學生選擇一個較為復雜的被控對象，比如，以實驗室的典型非線性控制對象，倒立擺、雙容水箱、吹擺系統等為控制對象，通過查閱文獻，了解被控對象的特性，依據控制理論的基本思想，明確控制目標、輸入量、輸出量的特性，進而建立控制對象的數學模型，并設計PID或者極點配置狀態反饋控制器。

其次，分析這些控制對象及控制器的特點。例如針對倒立擺系統，使用雙閉環PID控制方法或者極點配置狀態反饋控制方法，都需要基于倒立擺的線性化模型進行設計，而線性化模型是由倒立擺的非線性模型在平衡點附近近似處理所得。這也從本質上決定了采用經典控制理論的方法控制倒立擺的可控范圍有限。針對此問題，引導學生拓展思維，思考以模糊控制的方式設計控制器，是否可以擴大倒立擺角度、位移的控制范圍。以這一個改進控制目標為導向，對模糊控制的基本結構予以講解，并要求學生分析模糊控制理論與經典控制理論的區別。在模糊控制基本結構的主導思想指導下，針對具體的模糊數學內容開展教學，包括模糊集合、模糊關系、模糊推理等內容。針對此部分課程內容制定的考核評價方式，要求學生同步完成所選控制對象相關內容的建模，比如，設計擺桿角度的模糊語言取值，并設計相應的隸屬度函數，依據擺桿角度的模糊狀態特性設計模糊規則等。在引導學生完成模糊數學相關內容的學習之后，再引導學生系統理解模糊控制的基本結構，并要求學生利用模糊控制完成對所選控制對象的有效控制。在此過程中，學生可能遇到問題，需要查閱文獻，比如，倒立擺控制器的輸入為小車位移、速度、擺桿角度、角速度四個量，四個輸入量會引起模糊規則爆炸問題，因此，學生需要查閱文獻解決此問題。這個過程可培養學生查閱文獻的能力。

最后，針對模糊控制的改進控制策略開展教學。鑒于學生已經采用經典控制方法和模糊控制方法實現了所選控制對象的穩定控制，要求學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，但在平衡點附近控制精度不如PID控制的原因，進而自然引出模糊控制與PID結合的改進控制方法。同時鼓勵學生繼續查閱文獻，完善大作業。整個過程圍繞大作業的完成，以模糊控制知識內容為載體，從模型構建，控制器設計、多種控制方法比較等角度培養學生的自學能力，拓展學生的控制思維，培養學生的文獻查閱能力，從而實現提升學生綜合素質的目標。

2.3? 持續改進的多元考核評價體系

與上述教學環節相匹配，與傳統的“教師講，學生聽”的教學模式相比較，課程的評價體系加大了過程考核力度，具體包括平時考核、大作業、期末試卷3部分內容。在平時教學過程中，通過設計問題引導學生思考和自主學習，將這些問題作為平時作業，平時作業有隨堂提交和課后提交兩種方式。簡單的問題作業隨堂提交，這種方式有助于保證學生出勤率，且督促學生課上認真聽講。復雜的問題作業課后提交，該方式給學生提供了獨立思考的時間。大作業的完成貫穿整個教學過程，對學生諸如獨立思考、自學、文獻查閱、報告寫作進而構成的解決復雜工程問題的能力的提升有很大幫助。期末試卷分為計算和論述兩種類型的題目，注重對學生模糊控制知識的理解、控制思想的構建的考查，而不是簡單地考查其知識記憶。

從上述考核評價體系可以看出，與傳統的單一試卷考核方式相比較，該考核方式更加注重過程考核、能力考核，而弱化了記憶性考核。同時可以為后續教學的持續改進提供依據，比如，在第一輪教學過程中發現大作業存在比較嚴重的抄襲現象，在后續的教學中就可思考如何督促學生自主完成大作業，避免抄襲的問題。

3? 結束語

在內蒙古工業大學自動化專業參與工程教育認證的背景下，本文基于OBE理念，針對模糊控制課程，從分析課程特點出發，應用OBE理念的一般思路及課程設計的過程，制定了課程的教學目標。以教學目標為指導，針對非線性控制對象實例，與傳統控制理論進行對比，從建立控制對象數學模型、設計模糊控制器、改進控制效果等角度，引導學生學習模糊控制的知識體系。

在課程的教學過程中，不以講解內容為中心，而是以提升學生解決復雜工程問題的能力為導向，通過項目式教學，實現學生學習能力、素養的提升。最后闡述了包括平時考核、大作業、期末考試三方面的課程考核評價體系，并對存在的問題提出了持續改進意見。

4? 參考文獻

[1] 教育部辦公廳.全國工程教育專業認證專家委員會章程（暫行）[EB/OL].（2007-08-24）[2023-09-21].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3861/200708/t20070824_109633.html.

[2] 朱露，胡德鑫，何楨，等.國際工程教育專業認證體系的發展與改革：基于《華盛頓協議》與歐洲工程教育專業認證體系的對比分析[J].高等工程教育研究，2022（4）：38-51.

[3] 朱露，王庚，胡德鑫，等.工程教育專業認證標準的國際案例研究[J].高等工程教育研究，2022（3）：32-45，73.

[4] 盧冀偉，李麗匣，孫永升，等.工程教育專業認證背景下國際化人才培養：以東北大學礦物加工工程專業為例[J].高等工程教育研究，2022（2）：69-73.

[5] 孫曉玲，楊秋格，李姍姍.基于工程教育認證的大學課程改革研究：評《成果導向教育與工程教育認證》[J].中國高校科技，2022（3）：106.

[6] 孫麗華，韓曉慧，王慧，等.基于OBE理念的“電力工程”課程教學設計與教學改革[J].河北科技大學學報（社會科學版），2021，21（3）：64-68.

*項目來源：內蒙古工業大學重點教改項目“新工科背景下地方高校電氣大類工程創新能力培養模式的探索”（基金編號：2021109）。

作者簡介：劉慧文，博士，講師；張健欣、齊詠生，博士，教授。