基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的《系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐

孫凱 張芳芳 馬鳳英

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

摘? 要：針對(duì)目前研究生課程《系統(tǒng)仿真》教學(xué)過(guò)程中存在的理論知識(shí)偏多、教學(xué)模式單一、實(shí)踐性不足等問(wèn)題，采用基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。以研究生導(dǎo)師生產(chǎn)實(shí)踐、研究應(yīng)用為基礎(chǔ)搜集、整理素材，整合優(yōu)化資源，設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程案例。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，針對(duì)具體案例進(jìn)行項(xiàng)目分析、數(shù)據(jù)處理、建模仿真、互動(dòng)式討論最后形成項(xiàng)目報(bào)告。實(shí)踐結(jié)果表明教學(xué)改革取得了良好的效果，學(xué)生的科研能力得到了明顯的提升。

關(guān)鍵詞：控制科學(xué)與工程;系統(tǒng)仿真;項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）21-0101-03

Abstract： Based on the problems of the excess of theoretical knowledge， the simplicity of teaching mode and the lack of practicality in the teaching process of the current graduate course "System Simulation"， this study put forward the project-driven teaching method. The relevant project cases with close combination of theory and practice is designed based on the teaching materials from production practice and research application of tutors， teaching resources integrated and optimized. During the learning process， postgraduates conduct project analysis， data processing， modeling and simulation， and interactive discussions for specific cases to form a project report. The results of practice show effectiveness of the teaching reforms and the ability of students' scientific research has been significantly improved.

Keywords： control science and engineering; system simulation; project driven; teaching case library

一、概述

《系統(tǒng)仿真》是控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生的一門專業(yè)選修課。該課程通過(guò)理論授課與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生建立系統(tǒng)仿真的基本概念，掌握常用的仿真方法和建模技術(shù)，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析對(duì)象并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，為研究生從事本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的研究與工作奠定基礎(chǔ)[1]。由于該課程是一門多學(xué)科綜合交叉的課程，所涉及理論、工程知識(shí)較多，且對(duì)研究生的編程能力要求較高，如果只是按照課本講解理論知識(shí)，很難充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果不夠理想[2]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中預(yù)習(xí)布置與課程知識(shí)相關(guān)、工作量適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)，學(xué)生經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)課本知識(shí)、查閱資料、實(shí)際操作、形成總結(jié)，最后教師結(jié)合學(xué)生成果進(jìn)行理論知識(shí)教學(xué)、討論的一種互動(dòng)式教學(xué)方式[3]。

建設(shè)研究與應(yīng)用結(jié)合、高質(zhì)量的案例庫(kù)是碩士生人才培養(yǎng)模式改革的必然，具有非常重要的意義[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些高校的任課教師，將課程知識(shí)與社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系，并結(jié)合自己工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展有針對(duì)性的教學(xué)[5]。部分承擔(dān)工程碩士研究生課程教學(xué)的教師也逐步地認(rèn)識(shí)到實(shí)踐能力培養(yǎng)對(duì)工程碩士培養(yǎng)的重要性，已經(jīng)開(kāi)始有意識(shí)地采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式、案例討論式教學(xué)方法，并積極開(kāi)發(fā)教學(xué)案例，取得了不錯(cuò)的成果[6-8]。但是，目前的教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)仍存在以下問(wèn)題：

1. 案例設(shè)計(jì)不夠規(guī)范。案例庫(kù)中的每個(gè)案例都應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)完整的事件，包括教學(xué)目的與用途、相關(guān)課程知識(shí)、與課程相關(guān)的工程背景、相關(guān)附件（圖表、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、附錄等）、啟發(fā)思考問(wèn)題、分析思路、關(guān)鍵技術(shù)以及教學(xué)方法等，并且應(yīng)與培養(yǎng)計(jì)劃和教學(xué)大綱緊密結(jié)合。現(xiàn)有的案例庫(kù)建設(shè)主要依靠任課教師在教學(xué)及工程應(yīng)用中的興趣與愛(ài)好，案例的收集與設(shè)計(jì)也主要是個(gè)人行為，所建設(shè)案例不夠完善，無(wú)法涵蓋。

2. 案例庫(kù)中與工程應(yīng)用結(jié)合不夠緊密?，F(xiàn)有的案例庫(kù)中仿真型、示例型案例較多，與工業(yè)過(guò)程實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的案例缺乏，僅能夠滿足理論知識(shí)的教學(xué)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、解決問(wèn)題的能力提升不足。

3. 各章節(jié)的教學(xué)案例各自獨(dú)立，不夠系統(tǒng)。案例庫(kù)中的不同案例僅針對(duì)單獨(dú)章節(jié)的內(nèi)容，互相之間的銜接不夠，不能讓學(xué)生通過(guò)一個(gè)完整的案例理解各章節(jié)間的相互關(guān)系，從而系統(tǒng)地學(xué)習(xí)、掌握本課程的知識(shí)。

二、基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的案例建設(shè)

針對(duì)目前高校在研究生課程《系統(tǒng)仿真》案例庫(kù)建設(shè)中存在的問(wèn)題，課程組主要進(jìn)行了以下工作：

1. 建立案例庫(kù)編寫標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。按照專業(yè)學(xué)位類別培養(yǎng)方案設(shè)置的課程教學(xué)大綱進(jìn)行建設(shè)，嚴(yán)格按照所在專業(yè)的碩士生教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)相關(guān)要求，制定案例庫(kù)編寫標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。每個(gè)案例都應(yīng)包含教學(xué)目的與用途、課程理論知識(shí)、工程背景、相關(guān)附件、問(wèn)題提出、解決方案、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，具有較高的完整性。本課程教學(xué)大綱各章節(jié)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表1所示，理論講授與討論、論文、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)等綜合課時(shí)比為20：12，教學(xué)內(nèi)容安排兼顧理論知識(shí)教學(xué)與學(xué)生綜合能力鍛煉。

表1 《系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)大綱章節(jié)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配

2. 從實(shí)際出發(fā)，以研究生導(dǎo)師課題研究、生產(chǎn)實(shí)踐為背景，搜集、整理教學(xué)素材，案例設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，能夠體現(xiàn)課程理論教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于真實(shí)情境且符合教學(xué)要求的高質(zhì)量教學(xué)案例。案例具有代表性、典型性、實(shí)用性以及創(chuàng)新性。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的建設(shè)，目前已建設(shè)教學(xué)案例有：

（1）某鋼廠干熄焦工藝為背景的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)建模與仿真;

（2）某電廠脫硫工藝為背景的電機(jī)PID控制設(shè)計(jì);

（3）某空氣分離裝置氧氣濃度在線分析儀設(shè)計(jì)。

已建設(shè)案例內(nèi)容、相關(guān)理論章節(jié)、教學(xué)形式及課時(shí)分配如表2所示。由表2可知，這些案例能夠基本覆蓋本課程各章節(jié)理論內(nèi)容，教學(xué)形式包括師生討論、仿真實(shí)驗(yàn)、程序及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PPT及口頭報(bào)告、論文等。教學(xué)課時(shí)安排合理，內(nèi)容豐富，形式多樣，對(duì)學(xué)生課程知識(shí)的掌握、科研能力的培養(yǎng)具有良好的促進(jìn)作用。

3. 案例庫(kù)整合與優(yōu)化。從實(shí)際案例中提取與課程理論內(nèi)容相關(guān)工藝、數(shù)據(jù)、應(yīng)用對(duì)象。進(jìn)一步，圍繞教學(xué)內(nèi)容組合優(yōu)化案例，與案例相關(guān)的不同章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行仿真、程序測(cè)試，提升學(xué)生分析問(wèn)題、綜合利用知識(shí)、解決問(wèn)題的能力。

三、典型案例設(shè)計(jì)

以教師研究項(xiàng)目“某鋼廠干熄焦系統(tǒng)建模與控制優(yōu)化”為典型案例。干熄焦技術(shù)主要是利用惰性氣體吸收焦炭的熱量，將紅焦降溫冷卻的一種工藝方法。典型的干熄焦系統(tǒng)如圖1所示，吊車將紅焦炭從干熄爐頂部倒入;低溫的惰性氣體被鼓風(fēng)機(jī)吹入干熄爐冷卻段，吸收紅焦炭里面的顯熱，冷卻后的焦炭從干熄爐的底部排出;經(jīng)過(guò)熱交換后的高溫惰性氣體除塵，并在鍋爐與水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生蒸汽;再次冷卻后的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新吹入干熄爐進(jìn)行下一次熱交換;系統(tǒng)產(chǎn)出的蒸汽可用來(lái)發(fā)電、集中供暖等。該技術(shù)具有焦炭質(zhì)量高、有害物質(zhì)排放低、節(jié)能等特點(diǎn)。同時(shí)，干熄焦工藝對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求比較高，尤其是干熄焦鍋爐系統(tǒng)中蒸汽溫度的控制，對(duì)整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。

圖1 干熄焦生產(chǎn)工藝圖

本案例以干熄焦生產(chǎn)工藝出發(fā)，利用歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、整理素材，嚴(yán)格按照案例庫(kù)編寫標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，圍繞本課程理論知識(shí)，設(shè)計(jì)符合課程教學(xué)大綱的案例，教學(xué)中采用啟發(fā)式、討論式及項(xiàng)目探究式等各種教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生分析、研究，使用本課程的工具進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)分析、控制器設(shè)計(jì)及仿真，最后制作PPT，做口頭報(bào)告并撰寫論文完成項(xiàng)目?jī)?nèi)容。本案例所涉及與課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容有：

1. 基于MATLAB的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。針對(duì)工廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用聚類分析、特征選擇、最小二乘回歸、相關(guān)性分析等技術(shù)，分析影響生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵變量及線性、非線性關(guān)系等。經(jīng)過(guò)對(duì)10000筆歷史數(shù)據(jù)相關(guān)性分析可得，循環(huán)風(fēng)溫度（TCGB）與蒸汽產(chǎn)量（MST）存在高度的線性相關(guān)，如圖2所示。因此，如何提高蒸汽產(chǎn)量可以轉(zhuǎn)化為對(duì)循環(huán)風(fēng)溫度的控制。

2. 仿真圖形繪制及分析。MATLAB具有強(qiáng)大的圖形繪制功能，傳統(tǒng)的課程教學(xué)中，案例單一且應(yīng)用對(duì)象簡(jiǎn)單，對(duì)學(xué)生的根據(jù)圖形進(jìn)行分析能力鍛煉不夠。針對(duì)本案例提供的工藝背景及數(shù)據(jù)，學(xué)生可以繪制各種變量的直方圖、餅圖、3D分布圖等，并結(jié)合上部分內(nèi)容所講授的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)行項(xiàng)目的探究與討論。

3. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模及系統(tǒng)仿真。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在建模仿真、時(shí)間序列預(yù)測(cè)、系統(tǒng)辨識(shí)、優(yōu)化控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。特別在復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠提供精確的控制模型，是解決自動(dòng)控制中控制器適應(yīng)能力的關(guān)鍵。近年來(lái)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在工業(yè)控制中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。然而，目前教學(xué)中該部分內(nèi)容僅限于理論講授，對(duì)實(shí)際工業(yè)案例涉及較少，教學(xué)方法陳舊。本案例基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以循環(huán)風(fēng)溫度（TCGB）為目標(biāo)變量，以其余變量作為輸入變量，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模，建模結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模預(yù)測(cè)值與真實(shí)值非常接近，本案例所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)目標(biāo)變量的變化，該結(jié)果能為控制器設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、教學(xué)實(shí)踐結(jié)果

2016-2018年，利用本研究所設(shè)計(jì)的案例，對(duì)本?？刂瓶茖W(xué)與工程專業(yè)三屆碩士生進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)實(shí)踐。本課程為專業(yè)選修課，課程為32課時(shí)，分為16周授課。研究生在每學(xué)期以專題報(bào)告的形式進(jìn)行2次項(xiàng)目報(bào)告。首先以實(shí)際生產(chǎn)案例為研究對(duì)象，從案例庫(kù)中或?qū)熆蒲蓄}目中自選題目，結(jié)合本課程理論知識(shí)，進(jìn)行項(xiàng)目分析、資料查詢，提出問(wèn)題;其次利用MATLAB工具箱進(jìn)行數(shù)值分析、建模仿真、圖形繪制等;最后制作PPT并做專題報(bào)告，師生參與討論并給出針對(duì)性意見(jiàn)。另外，研究生還要根據(jù)討論結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)，完成一篇研究性論文作為本課程大作業(yè)并進(jìn)入考核體系。相應(yīng)的，期末考核體系也做了調(diào)整，加大了學(xué)生科研能力在教學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)中的比例，期末考試、平時(shí)作業(yè)及出勤、科研能力的形成性評(píng)價(jià)所占比例分別為50%、20%、30%。

任課教師在教學(xué)過(guò)程中，能夠通過(guò)項(xiàng)目報(bào)告及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以及在理論教學(xué)中的問(wèn)題，通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中獲得的反饋，教師可以隨時(shí)調(diào)節(jié)各章節(jié)教學(xué)的計(jì)劃，改善教學(xué)方法。學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，主觀能動(dòng)性更強(qiáng)，課堂氣氛更活躍，與教師的討論、互動(dòng)明顯增多，學(xué)生的期末考試也取得了滿意的成績(jī)。在案例項(xiàng)目的研究過(guò)程中，鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、仿真建模能力、程序設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)分析能力及寫作表達(dá)能力，研究生以本課程案例為被研究背景的進(jìn)一步深入研究，發(fā)表科研論文5篇。同時(shí)，教師在任課過(guò)程中也不斷的調(diào)整授課內(nèi)容，改進(jìn)案例，適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力及科研需要，課程內(nèi)容安排也更加合理。

五、結(jié)束語(yǔ)

本論文針對(duì)高等院?？刂瓶茖W(xué)與工程碩士研究生《系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)中存在的課堂教授內(nèi)容較多、學(xué)生積極性不夠、教學(xué)效果不理想等現(xiàn)狀，建設(shè)基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)案例庫(kù)。項(xiàng)目案例嚴(yán)格按照專業(yè)學(xué)位類別培養(yǎng)方案設(shè)置的課程大綱進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)容全面涵蓋課程理論知識(shí)、工程背景、相關(guān)附件、問(wèn)題提出、解決方案、關(guān)鍵技術(shù)等。案例具有代表性、典型性、實(shí)用性以及創(chuàng)新性，能夠鍛煉本專業(yè)碩士研究生工程思維，提高學(xué)生文獻(xiàn)檢索能力、仿真建模能力、程序設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)分析能力及寫作表達(dá)能力，為研究生進(jìn)一步科研奠定了基礎(chǔ)。

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*基金項(xiàng)目：2018年山東省專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫(kù)項(xiàng)目“‘故障診斷與預(yù)測(cè)’案例庫(kù)”（編號(hào)：SDYAL18088）;山東省省級(jí)教改項(xiàng)目“專業(yè)認(rèn)證背景下運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)改革與實(shí)踐”（編號(hào)：M2018X078）;齊魯工業(yè)大學(xué)教研項(xiàng)目“傳統(tǒng)文化與理工科專業(yè)教育的融合研究”（編號(hào)：041201034121）

作者簡(jiǎn)介：孫凱（1979-），男，漢族，山東魚臺(tái)人，博士，副教授，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程控制;張芳芳（1982-），女，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，研究方向：混沌控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);馬鳳英（1971-），女，漢族，山東德州人，博士，教授，研究方向：故障診斷、工業(yè)過(guò)程檢測(cè)。