基于OBE理念的控制系統計算機仿真課程改革

摘 "要：隨著社會生產力持續進步和人們生活質量的不斷提升，對控制理論、技術、系統和應用的需求變得越來越廣泛和復雜。作為自動控制系統仿真、分析和設計的至關重要的一門課程，控制系統計算機仿真對學生畢業設計和就業具有重要意義。針對在該門課程教學中存在的課程內容與教學設計不匹配、重點理論資源建設不完善和課程考核方式不恰當三大主要問題，該文以OBE（Outcome-Based Education）理念為指導，開展有針對性的課程改革和研究。通過建設課程知識體系與多樣化課程資源，提升教學品質，激發學生的學習熱情、主觀能動性和創新意識。

關鍵詞：控制系統；OBE；資源構建；系統仿真；課程改革

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：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，為了促進模擬仿真行業發展，我國頒布了多項關于支持、鼓勵、規范模擬仿真行業的相關政策。如2020年，國家發展改革委在鼓勵外商投資產業目錄中提出，鼓勵大中型電子計算機、萬萬億次高性能計算機、便攜式微型計算機、大型模擬仿真系統、工業控制機及控制器制造[1]。2022年，工業和信息化部、科學技術部、生態環境部聯合印發的《環保裝備制造業高質量發展行動計劃（2022—2025年）》中指出，推廣仿真模擬軟件、虛擬現實、數字孿生等先進技術，開展環保裝備設計，提高企業數字化設計水平[2]。

在新工科背景下，對當代大學生的創新與工程能力提出了更高的要求[3-4]。為了進一步培養自動化專業學生系統分析、設計和解決復雜控制工程問題的能力，增強學生對國家新經濟、新業態的適應性，各高校均開設有機器人仿真、過程控制系統仿真、控制系統計算機仿真等仿真課程[5-7]。

控制系統計算機仿真課程在自動化專業中具有舉足輕重的地位，該門課程涉及控制理論、計算機科學、數學等多個學科，為學生提供了關于系統建模、仿真和控制策略的基本知識和技能，也為學生提供了一個嘗試新方法、新技術的平臺[8]。本文針對自動化專業的控制類課程，擬開展基于OBE理念的控制系統計算機仿真課程改革與探索，提高教學質量，增強學生的學習積極性、主動性和創新精神。

一 "研究現狀與問題分析

MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件，美國和歐洲的大學已將MATLAB正式列入本科和研究生教育階段的教學計劃，它是面向工程師和科學家的最簡單和最具生產力的軟件[9]。無論是分析數據、開發算法，還是創建模型，其提供了鼓勵探索發展的環境，它可將高級語言與迭代式工程和科學工作流進行調整的桌面環境相結合，可實現數據分析、數值計算、算法設計、數據可視化和建模仿真等功能，廣泛應用于信號處理和測試/量、圖像處理、通信、控制系統設計與仿真等。

控制系統計算機仿真課程內容包含MATLAB語言基礎和控制系統基礎知識及相應的仿真，旨在傳授MATLAB程序設計語言基礎、控制系統理論基礎、Simulink交互式仿真環境、線性控制系統的分析與仿真、最優控制系統設計及仿真的相關內容，使學生能夠掌握程序設計語言基本知識、編程方法、Simulink建模與仿真，加深理解和掌握控制系統設計和仿真，培養綜合性分析和解決問題的能力。該課程涵蓋內容較多，實踐能力和邏輯思維能力要求比較強，因此教學中存在一定難度，國內高校多年來已有不少顯有成效的改革和嘗試，但依然存在一些突出問題。

第一，課程內容與教學設計不匹配。大多數院校針對該門課程的課時設置較少，由于該門課程要求的理論和實驗教學內容較多，這就導致多數教師在授課的過程中無法面面俱到，只能一味地加快上課進度，從而忽略了一節課的基本環節，尤其是課堂上的鞏固與練習環節，導致學生對MATLAB編程語言和Simulink建模的掌握不夠，難以應用于控制系統。此外，學生在這種知識灌輸型授課模式下，缺乏獨立思考，這不利于培養學生的自主性和創造性。

第二，重點理論資源建設不完善。原則上，在學習該門課程以前，學生已經具備了自動控制原理的基礎，對基本的控制結構、控制方法以及控制器設計等內容已經掌握。但大多數院校將該門課程與控制系統計算機仿真課程分兩個學期安排，沒有針對性地建設與控制系統計算機仿真相關的自控原理重點知識。學生在間隔了一個學期之后，已經將自控原理的知識拋諸腦后。此外，也沒有能系統性、針對性學習的相關資源，這導致在學習使用MATLAB實現系統穩定性分析、系統控制器設計以及系統校正的時候，只是一味地照搬案例，機械化修改參數，無法深入理解其中的原理。

第三，課程考核方式不恰當。由于該門課程涵蓋的理論知識面廣，且涉及MATLAB編程和Simulink建模等上機操作，針對該門課程的考核如果以期末閉卷考試的方式進行，傳統的兩小時考試試題難以將該門課程的知識體系覆蓋全，因此在對該門課程制定考核方式的時候，基本都是以“平時作業+期末大作業”的方式進行考核，給予足夠的時間讓學生完成。但是，由于該考核方式缺乏監管，這不僅讓學生對該門課程的重視程度不夠，也導致學生相互之間的抄襲現象比較嚴重，尤其是在大班教學的情況下，管理起來十分困難。

二 "解決問題的方法及目標

（一） "基于OBE理念的教學設計方案

以控制系統計算機仿真課程為例，借鑒OBE成果導向人才培養設計和開展過程，進行教學過程的反向設計。研究自動化專業領域人才培養方案及對系統仿真技術的要求，分析課程對專業領域的服務指標，細化依托課程需要達到的思維、習慣、能力等分項指標，調整控制系統計算機仿真課程的教學大綱。改造科研項目、成果，轉化成課堂實施的綜合項目，使目標落地。在此基礎之上，進一步分解項目，設計可實施的子項目。教學思路反向設計過程如圖1所示。例如在學習控制系統校正與綜合相關知識時，結合本人科研方向和企業項目需求，引入無線充電系統負載無關性恒壓/恒流輸出設計項目，將項目分解為無線充電系統的MATLAB/Simulink建模、系統傳遞函數編程計算、PID控制器設計與校正等子項目。通過項目反推出涉及的知識模塊，用項目來牽引知識。

通過將實際應用項目、理論課程和仿真技術相結合，讓學生真正感受到該門課程所能發揮的工程作用和價值，不僅能喚起學生的學習興趣，提升45分鐘的課堂學習效率，而且能提升學生獨立思考和解決工程問題的能力，培養學生的自主性和創造性。

（二） "“自控原理+系統仿真”課程知識體系與資源構建

若要深入理解仿真技術在控制系統中的應用，學生需具備扎實的理論基礎，對自動控制原理課程的相關知識有深入的認識。但是，自動控制原理的知識構架十分復雜繁多，因此需要有針對性地構建課程知識體系和資源，重點突出與控制系統仿真技術相結合的理論知識點?；谒鶚嫿ǖ恼n程知識體系和教學資源，學生在學習控制系統仿真技術的同時，能查漏補缺，提高學習效率?！白钥卦?系統仿真”課程重點知識體系如圖2所示，針對圖示重點內容，在建設資源的過程中應以實際控制系統應用案例為依托，建立控制系統基本原理、數學計算以及MATLAB編程計算等理論知識架構。教學課程資源建設主要包括課前資源、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，教師和學生能根據所需知識點隨時調用。

結合實際應用案例，通過“自控原理+系統仿真”課程知識體系與資源構建，讓學生在學習控制系統仿真新知識的同時保持對自控原理基礎知識的熱度，兩者結合，從原理上真正理解系統建模、控制器設計、系統校正以及在實驗項目開發中的關鍵問題，從根本上解決項目難題。

（三） "以系統實現為理念的非標考核方式

非標準化考試是使用一系列教學過程中的評價和測試取代統一的標準化考試，即將單純的“一考定乾坤”轉變為教學過程中的全程測評，其目的是為訓練、提升學生解決復雜工程問題所需要的知識、技能、工具、溝通、學習和研究等能力。本項目擬改變傳統“平時成績+期末考試成績=總成績”的評分機制，將總成績分為實驗成績、平時作業成績、綜合設計、課堂討論以及期末答辯成績，如圖4所示。其中實驗主要包含上機操作和實驗報告，平時作業主要考查對基礎理論知識的掌握情況，綜合設計主要考查系統設計過程中思路是否清晰、能否得到正確的運行結果，課堂討論主要包含課堂上的互動以及云平臺上的學習活動。期末答辯成績占主導，包含答辯和設計報告。主要是考查基于不同的實際應用，對整個系統編程建模、傳遞函數求解、穩定性分析、指標計算、閉環控制器設計與系統校正，最后在Simulink平臺下建立動態系統模型，對所設計系統進行仿真驗證，確保系統能實現基本功能，具有實際意義。

上述考核方式以OBE理念為指引，考核應用案例從工程實際中提煉，充分體現自動化專業特點，突出自動化專業背景。

三 "應用案例分析

本文以輸電線路巡檢無人機無線充電的實際應用需求為例[10-11]，結合上述解決方法，進行引導式教學，提升學生的學習興趣和自主能動性。

巡檢無人機普遍受限于電池容量，現有方案每航次只能巡查2～4座桿塔，便需要進行更換電池或者返回“機場”進行充電，極大限制了無人機的巡檢里程及智能化水平。目前較好的解決方案是開發無線充電無人機智能控制分析平臺，建立配電網無人機智能巡檢系統，提高電力線路無人機智能巡檢作業全自主性、自動化和智能化水平。因此，課程要求設計一套無人機無線充電系統，確保當無人機移入后，系統能夠高效穩定地為負載提供需要的功率， 同時當無人機移除后，系統能自動進入待機狀態。

該案例要求學生能根據自身所學的控制系統建模與仿真的知識，并結合自動控制原理相關閉環控制理論，搭建一套無人機無線充電系統仿真模型。案例涉及控制系統數學模型構建、系統穩態和動態性能分析、PID控制器設計與校正和MATLAB/Simulink仿真建模各子項目的訓練。無人機無線充電系統設計綜合性較強，無標準答案，以此作為課程考核內容之一，可有效提升學生獨立思考和解決工程問題的能力，有利于學生從系統上掌握課程知識。

圖5為某學生針對該案例所搭建的無線充電系統仿真模型，為了使供給到無人機的電壓保持恒定不變，接收端采用DC-DC變換電路，開關管驅動采用PID閉環控制，PID控制模型如圖6所示。圖7為無人機“飛入—飛出—飛入”時系統輸出電壓和電流的仿真波形，可見在無人機飛入后系統能為其提供電能，飛出后，系統輸出電壓和電流近似為零，保持待機狀態。因此，該仿真能實現該案例所要求的基本功能。

四 nbsp;結束語

本文基于OBE理念，對控制系統計算機仿真課程進行了改革探索，立足實踐來建構知識與發展知識，通過理論課程來驅動實際應用，并通過實際工程案例來深化理論學習，盡可能地把學生的創造潛能誘導出來，促使學生的工程實踐能力和解決復雜工程問題的能力得到全方位提升。最后，通過學生完成的實際案例進行說明，驗證了本文所提出的教學改革方法的可行性和有效性。

參考文獻：

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