《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

劉沅玲

【摘 要】控制系統(tǒng)仿真與CAD是利用MATLAB/Simulink軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，本課程是一門綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課?；诮虒W(xué)授課中存在的問題，在本課程的教學(xué)改革實(shí)踐環(huán)節(jié)中，將理論和實(shí)踐部分內(nèi)容充分結(jié)合，通過多種教學(xué)方式的引入以及實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)的開放制度的逐步完善，利用線上線下教學(xué)的相互結(jié)合，既能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際仿真分析能力，而且能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量;針對(duì)傳統(tǒng)考核方式進(jìn)行改革，將實(shí)際工程設(shè)計(jì)與分析引入考核環(huán)節(jié)，分組以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行期末考核，不但能做到學(xué)生對(duì)仿真理論加深理解，而且促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考和建立團(tuán)隊(duì)精神，從而提高學(xué)生的創(chuàng)造能力、解決問題能力以及獨(dú)立分析能力。

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng);MATLAB;教學(xué)改革;考核方式

中圖分類號(hào)： TP391.9-4;G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.064

Teaching Reform and Practice of Control System Simulation and CAD

LIU Yuan-ling

（Changchun guanghua university，Changchun Jilin 130031，China）

【Abstract】Control system simulation and CAD is the use of MATLAB/Simulink software to analyze and design the control system， this course is a comprehensive and practical electrical engineering and automation professional course. Based on the problems existing in teaching， in the practice of teaching reform in this course， the theoretical and practical parts of the full combination， through the introduction of a variety of teaching methods and the laboratory corresponding to the gradual improvement of the open system， the use of online and offline teaching of the mutual combination， can not only enhance the students' actual simulation and analysis ability， And can mobilize students' enthusiasm for learning， improve the quality of teaching， reform the traditional assessment methods， introduce the actual engineering design and analysis into the assessment process， group in the form of a team for final assessment， not only can students deepen their understanding of simulation theory， but also promote students to think independently and establish team spirit， This improves students creative， problem-solving and independent analytical abilities.

【Key words】Control System; MATLAB; Teaching Reform; Assessment Methods

0 引言

《控制系統(tǒng)仿真與CAD》是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，這是一門將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)緊密連接在一起的仿真類課程，該課程一般以《自動(dòng)控制理論》為先修課程，后續(xù)課程有《過程控制系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)控制》、《現(xiàn)代控制理論》、《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》等相關(guān)課程[1]?！犊刂葡到y(tǒng)建仿真與CAD》是一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，學(xué)生通過對(duì)仿真算法和仿真原理的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)先修課程和后續(xù)課程的理解，增強(qiáng)自身的實(shí)踐能力和綜合解決問題能力[1]。

1 課堂教學(xué)現(xiàn)存問題

本課程是利用MATLAB/Simulink軟件講解自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)等專業(yè)課程中的控制原理與方法的仿真實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)行的教學(xué)中主要存在如下四個(gè)方面的問題。

1.1 教學(xué)模式對(duì)教學(xué)效果的影響

基于仿真過程中的大量共性問題，仿真技術(shù)逐漸形成了獨(dú)立的理論，涉及自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、過程控制和仿真軟件等知識(shí)，課程的綜合性很強(qiáng)[2]。

《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程中采用的是MATLAB軟件，該軟件具有對(duì)控制系統(tǒng)建模、仿真以及結(jié)果分析能力，該軟件綜合能力強(qiáng)因此教學(xué)過程中的關(guān)鍵在于練習(xí)，本課程實(shí)踐性強(qiáng)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要組成部分，通過練習(xí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)仿真過程的理解和掌握。但是介于教學(xué)資源有限等多方面的限制，教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)量較少，學(xué)生無法做到邊學(xué)邊練的，對(duì)于仿真過程無法熟練掌握，課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離，導(dǎo)致一些學(xué)生在大四做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中還不能熟練對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真分析[3]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容對(duì)教學(xué)效果的影響

在《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程中所教授的相關(guān)算法、模型建立以及仿真原理等相關(guān)知識(shí)在過往的課程學(xué)習(xí)過程中均已講授過，且部分高校還單獨(dú)開設(shè)MATLAB課程，知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)讓學(xué)生有“重溫”的感覺，甚至產(chǎn)生重復(fù)學(xué)習(xí)的感覺，會(huì)令部分學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)的情緒;部分內(nèi)容卻又讓學(xué)生有了找不到根基，很飄的感覺。

2 教學(xué)改革措施

2.1 學(xué)情分析

與《控制系統(tǒng)仿真與CAD》密切相關(guān)的課程中，專業(yè)課以基礎(chǔ)課為基礎(chǔ)，所以《控制系統(tǒng)仿真與CAD》在整個(gè)課程體系中起到了承上啟下的作用。這樣電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)與《控制系統(tǒng)仿真與CAD》密切相關(guān)的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課環(huán)環(huán)相扣、相輔相成，共同構(gòu)成了完整的教學(xué)體系。

2.2 教學(xué)模式的改革

針對(duì)教學(xué)中存在的問題對(duì)控制系統(tǒng)仿真與CAD課程進(jìn)行教學(xué)改革，增加課堂氣氛，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.2.1 教學(xué)模式多樣性

在《控制系統(tǒng)仿真與CAD》教學(xué)內(nèi)容中包含理論和軟件實(shí)踐兩部分，為了使理論和實(shí)踐部分同時(shí)進(jìn)行，因此授課地點(diǎn)安排在機(jī)房，教師通過計(jì)算機(jī)現(xiàn)場演練，學(xué)生隨老師邊講解邊練習(xí)，同時(shí)教師能夠隨時(shí)指導(dǎo)學(xué)生在練習(xí)中遇到的困難，課堂內(nèi)容生動(dòng)且課堂氣氛活躍，促進(jìn)學(xué)生將理論聯(lián)系實(shí)際，加深學(xué)生對(duì)于理論和操作的理解和掌握。

2.2.2 加重實(shí)踐教學(xué)

在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)的情況，階段性的布置一些具有實(shí)際工程背景的建模、求解、分析與綜合等不同類型的題目，同時(shí)根據(jù)學(xué)生的掌握情況進(jìn)行分組，一般2～3人一組，同組同題，可以減少抄襲和相互依賴的情況，逐步提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題和查閱資料的能力[4]。

2.3 教學(xué)方法的改革

2.3.1 課堂教學(xué)改革

在教學(xué)過程中，增加實(shí)際控制系統(tǒng)仿真案例，可偏重實(shí)際的工程案例。在課堂上通過講授理論知識(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行邊講邊練，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;考慮MATLAB/Simulink軟件的普及程度較高，課前將實(shí)際案例分塊，提前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生分組完成，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)精神，利用線上討論提高學(xué)生自學(xué)能力和參與度，線上線下結(jié)合的方式多方面多角度的增加學(xué)生對(duì)控制仿真的認(rèn)識(shí)。

2.3.2 優(yōu)化考核與評(píng)價(jià)方式改革

為了讓學(xué)生更好地理解控制原理和算法、掌握MATLAB/Simulink軟件的語法和操作，考核方式采用“課程平時(shí)+面試”的方式。將部分實(shí)際工程問題融入到課堂里練習(xí)的過程中，由小組成員共同抽簽決定小組負(fù)責(zé)的工程項(xiàng)目，重點(diǎn)考察學(xué)生利用MATLAB/Simulink對(duì)控制系統(tǒng)的多種表達(dá)、各種表達(dá)之間的快速轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)各指標(biāo)分析或設(shè)定性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。最終根據(jù)每組所選綜合題目的難易程度、題目的完成情況、答辯情況和平時(shí)的出勤、線上線下作業(yè)情況，得出總成績。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本覆蓋了授課內(nèi)容。在安排上也圍繞課程主線進(jìn)行，使理論課和實(shí)驗(yàn)課成為有機(jī)的整體，其目的要求如表1所示。

為了增加課外學(xué)生上機(jī)練習(xí)的機(jī)會(huì)，適當(dāng)有組織的開放實(shí)驗(yàn)室，利用已有的教學(xué)資源，設(shè)立實(shí)驗(yàn)室開放系統(tǒng)，學(xué)生在網(wǎng)站上進(jìn)行預(yù)約，實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)名打卡，采用誰使用誰管理的方式，避免由于管理不當(dāng)存在的衛(wèi)生或者安全問題，同時(shí)增加了學(xué)生上機(jī)練習(xí)的機(jī)會(huì)。

一般實(shí)驗(yàn)結(jié)果以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式形成，學(xué)生要整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師要認(rèn)真批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，給出成績并簽名。實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核主要看實(shí)驗(yàn)的操作和基于操作形成的報(bào)告，考核成績可占期末總成績的20%，以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視。在考核過程中，可以設(shè)計(jì)幾個(gè)具有代表性的典型實(shí)驗(yàn)，能夠覆蓋課程涉及到的基本理論知識(shí)，學(xué)生綜合利用所學(xué)習(xí)知識(shí)的能力得到鍛煉。

3 結(jié)語

本文針對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程教學(xué)中存在的問題，提出一系列改革措施。實(shí)踐表明：以上改革措施能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，其中增加的實(shí)際工程案例學(xué)生興趣濃厚，開放實(shí)驗(yàn)室也受到了學(xué)生的歡迎，課堂氛圍更加活躍，師生互動(dòng)更加頻繁;新的考核機(jī)制也有效抑制了學(xué)生考前突擊復(fù)習(xí)的問題，獲得了較好的教學(xué)效果。需要指出的是，在上述改革措施當(dāng)中還存在不完善之處，例如答辯PPT以小組為單位提交并答辯，同組同分?jǐn)?shù)，雖然鍛煉了學(xué)生合作交流的能力，但是無法對(duì)每個(gè)人進(jìn)行科學(xué)的考評(píng)是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾波霞.高職《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].電子制作，2014，9：134-135.

[2]褚菲，葉賓.對(duì)高?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程教學(xué)改革的思考[J].才智，2017.3：136-136.

[3]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—MATLAB語言與應(yīng)用.第2版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]金小崢，王忠石.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程存在的教學(xué)問題與改革措施[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013，15（1）：78-80.