控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學改革與實踐

鄭一力 趙燕東

北京林業(yè)大學工學院 北京 100083

控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學改革與實踐

鄭一力 趙燕東

北京林業(yè)大學工學院 北京 100083

基于工科研究生培養(yǎng)需求和課程特點，對控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程的教學內(nèi)容、教學方法、實踐方法以及考核方法進行了改革與實踐。引入國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學素材，采用問題導向式的案例教學引導學生解決問題，應用翻轉(zhuǎn)式教學方式培養(yǎng)了學生綜合能力，優(yōu)化實踐教學內(nèi)容，并改革綜合考試體系。實踐結(jié)果表明，改革促進了研究生對該課程學習的主動性，有效培養(yǎng)了學生的實踐能力和表達能力。

控制系統(tǒng)仿真；案例教學；翻轉(zhuǎn)課堂

控制系統(tǒng)數(shù)字仿真是控制工程、機械工程等專業(yè)研究生的主要課程之一。該課程采用講課和實踐相結(jié)合的方式，使學生掌握控制系統(tǒng)數(shù)字仿真理論、設計方法和實現(xiàn)方法，能夠通過計算機仿真手段分析和設計控制系統(tǒng)，為學生從事控制相關(guān)領域的研究和工作打下良好的基礎[1,2]。

本文在分析北京林業(yè)大學控制系統(tǒng)數(shù)字仿真研究生課程教學內(nèi)容和特點的基礎上，結(jié)合林業(yè)院校研究生的特點和科研課題，重點探討了控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程教學內(nèi)容、教學方法、實踐方法以及考核方法的改革實踐，重點突出對研究生的動手能力、理論聯(lián)系實際能力、表達能力和工程意識的培養(yǎng)，進一步拓寬學生的科研和工程綜合實踐素質(zhì)。

1 課程教學內(nèi)容和特點

控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的課程為32學時，主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本方法、控制系統(tǒng)的時域和頻域仿真方法、控制系統(tǒng)校正與綜合仿真、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析與設計仿真、非線性控制系統(tǒng)仿真、最優(yōu)控制系統(tǒng)仿真等。其先修課程有自動控制原理、線性控制系統(tǒng)、最優(yōu)控制、非線性控制系統(tǒng)等，學生需掌握Matlab和Simulink仿真等相關(guān)編程技術(shù)，重點完成基于Matlab的相關(guān)控制系統(tǒng)仿真綜合設計實驗。該課程具有以下特點。

1.1 實踐性強和課時較短

研究生在本科階段已經(jīng)學過了自動控制原理、線性控制系統(tǒng)、過程控制等課程，部分學生學習過最優(yōu)控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)，所以研究生課程不能再以概念和理論為主，而需要在有限的學時內(nèi)以實踐和綜合設計為主。

1.2 研究生課程學習與本科生區(qū)別較大

研究生階段學習精力主要以完成本人的科研題目為主，與本科生的上課有很大區(qū)別?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真課程需要在較好傳授知識和技能前提下，不能占用研究生較多的科研實踐時間，最好能與研究生的科研課題結(jié)合，促進科研應用。

1.3 研究生的綜合素質(zhì)需要通過課程提高

教師授課和學生聽課的傳統(tǒng)教學模式無法培養(yǎng)研究生的PPT制作、口頭表達和動手實踐能力，導致學生學習主動性較低。同時課程需要與國際化接軌，培養(yǎng)學生利用標準的專業(yè)英語表述控制工程問題，培養(yǎng)控制相關(guān)論文的英文表達能力，增強學生進行國際學術(shù)交流的能力[3]。

2 教學內(nèi)容和方法改革

2.1 吸收和借鑒國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學 優(yōu)化課堂教學內(nèi)容

根據(jù)控制工程等學科發(fā)展和科研就業(yè)需求變化，調(diào)整和凝練課程內(nèi)容，在提高教學內(nèi)容系統(tǒng)性的前提下，積極探索和擴大課程教學內(nèi)容的深入性和國際前沿性，吸收學科的科研成果和前沿知識、引進國外部分經(jīng)典的教學素材，如Gene F.Franklin編寫的quot;Feedback Control of Dynamic Systemsquot;，Hassan K.Khali編寫的quot;Nonlinear Systemsquot;，Boris Lurie編寫的quot;Classical Feedback Control: With MATLAB and Simulinkquot;，Katsuhiko Ogata編寫的quot;Matlab for Control Engineersquot;等提高課堂教學內(nèi)容質(zhì)量，逐步向英文授課過渡，提高學生的國際化視野，對國內(nèi)一些優(yōu)秀教材選取部分的經(jīng)典章節(jié)進行優(yōu)化組合，形成研究生的課堂講義，供研究生課內(nèi)課外學習。

2.2 采用問題向?qū)降恼n堂案例教學

結(jié)合本課程教學主要以建模仿真分析控制對象的特點，采用問題導向教學方式[4]，構(gòu)建經(jīng)典控制問題的問題庫，形成與多種媒體有機結(jié)合的“立體化”課堂教學體系。目前，根據(jù)課堂教學內(nèi)容設計的主要問題見表1。

表1

表1(續(xù))

問題向?qū)降慕虒W法強調(diào)研究生的學習主體地位，突出問題的目標導向性。問題向?qū)降陌咐虒W過程如圖1所示，課前將4～5人分為一個學習小組，讓學生在若干經(jīng)典控制案例和問題的驅(qū)動下，在課前通過自主探索和團隊協(xié)作，經(jīng)資料查詢、文獻閱讀、視頻觀看、數(shù)學推導、編程調(diào)試和制作幻燈片等過程，主動解決所設計問題完成學習任務。

圖1 問題向?qū)降陌咐虒W

2.3 學生為主體的翻轉(zhuǎn)式課堂教學

研究生階段需要重點培養(yǎng)口頭表達能力，因此為了調(diào)動研究生的課堂學習主動性，嘗試了學生為主體翻轉(zhuǎn)式課堂教學[5,6]。圖2給出了翻轉(zhuǎn)式課堂教學的過程，課堂上主要由研究生主講課前所解決的各個問題，并完成仿真的操作演示，主講教師不再使用大量的課堂時間來講授知識。研究生講完后由教師引導，以所解決的問題為核心，開展學生之間和師生之間的知識交流、答疑解惑和科研運用等，使課堂氛圍變?yōu)閷W術(shù)交流，從而使課堂教學效果更有成效和活力，這種翻轉(zhuǎn)式課堂教學過程有利于調(diào)動學生的學習積極性。

圖2 翻轉(zhuǎn)式課堂教學過程

2.4 結(jié)合問題精選仿真實踐題目 加強上機操作

在本課程中，將教學過程分為基礎教學階段和上機實踐階段。每次4個學時，其中前2.5個學時完成學生為主體的翻轉(zhuǎn)式課堂基礎教學，后1.5個學時讓學生每次結(jié)合本次課討論的問題專題，由教師出題完成上機實踐操作。在上機題目選題時，每個問題專題只精選1～2題，要求研究生在課內(nèi)就完成實踐題目，盡量少占用研究生的科研實踐時間。為后續(xù)研究生深入科研實踐打下基礎。

3 考核方式

本課程考核方式探索了平時課堂內(nèi)成績和課程設計論文成績相結(jié)合的方式，其中課堂教學演示和課堂交流表現(xiàn)占50%，考勤占10%，課程設計論文占40%。其中課程設計論文在完成控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的基礎教學階段和上機實踐階段后，要求學生結(jié)合自己的科研或?qū)嵙暪ぷ鞯冗x題，結(jié)合課堂上所講述的控制系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎知識，采用Matlab在課余時間完成可現(xiàn)場演示的一個典型控制系統(tǒng)數(shù)字仿真，并完成課程設計論文，這部分教學不再集中講授，評分時根據(jù)題目的難度和創(chuàng)新性綜合評價。

4 結(jié)語

實踐結(jié)果表明，將國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學素材、問題向?qū)桨咐虒W、翻轉(zhuǎn)式教學過程、精選仿真實踐題目和綜合考核體系應用在教學中，使研究生控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程的理論教學與實踐內(nèi)容進一步緊密結(jié)合，豐富了教學內(nèi)容和手段，可使研究生能理論聯(lián)系實際，充分了解一個具體問題從資料查閱、方案論證分析到完成的整個過程。對于培養(yǎng)研究生自學能力、實踐能力和表達能力具有較好的推動作用，為研究生日后的工作和科研實踐提供了良好的鍛煉機會和扎實的技能基礎，這與工科研究生的人才培養(yǎng)目標相一致，獲得了較好的課程評價。

[1]王正林,王勝開,陳國順.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].第4版.北京:電子工業(yè)出版社,2017.

[2]王紅梅,邊敦新,邢雪寧.“控制系統(tǒng)仿真”課程教學研究與探索[J].電氣電子教學學報,2015(4):48-50.

[3]馬靜,馬新慧.自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學與考試模式改革實踐[J].教育教學論壇,2016(44):126-127.

[4]吳愛萍.基于任務驅(qū)動的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學方法改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(11):57-59.

[5]王力.“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”教學研究[J].中國電力教育,2013(28):88-89.

[6]劉宏達,張國堃,張文義.基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的電氣控制綜合實驗課程設計[J].實驗技術(shù)與管理,2017(34):165-169.

Teaching Reform and Practice of Control System Digital Simulation

Zheng Yili, Zhao Yandong
School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing, 100083, China

Based on educational requirement and curriculum characteristics of engineering postgraduates, the teaching contents, teaching methods, practical methods and assessment methods of Control System Digital Simulation are reformed and practiced. High quality teaching material from domestic and abroad are introduced. The problem guiding teaching cases are used to promote students to solve the problem.The fl ipping teaching method is used to cultivate the comprehensive ability of students, the practice teaching content is optimized and the examination system is reformed. The results of practice show that the initiative of graduate students to study the curriculum is promoted, and students' practical ability and expressive ability are e ff ectively cultivated.

control system simulation; case teaching; fl ipping classroom

鄭一力，博士，副教授。

北京林業(yè)大學2015年研究生課程建設項目(編號：HXKC15020)。