自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學(xué)與考試模式改革實踐

馬靜　馬新慧

摘要：從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方式結(jié)合課程目標(biāo)，以應(yīng)用和問卷調(diào)查為導(dǎo)向進行自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程的教學(xué)模式改革；采用多元化考核方式，使教學(xué)與考核相結(jié)合，促進學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)；對其他類似課程有良好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字仿真；學(xué)和考試模式改革；例引導(dǎo)教學(xué)；元化考核方式

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0126-02

一、引言

控制系統(tǒng)計算機仿真是講授仿真的基本概念、原理、算法和計算機實現(xiàn)的課程，是自動化專業(yè)課程體系中重要的專業(yè)課。本課程原有教學(xué)模式是以課堂講解為主，上機實驗為輔；原有考核模式也是以卷面成績?yōu)橹鳎綍r成績?yōu)檩o，這讓學(xué)生形成了一種傳統(tǒng)的語言課程學(xué)習(xí)的機械式方法，且考試方式單一，理論考試多，應(yīng)用測試少，很難滿足以應(yīng)用為目的的學(xué)習(xí)。為此，本文結(jié)合教學(xué)實踐改革，采用教與考相結(jié)合的方式，注重學(xué)習(xí)和動手能力的培養(yǎng)。

二、教學(xué)模式改革

1.教學(xué)內(nèi)容改革。（1）制定課程教學(xué)主線。在教學(xué)內(nèi)容上把握一條主線、兩個應(yīng)用：以自動控制系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識、實現(xiàn)方法、結(jié)果分析為依據(jù)，始終貫穿控制系統(tǒng)仿真過程；以實踐應(yīng)用和實例應(yīng)用為目標(biāo)，通過主線，將理論和實踐有機結(jié)合。具體如圖1所示。（2）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。課程內(nèi)容在Simulink基本仿真的基礎(chǔ)上加入一些高級編程，如Simulink和MATLAB交互編程，S函數(shù)的用法以及實用的工具，擴展學(xué)生仿真的工具和手段，為仿真實際應(yīng)用做好準備。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)改革。（1）實踐應(yīng)用改革。在實踐應(yīng)用中擴充了原有的實驗內(nèi)容，由原來的6個實驗改為10個，細化了實驗?zāi)繕?biāo)，制定了新的實驗手冊。（2）實例應(yīng)用改革。在實例部分由簡到繁，結(jié)合學(xué)生目前自動控制原理課程學(xué)習(xí)的進度和理解程度，選擇具有代表性和學(xué)生感興趣的控制系統(tǒng)完成以下實例仿真過程：①電力牽引電機控制；②磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)；③海底隧道鉆機控制系統(tǒng)；④哈勃太空望遠鏡指向控制；⑤火星漫游車轉(zhuǎn)向控制；⑥自動平衡秤系統(tǒng)；⑦自動焊接頭控制；⑧轉(zhuǎn)子繞線機控制系統(tǒng)。

重點講解了磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)，由簡化圖逐步深入具體結(jié)構(gòu)，控制指標(biāo)由粗到細，控制器由簡到繁，層層分解，步步深入，從常見PID控制到現(xiàn)代控制理論、智能控制理論。

3.教學(xué)方式改革。（1）采用實例引導(dǎo)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的應(yīng)用能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)已掌握了控制理論的基本知識和控制系統(tǒng)的基本設(shè)計及分析。為突出仿真的應(yīng)用意義，在應(yīng)用一節(jié)的講授環(huán)節(jié)中加入科研工程實例，利用MATLAB/SIMULINK進行仿真、分析和設(shè)計，通過多媒體向?qū)W生展示，可以激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，加強學(xué)習(xí)的目的性。另外，對每次實驗課的題目進行由簡到繁的系統(tǒng)性設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，以幫助學(xué)生在解決簡單問題之后有興趣解決復(fù)雜問題，并鍛煉分析問題的能力。（2）利用問卷調(diào)查調(diào)動學(xué)生參與教學(xué)的主動性。為及時掌握學(xué)生對于教學(xué)改革的意見和建議，本學(xué)期進行問卷調(diào)查2次，共設(shè)立20個問題，為發(fā)揮學(xué)生的主動性以開放式問卷為主，分別從課程的設(shè)置、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、團隊合作能力和溝通能力等方面進行調(diào)研，并及時分析、回饋與學(xué)生交流。問卷中有代表性的兩個問題如下。

①你對這門課教學(xué)內(nèi)容的感興趣程度，在下表適當(dāng)?shù)倪x項中選擇（劃√，可多選）。

②如果現(xiàn)在需要你和其他同學(xué)合作完成研究任務(wù)，你希望承擔(dān)何工作？

A.數(shù)據(jù)計算（ ） B.理論設(shè)計（ ）

C.算法實現(xiàn)（ ） D.結(jié)果分析（ ）

其他（請具體寫明）

三、考試模式改革

1.考試模式構(gòu)成。本學(xué)期考試成績按百分制計算，其中大作業(yè)（含答辯）（70%），實驗（20%），卷面（10%）。卷面作為閉卷考試，時間2小時，按百分制給定，實驗成績由實驗報告成績按百分制給定。大作業(yè)分為答辯和紙質(zhì)作業(yè)兩部分；具體評分標(biāo)準為：報告得分90分+答辯/特色加分10分。

2.大作業(yè)考核具體步驟。（1）分組。結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果將學(xué)生分組，每組4個學(xué)生，設(shè)組長1名；每組共同完成一道題目，同組4人可按橫向也可按縱向劃分任務(wù)，任務(wù)根據(jù)問卷調(diào)查表并結(jié)合個人情況分配，組員協(xié)商由組長統(tǒng)一意見。（2）布置大作業(yè)內(nèi)容。每組一題，涉及選題自動控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計與分析，包括：①MANUEC器人；②NASA的衛(wèi)星回收機械手；③星際探索的系統(tǒng)；④無人機；⑤天線指向控制系統(tǒng)；⑥機械臂控制系統(tǒng)；⑦熱軋機控制系統(tǒng)；⑧液壓伺服控制系統(tǒng)。（3）給出作業(yè)基本結(jié)構(gòu)和例子?？紤]到學(xué)生初次完成大作業(yè)，不僅給出了大作業(yè)的要求內(nèi)容，同時給出了參考格式，并給出了2份實例作業(yè)，供學(xué)生進一步參考、了解研究思路和步驟。（4）答辯。為了解學(xué)生紙質(zhì)作業(yè)以外的情況，同時也為鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和語言表達能力，針對大作業(yè)設(shè)立了答辯環(huán)節(jié)。答辯過程中按劃分小組進行，學(xué)生制作5～8分鐘的PPT，由教師擔(dān)任答辯委員，并進行提問和現(xiàn)場評價。

四、改革的收獲與思考

1.答辯效果的直接回饋。在每個學(xué)生和每組答辯結(jié)束后都進行了分析和評價，讓學(xué)生及時了解個人的優(yōu)點和不足；也知道本組在分工、研究過程中的優(yōu)勢與問題。學(xué)生及時了解考試中存在的問題，教師能夠與學(xué)生進行反饋與一對一的直接交流。

2.新多元化考核模式的推廣。所采用的多元化考核方式使學(xué)習(xí)過程中始終穿插著考核的過程，明顯提高了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的重視程度。另外，理論考核在總成績中比例的減小，實驗考核與大作業(yè)考核、答辯在總成績中比例的增加，也明確了學(xué)習(xí)態(tài)度的重要性及實踐技能的重要性。

3.推進雙語教學(xué)。雙語教學(xué)是我校創(chuàng)建世界一流大學(xué)過程中十分重要的一項教學(xué)改革措施。通過雙語教學(xué)，能夠較好地幫助學(xué)生掌握本學(xué)科的專業(yè)英語術(shù)語以及本專業(yè)的最新國際發(fā)展動態(tài)，開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生探索新知識的興趣，增強學(xué)生進行國際學(xué)術(shù)交流的能力。

4.大作業(yè)自主選題。在選題上進一步發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，鼓勵進行自主、寬范圍選題，可結(jié)合自動控制原理課程接觸的實際系統(tǒng)，如雙容水槽系統(tǒng)、汽車調(diào)速系統(tǒng)、直流電機系統(tǒng)、溫壓控制系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)；也可結(jié)合各自感興趣的其他領(lǐng)域選題。

5.構(gòu)建課程綜合教學(xué)平臺。課程建設(shè)是教學(xué)的重要組成內(nèi)容，是提高專業(yè)建設(shè)水平的有效途徑，所以結(jié)合控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程特點，充分利用各種資源，使課程教學(xué)系統(tǒng)化，加強實踐教學(xué)，改革教學(xué)模式，開發(fā)、整合、匯聚優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，系統(tǒng)建設(shè)控制系統(tǒng)數(shù)字仿真綜合教學(xué)平臺將是本課程的長期目標(biāo)。