《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真》網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)與探索

王娜

[摘要]針對(duì)“控制系統(tǒng)數(shù)字仿真”課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)及課時(shí)量有限、師生互相溝通不方便等不足，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)進(jìn)行有效探索與實(shí)踐，從網(wǎng)絡(luò)課程的必要性及課程的建設(shè)情況進(jìn)行多方面闡述，最后對(duì)“控制系統(tǒng)數(shù)字仿真”網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的體會(huì)進(jìn)行了總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]控制系統(tǒng)數(shù)字仿真 ?網(wǎng)絡(luò)課程 ?建設(shè)實(shí)踐

[中圖法分類號(hào)]G642.0 ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真》是一門講授仿真的基本原理、算法，并以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為基本工具，對(duì)控制系統(tǒng)及工程中的實(shí)際問題進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真的課程，是自動(dòng)化、電氣及信息類專業(yè)課程體系中重要的專業(yè)課[1]。通過MATLAB等仿真工具對(duì)于經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論下控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)從控制理論到實(shí)踐應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)過程，使學(xué)生充分掌握控制理論和仿真手段，著力培養(yǎng)學(xué)生分析控制系統(tǒng)和解決控制問題的能力[2]。

目前，在實(shí)際教學(xué)中，該課程通常安排為30學(xué)時(shí)左右，其中理論教學(xué)一般約為22學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)占8學(xué)時(shí)左右。從目前的情況看，仍存在以下問題[3，4]：

一、理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏銜接。

現(xiàn)有的課程內(nèi)容以課堂講授為主，更適合于純數(shù)學(xué)理論如數(shù)值積分方法的學(xué)習(xí)，不適合于Matlab的實(shí)現(xiàn)，基于Matlab的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)等實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容。而實(shí)驗(yàn)講授一般滯后理論學(xué)習(xí)，導(dǎo)致理論與實(shí)踐的脫節(jié)，不利于學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí)。

二、實(shí)踐性環(huán)節(jié)較少，缺乏綜合性、針對(duì)性

原課程實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容上缺少前后連貫性以及從建模到控制的綜合性內(nèi)容。還缺乏與工程實(shí)踐相關(guān)的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。不利于學(xué)生正確認(rèn)識(shí)實(shí)際工程和理論知識(shí)的綜合應(yīng)用能力的提高。

三、不能及時(shí)反映前沿，缺乏創(chuàng)新性。

目前課程中的仿真技術(shù)業(yè)已成熟，但難以體現(xiàn)更復(fù)雜、先進(jìn)仿真功能的軟件和最新仿真方法，影響學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

由此可見，傳統(tǒng)的授課模式使師生間缺乏有效的交流互動(dòng)。因此如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)意識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)其自我分析、解決問題的能力，成為當(dāng)前亟待解決的問題。與此同時(shí)，以Internet推動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)課程是另一新興趨勢(shì)，其包括：按一定的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)策略組織起來的教學(xué)內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支撐環(huán)境[5]。但目前在其建設(shè)中仍存在以下問題：

在設(shè)計(jì)開發(fā)方面，首先，現(xiàn)有平臺(tái)的交互性較差、更新較慢且缺乏協(xié)作學(xué)習(xí)。靜態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)導(dǎo)致學(xué)習(xí)中缺少交互，不能在線提問，問題和觀點(diǎn)不能及時(shí)提出，得到幫助和反饋;無法及時(shí)協(xié)商和對(duì)話。其次，缺乏便捷導(dǎo)航，熟悉總體架構(gòu)需要大量時(shí)間，不適于自主學(xué)習(xí)。

在教學(xué)應(yīng)用方面，有效資源不足，且利用率較低。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容僅是課堂內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)化，瀏覽模式呆板，內(nèi)容安排無序，甚至導(dǎo)航混亂。評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制缺失。此外，在網(wǎng)站的維護(hù)管理方面，存在著重開發(fā)、輕維護(hù)，后期管理不到位。不能隨著課程改革、教學(xué)計(jì)劃及時(shí)更新和維護(hù)。甚至易于感染病毒，嚴(yán)重危害信息安全。

上述問題，使得《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真》課程難以充分發(fā)揮效用，故本文從教學(xué)設(shè)計(jì)的三個(gè)方面：教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容特征分析、學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)三個(gè)角度對(duì)該課程進(jìn)行了新的研究和探索。

1.教學(xué)目標(biāo)分析

在按照重整體、輕細(xì)化來實(shí)現(xiàn)具體的教學(xué)目標(biāo)，充分考慮學(xué)習(xí)者主體，確定了優(yōu)化后的課程教學(xué)目標(biāo)：

①了解仿真與數(shù)字仿真的概念，并熟練掌握數(shù)字仿真平臺(tái)Matlab的基本操作方法;

②熟練掌握基本控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如傳遞函數(shù)、零極點(diǎn)模型、狀態(tài)方程模型等;

③了解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其拓?fù)涿枋觯煜ず驼莆掌渲饕獢?shù)值積分法，如歐拉法、梯形法和四階龍格—庫塔法等;

④熟悉Simulink動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境，并掌握控制系統(tǒng)的時(shí)域（含基于狀態(tài)空間的）和頻域計(jì)算機(jī)輔助分析方法，從而對(duì)一般的控制系統(tǒng)具有綜合設(shè)計(jì)和仿真的能力。

2.學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)內(nèi)容特征分析

針對(duì)使用對(duì)象為大三學(xué)生，已先修過《自動(dòng)控制原理》等課程，在教學(xué)設(shè)計(jì)中通過設(shè)計(jì)適合學(xué)生個(gè)性的情景問題、增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)資源庫，如重點(diǎn)難點(diǎn)、經(jīng)典例題等、增加課程學(xué)習(xí)的總體進(jìn)度和單元進(jìn)度，包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、建議、進(jìn)度、重點(diǎn)難點(diǎn)等，來強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系與區(qū)別，刺激學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。并根據(jù)不同知識(shí)類型，將學(xué)習(xí)內(nèi)容嵌入不同學(xué)習(xí)情境要素中，如陳述性知識(shí)可以通過學(xué)習(xí)資源的方式提供，而策略性的知識(shí)，則可通過設(shè)計(jì)自主學(xué)習(xí)活動(dòng)來體現(xiàn)并展開。所優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容如下：

第1章：仿真軟件matlab;

第2章：數(shù)學(xué)模型及轉(zhuǎn)換;

第3章：連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真;

第4章：動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境—Simulink;

第5章：控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析及設(shè)計(jì)。

3.學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)

（1） 超鏈接知識(shí)單元網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示，將學(xué)習(xí)任務(wù)以知識(shí)點(diǎn)形式展開、超文本方式組織，最終形成了樹狀知識(shí)單元超鏈接網(wǎng)狀體系。

（2）確保教學(xué)資源的系統(tǒng)性、便捷性與安全性

在便利性上，針對(duì)反饋信息，對(duì)學(xué)生因材施教，講授重點(diǎn)，收集和整理適宜學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)素材，如PPT課件，WORD文檔，VC，c++及matlab源程序，F(xiàn)LASH 動(dòng)畫演示等。安全性方面，避免使用來歷不明的軟件和文檔;定期查殺病毒，更新病毒庫;盡量使用綠色軟件;重要的資源及時(shí)備份;為不同類型用戶設(shè)置不同用戶操作類型和訪問權(quán)限，設(shè)定訪問的最大用戶數(shù)量、上傳/下載速率及用戶線程數(shù)。

圖1：控制系統(tǒng)仿真課程的超鏈接知識(shí)單元網(wǎng)絡(luò)

（3） 添加最新資源，反映學(xué)科進(jìn)展

采取的措施包括：結(jié)合現(xiàn)有仿真新技術(shù)，更新和完善已有內(nèi)容;實(shí)時(shí)跟蹤、了解前沿仿真技術(shù)：不同版本MATLAB仿真軟件，新增仿真工具箱，先進(jìn)控制方法的仿真結(jié)構(gòu)框架等。并利用教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員充分調(diào)研、探討與改進(jìn)新的教學(xué)內(nèi)容;與實(shí)驗(yàn)教師充分溝通，在實(shí)驗(yàn)教材中突出與當(dāng)前新技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)。

四、結(jié)語

通過以上教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容特征分析、學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)等手段的綜合運(yùn)用，必會(huì)促進(jìn)該課程的進(jìn)一步發(fā)展，引領(lǐng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，提高該網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)質(zhì)量和實(shí)施效果，從而加快教學(xué)信息化和網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]李克東，教育技術(shù)學(xué)研究方法[M]，北京師范大學(xué)出版社，2003.

[3]潘峰，薛定宇，陳大力，MATLAB語言課程在電氣信息類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J]，電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009（31）：57-59.

[4]戴先中，自動(dòng)化學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)與知識(shí)體系淺析[J].中國大學(xué)教育，2005（2）：19-21.

[5]李克東，謝幼如，高校網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)與應(yīng)用的質(zhì)性研究[J].開放教育研究，2011（11），15-21.

（作者單位：天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系， 天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）