建筑類高?！翱刂葡到y(tǒng)仿真與CAD”課程教學(xué)改革探討

賈巍　姬敬　楊清艷

摘要：近年來隨著MATLAB等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的快速發(fā)展，將仿真軟件應(yīng)用與基礎(chǔ)理論知識(shí)結(jié)合已成為大學(xué)工科專業(yè)課程改革的趨勢(shì)。該文針對(duì)“控制系統(tǒng)仿真與CAD” 課程教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合建筑類應(yīng)用型本科院校的實(shí)際情況，對(duì)課程教學(xué)的改革進(jìn)行了探索性研究，并應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中，達(dá)到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；MATLAB；仿真；CAD；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）18-0146-02

Discussion on Teaching Reform of “Control System Simulation and CAD” Course in Architectural Undergraduate Colleges

JIA Wei， JI Jin， YANG Qing-yan

（College of Mechanical and Electrical engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of MATLAB and other computer aided design software， the combination of simulation software application and basic theoretical knowledge had become the trend of university engineering curriculum reform. This paper aimed at the problems existing in the course of “control system simulation and CAD”， combined with the actual situation of applied undergraduate colleges of architecture， made an exploratory study on the reform of curriculum teaching， also applied in practical teaching and achieved good results.

Key words： control system； MATLAB；simulation； computer aided design； educational reform

1 引言

“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程是工科自動(dòng)化本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其以“自動(dòng)控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”等課程為理論基礎(chǔ)，以MATLAB編程軟件為仿真平臺(tái)，對(duì)控制系統(tǒng)的建模、時(shí)-頻域分析、校正與設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。由于是將自動(dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)與仿真軟件相結(jié)合，因此課程具有很強(qiáng)的工科應(yīng)用背景，如何搭建理論與實(shí)際應(yīng)用之間的橋梁，加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)提高分析問題和解決問題的實(shí)際動(dòng)手能力是教師在教學(xué)過程中需要面對(duì)的一道難題。基于此，本文從課程教學(xué)過程中存在的問題入手，結(jié)合建筑類應(yīng)用型本科院校的特點(diǎn)，對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行了深入研究，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)辦法用于日常教學(xué)中，取得了不錯(cuò)的效果。

2 教學(xué)中存在的問題

“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程在安徽建筑大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)講授經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展過程，目前形成了比較完善的教學(xué)體系。自動(dòng)化教研室結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方案，對(duì)課程教學(xué)大綱進(jìn)行反復(fù)論證，明確了課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)安排、教學(xué)方式和考核方式等課程教學(xué)相關(guān)內(nèi)容。本課程的任課老師根據(jù)課程特點(diǎn)，采用將控制系統(tǒng)理論知識(shí)和實(shí)際仿真應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)模式，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生借助仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力，收到了較好的教學(xué)效果。但經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過程中仍然存在一些問題亟待解決。

2.1 課程定位

“控制系統(tǒng)仿真與CAD”目前在大多數(shù)工科院校都定位為自動(dòng)化本科專業(yè)的一門專業(yè)選修課【1】。相對(duì)于必修課而言，學(xué)生對(duì)選修課存在認(rèn)知誤區(qū)，從心理上覺得選修課并不重要，而且本課程被安排在大四上學(xué)期進(jìn)行，正值學(xué)生考研復(fù)習(xí)或者就業(yè)找工作的關(guān)鍵時(shí)間，因此學(xué)生大多抱有混個(gè)及格、拿到學(xué)分即可的態(tài)度，很難投入大量熱情到學(xué)習(xí)中去，這就給提高教學(xué)質(zhì)量帶來了難題。

2.2 與其他課程的銜接

“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程內(nèi)容十分廣泛，不僅僅包含“自動(dòng)控制原理”“現(xiàn)代控制理論”等專業(yè)理論課的相關(guān)內(nèi)容，還與“復(fù)變函數(shù)”“大學(xué)物理”“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“信號(hào)與系統(tǒng)”“電機(jī)與拖動(dòng)”等專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容有關(guān)【2】，同時(shí)還需要具備MATLAB語言的編程技巧，因此對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備要求很高。在本校此課程的開設(shè)時(shí)間是大四上學(xué)期，而前期的相關(guān)基礎(chǔ)課大多在大二下學(xué)期或大三上學(xué)期開設(shè)，也就是說與其他課程的銜接時(shí)間過長(zhǎng)，課程講授難度大。

2.3 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)

“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程目標(biāo)是使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)仿真與輔助設(shè)計(jì)的基本技能，如何提高學(xué)生實(shí)際仿真與設(shè)計(jì)的能力成為教學(xué)關(guān)鍵。但受限于教學(xué)條件，大部分理論教學(xué)都是在課堂進(jìn)行，以教師講授為主，學(xué)生以聽為輔，難以提高實(shí)際動(dòng)手操作能力。同時(shí)僅有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，由于學(xué)時(shí)有限，且受實(shí)驗(yàn)條件限制，只能完成3到4個(gè)相關(guān)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)所積累的知識(shí)內(nèi)容，難以通過實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行練習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效果。因此，如何充分?jǐn)U展課堂教學(xué)內(nèi)容，合理地將課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行融合成為需要解決的問題。

2.4 與學(xué)校特色的結(jié)合

安徽建筑大學(xué)是一所以土建類學(xué)科專業(yè)為特色的多學(xué)科型大學(xué)，同時(shí)也是國(guó)家“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”高校，在節(jié)能環(huán)保、城鎮(zhèn)化與徽派建筑、地下工程、公共安全、先進(jìn)建筑材料等重點(diǎn)學(xué)科具有較強(qiáng)的教學(xué)和科研優(yōu)勢(shì)【3】。而目前的教育體系中，建筑類與自動(dòng)化類課程的教學(xué)內(nèi)容基本是分開的，沒有充分利用兩者之間的學(xué)術(shù)聯(lián)系，充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

因此，如果能將“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程的教學(xué)內(nèi)容與學(xué)校的傳統(tǒng)學(xué)科、研究方向相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)校在建筑設(shè)備自動(dòng)化、建筑電氣控制技術(shù)、建筑電氣工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域積攢的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這幾個(gè)建筑領(lǐng)域研究方向中的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析與設(shè)計(jì)，將極大地提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，有助于提升考研與就業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

3 課程教學(xué)改革探討

3.1 針對(duì)課程定位問題

本文作者在自動(dòng)化專業(yè)中擔(dān)任“專業(yè)導(dǎo)師”職務(wù)，其職責(zé)是根據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身情況，對(duì)選課、選專業(yè)方向以及專業(yè)輔修等進(jìn)行具體指導(dǎo)，制定適合個(gè)性發(fā)展的學(xué)習(xí)計(jì)劃。因此借由“專業(yè)導(dǎo)師”和“任課教師”的雙重身份，在承擔(dān)“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程的教學(xué)過程中，從多個(gè)角度向?qū)W生闡明本課程的特點(diǎn)以及重要性：（1）本課程與多門自動(dòng)化專業(yè)課程內(nèi)容相互交叉，既要求有較深的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，因此如能將此課程學(xué)好可以體現(xiàn)作為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)；（2）同時(shí)積極邀請(qǐng)往屆的優(yōu)秀畢業(yè)生返校跟在校學(xué)生進(jìn)行交流，內(nèi)容包括對(duì)于大學(xué)四年學(xué)習(xí)的感悟、研究生學(xué)習(xí)階段的特點(diǎn)以及工作中的深刻體會(huì)，這樣可以學(xué)長(zhǎng)的親身經(jīng)歷使在校生明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)和方向，學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在未來學(xué)習(xí)和工作中必備的能力，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造力。

經(jīng)過一段時(shí)間的摸索和調(diào)查，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情普遍有所提高。以“水箱液位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”為例，在實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生會(huì)主動(dòng)提出采用不同的調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)液位進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)控制效果進(jìn)行分析。如僅采用比例調(diào)節(jié)會(huì)增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而采用比例積分調(diào)節(jié)可以消除誤差，但如何對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定將影響響應(yīng)速度。在這樣的分析過程中不但提高了學(xué)習(xí)熱情還加深了對(duì)知識(shí)的理解。

3.2 針對(duì)多課程內(nèi)容交叉以及理論和實(shí)際相結(jié)合的問題

“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程內(nèi)容與多門課程相互交叉，而總的課程學(xué)時(shí)只有32個(gè)，因此需要合理地對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行安排：（1）最初4個(gè)學(xué)時(shí)課程安排主要是對(duì)“自動(dòng)控制原理”“現(xiàn)代控制理論”“電機(jī)學(xué)”和“MATLAB編程基礎(chǔ)”等課程的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)回顧，考慮到這些課程的內(nèi)容較多，如果全面覆蓋一是時(shí)間不夠，二是學(xué)生對(duì)大量知識(shí)的消化和吸收比較困難，因此采用基本理論知識(shí)和典型習(xí)題相結(jié)合的方式進(jìn)行講授，通過講解綜合性的例題帶動(dòng)學(xué)生理解比較抽象的概念和理論知識(shí)，以提高教學(xué)效果；（2）接下來的20個(gè)學(xué)時(shí)主要對(duì)“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程本身的內(nèi)容進(jìn)行講解，這里通過講解具體案例來幫助學(xué)生理解數(shù)字仿真的方法和過程，如講解“一階直線倒立擺的建?！睍r(shí)，首先通過牛頓力學(xué)定律建立各個(gè)環(huán)節(jié)的微分方程，然后消除中間變量并經(jīng)過簡(jiǎn)化得到整個(gè)系統(tǒng)的微分方程，最終還可得到傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程等數(shù)學(xué)模型，在這個(gè)過程中讓學(xué)生體會(huì)建模的整個(gè)流程，并和之前學(xué)過的控制理論的相關(guān)內(nèi)容相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)習(xí)效果；（3）最后8個(gè)學(xué)時(shí)的課程主要安排學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，這里對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排力求全面覆蓋課堂所學(xué)內(nèi)容，因此選擇了“直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”“一階倒立擺控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”“PWM整流器系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”以及“建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)2個(gè)學(xué)時(shí)，2個(gè)學(xué)生1組進(jìn)行，已驗(yàn)證課堂的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)還可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和自信心。

這樣的教學(xué)安排分別在13級(jí)、14級(jí)兩屆學(xué)生的課堂上進(jìn)行了探索性的試驗(yàn)，結(jié)果表明學(xué)生的學(xué)習(xí)的主動(dòng)性有了很大提高，同時(shí)創(chuàng)新能力也有了大幅提升，有十多位學(xué)生組成了若干個(gè)興趣小組申請(qǐng)了國(guó)家級(jí)或者省級(jí)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，把課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容延伸到實(shí)踐中，不但培養(yǎng)了學(xué)習(xí)能力，也提高了自身的水平。

3.3 針對(duì)與學(xué)校特色學(xué)科相結(jié)合的問題

安徽建筑大學(xué)是安徽省內(nèi)唯一一所以土建類學(xué)科為特色的綜合性大學(xué)，其土建類相關(guān)專業(yè)的考研率和就業(yè)率一直很高，學(xué)科優(yōu)勢(shì)明顯。因此在“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程教學(xué)中，結(jié)合建筑類電氣自動(dòng)化方向的應(yīng)用背景，相應(yīng)地安排一些學(xué)時(shí)，以提高自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在土建類方向的應(yīng)用能力，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的考研和就業(yè)優(yōu)勢(shì)十分必要。

因此在課程內(nèi)容安排上，把控制系統(tǒng)仿真與空調(diào)系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)等建筑自動(dòng)化設(shè)備和供配電、照明、防雷接地等建筑電氣工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容結(jié)合起來，考慮到學(xué)生前期已學(xué)過相應(yīng)的理論知識(shí)，因此在課程講解時(shí)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際的能力；與此同時(shí)，利用學(xué)校以及校企合作的資源，安排若干次的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)，讓學(xué)生走進(jìn)相關(guān)的建筑電氣類公司或培訓(xùn)基地，直接接觸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的同時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，如在學(xué)校樓宇控制與節(jié)能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)示范中心進(jìn)行智能照明系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)研究，將課堂所學(xué)的理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用，更好地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)論

相關(guān)教學(xué)改革的措施在“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程教學(xué)中得到了應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的實(shí)際效果。學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和精神面貌煥然一新，提高了教學(xué)質(zhì)量。通過將控制系統(tǒng)仿真知識(shí)與建筑類學(xué)科的內(nèi)容相結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生的核心競(jìng)爭(zhēng)力，每年建筑電氣方向的考研率和就業(yè)率有了大幅提高。很多同學(xué)不單單在課堂上學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)仿真的相關(guān)知識(shí)，還把對(duì)控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)等仿真研究運(yùn)用到參加的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等實(shí)際項(xiàng)目中，學(xué)而有所用，在提升學(xué)生工程技術(shù)能力的同時(shí)還培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)能力。

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