“控制系統(tǒng)建模與仿真”課程思政探索與實踐

秦晴　李珊珊　車艷秋

[摘 要] “控制系統(tǒng)建模與仿真”是自動化專業(yè)的綜合性課程，是對大學期間所學的控制系統(tǒng)理論知識的仿真與實踐。傳統(tǒng)的教學方法多數(shù)側(cè)重用于仿真工具的使用，學生對于代碼算法往往知其然而不知其所以然。為此，從授課內(nèi)容、授課形式和教學評價三個方面對本課程進行思想政治教學改革。通過在思想政治方向的改革與實踐，提升學生專業(yè)知識、文化素養(yǎng)、職業(yè)道德、創(chuàng)新能力;激發(fā)學生對算法設(shè)計的興趣，發(fā)現(xiàn)代碼之美和算法之美;強化學生工科思維素養(yǎng)，努力將其培育成德才兼?zhèn)洹⑷姘l(fā)展的技能型人才。

[關(guān)鍵詞] 控制系統(tǒng)建模與仿真;思想政治教育;教學改革

[基金項目] 2019年度國家自然科學基金委員會，國家自然科學基金青年科學基金項目“基于概率統(tǒng)計模型的針刺神經(jīng)編碼機制研究”（61801328）

[作者簡介] 秦 晴（1987—），女，河南鄭州人，博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學自動化與電氣工程學院講師，主要從事神經(jīng)控制工程研究;李珊珊（1987—），女，山東德州人，博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學自動化與電氣工程學院講師，主要從事神經(jīng)控制工程研究;車艷秋（1981—），男，吉林榆樹人，博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學自動化與電氣工程學院教授，主要從事腦機融合與智能控制研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）08-0098-04 [收稿日期] 2021-06-23

“控制系統(tǒng)建模與仿真”是自動化專業(yè)高年級的綜合性的專業(yè)選修課，以MATLAB為仿真工具，系統(tǒng)闡述控制系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)，使學生掌握控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的基本技能與方法，具備仿真軟件編程的基本能力[1]。本課程是針對控制理論相關(guān)的理論教學課程進行的綜合性仿真與實踐。通過學習本課程，能夠系統(tǒng)地提高學生對控制系統(tǒng)與自動化設(shè)備進行控制性能分析的綜合能力，培養(yǎng)學生初步的科學研究能力與仿真開發(fā)設(shè)計能力。

計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design）技術(shù)，簡稱CAD，是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門應用型技術(shù)，已在工程設(shè)計的各個領(lǐng)域得到廣泛的應用。在控制領(lǐng)域，由于科學技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對控制系統(tǒng)的性能要求愈來愈高，控制算法愈來愈繁雜，控制器的設(shè)計也變得倍加困難，單純靠手工或簡單的計算工具已很難達到預期效果。因此控制系統(tǒng)CAD應運而生，且迅速發(fā)展，成為控制系統(tǒng)分析、設(shè)計與仿真不可缺少的工具[2]。其中，MATLAB語言由于其強大的矩陣運算能力和良好的圖形可視化功能，成為控制領(lǐng)域最常用的計算機輔助工具[3]。它可以使控制系統(tǒng)研究者從繁雜的計算中解脫出來，把精力集中到解決專業(yè)問題上，從而大大提高工作效率和設(shè)計質(zhì)量。然而在傳統(tǒng)教學過程中，無論是教師還是學生，往往都偏重于MATLAB工具的使用，出現(xiàn)了舍本逐末的現(xiàn)象。這樣就導致課程結(jié)束時，多數(shù)學生對于控制系統(tǒng)的理論分析、控制器的設(shè)計以及代碼算法的編排，知其然而不知其所以然，不能做到舉一反三、由簡到繁的自主編程學習。

課程思政是以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，緊緊圍繞立德樹人根本任務(wù)，突出思想引領(lǐng)、品行養(yǎng)成、知識傳授、能力培養(yǎng)、思維創(chuàng)新五位一體的培養(yǎng)理念，對學校傳統(tǒng)課程進行的教學改革[4-6]。課程思政的內(nèi)涵是將思想政治教育元素，如社會主義核心價值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、職業(yè)理想與職業(yè)道德教育、憲法法治教育等有機地融入非思想政治類的專業(yè)課程，實現(xiàn)專業(yè)知識教育體系與思想政治教育體系的有機統(tǒng)一。

一、授課內(nèi)容思想政治教學改革

在傳統(tǒng)教學過程中，授課計劃和授課內(nèi)容往往是一成不變的;因此，經(jīng)過多學期的多輪次授課之后，教師對授課內(nèi)容了然于心，不僅失去了初次授課的激情，還會因為反復講授而簡化重點和難點，忽略基礎(chǔ)點，大大降低授課效果。另外，傳統(tǒng)授課內(nèi)容僅包含專業(yè)知識點，枯燥且乏味。因此，我們需要對傳統(tǒng)的授課內(nèi)容進行思想政治改革，將專業(yè)知識點與思想政治教育元素相結(jié)合，為專業(yè)知識點賦予“意義”，從而實現(xiàn)提高教師授課熱情和學生聽課興趣的同時，做好學生思想引領(lǐng)和價值觀塑造的工作。本課程授課內(nèi)容的思想政治教學改革可以從以下幾個方面開展。

（一）將知識點與技術(shù)熱點相結(jié)合

由于科學技術(shù)的迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)愈來愈復雜，人們對控制系統(tǒng)的性能要求也愈來愈高。而傳統(tǒng)的授課內(nèi)容僅基于經(jīng)典的數(shù)學模型對經(jīng)典的控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計與仿真。在原有知識點的基礎(chǔ)上適當?shù)丶尤胄碌目刂扑惴?、新的控制器設(shè)計，不僅可以提高教師的授課熱情和授課動力，還能擴大學生的知識視野，鍛煉學生的發(fā)散思維。

（二）將知識點與優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化相結(jié)合

作為新時代的青年教師，我們不僅要傳道授業(yè)，更要立德樹人。開展本課程時學生已進入大三下學期，雖然多數(shù)具有一定的是非判斷和分析能力，但思想政治狀況與大一時期相比總體有所下降。少數(shù)學生價值觀受現(xiàn)實沖擊較大，部分學生存在急功近利、得過且過的思想，學生對主渠道的思想政治理論課的作用感受不深。為此，有必要在傳授專業(yè)知識的同時，將知識點與優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化故事相結(jié)合，對學生進行思想引領(lǐng)和價值觀的塑造，使學生養(yǎng)成良好的品行，在提高學生專業(yè)知識素養(yǎng)的同時，也提高學生的文化素養(yǎng)。

（三）將知識點與求真務(wù)實的科學精神相結(jié)合

“代碼粘貼復制—代碼運行—系統(tǒng)性能分析”是多數(shù)學生學習本課程方法。對于控制器和控制算法的設(shè)計，學生常常是模糊不清的。多數(shù)學生奉行“拿來主義”，對控制器設(shè)計的理論分析和算法編排存在嚴重的畏難情緒，因此培養(yǎng)學生求真務(wù)實的精神是至關(guān)重要的。具體來說，對教師而言，我們需要根據(jù)每堂課的教學目標以及學生實時的聽課狀態(tài)，靈活地把握講課節(jié)奏，務(wù)必保證學生弄懂每個理論推導過程和每行算法編排設(shè)計。對學生而言，贊揚學生不懂就問的行為，倡導學生拋棄“粘貼復制”的惡習，鼓勵學生自己動手編排實現(xiàn)課本中經(jīng)典系統(tǒng)的經(jīng)典控制器的算法，從而實現(xiàn)對知識的牢固掌握。

（四）將知識點與馬克思主義哲學相結(jié)合

教學過程中，除了對知識點的講解，提高學生分析和解決問題的能力也是至關(guān)重要的。在授課過程中，培養(yǎng)學生采用辯證法、發(fā)展觀、矛盾論等哲學方法分析問題，不僅能夠加強學生對知識點的理解，還能提高學生解決問題的能力。辯證法是指兩面性地看待問題，通過合理的討論獲得真正的知識。它轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學法中老師的絕對權(quán)威地位，使學生在反思中深刻地思考問題。發(fā)展觀是指堅持事物存在一個發(fā)展變化的過程。在傳授知識點時，發(fā)展觀的融入可以鍛煉學生與時俱進的創(chuàng)新精神。矛盾論指出矛盾無所不在，所有的事物都存在矛盾，事物發(fā)展的每時每刻都存在著矛盾。在教學過程中，矛盾論的融入能夠培養(yǎng)學生用對立統(tǒng)一的規(guī)律分析問題。

（五）將知識點與職業(yè)理想和職業(yè)道德教育相結(jié)合

職教教師和技能型人才是我校多數(shù)學生的最終職業(yè)道路。在傳授知識的同時，融入職業(yè)理想和職業(yè)道德教育，讓學生了解本行業(yè)的發(fā)展動態(tài)和發(fā)展需求，從而增強學生的職業(yè)責任感。而行業(yè)發(fā)展動態(tài)和發(fā)展需求的了解以及職業(yè)責任感的提升反過來又會讓學生明白知識和技能的重要性，從而點燃學生的學習熱情和學習動力。

二、授課形式思想政治教學改革

理論教學和實驗教學是授課的兩種形式。在傳統(tǒng)課堂上，理論教學和實驗教學采取的是填鴨式的講授方法。填鴨式教學是一種灌溉式的教學方法，教師占絕對的主導地位，學生處于被動接受地位。由于學生缺乏自主學習的意愿，填鴨式教學往往會引起學生的逆反心理，從而導致授課效果不佳。因此，我們需要對傳統(tǒng)的授課形式進行思想政治改革，提高教學活動中學生的主體地位和自主學習意愿。本課程授課形式的思想政治教學改革可以從以下幾個方面開展。

（一）推廣BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模式最早出現(xiàn)于加拿大的教師技能培訓中，其目的是為了提高教師的教學效果和教學技能[7]。BOPPPS教學模式與傳統(tǒng)的“老師講，學生聽”的授課方法不同，它倡導學生全方位地加入課堂活動中，提升學生的主體地位。其基本步驟是：（1）根據(jù)授課計劃導入相關(guān)的有趣的例子或小故事，提高學生的聽課興趣。（2）按照講課內(nèi)容提前指明學習目標，讓學生帶著目標去聽課。（3）開展前測，了解學生先驗知識的儲備，便于調(diào)整授課節(jié)奏。（4）以學生為主體，鼓勵學生自主探討，互動式學習。（5）開展后測，讓學生及時了解學習效果，并進一步進行總結(jié)反思，加強對知識的掌握，提高學習效果。

（二）理論教學與模擬仿真同步進行

我們借用學校實訓中心的大型實驗室，保證每個學生都有一臺計算機設(shè)備。在教學過程中，老師在理論分析后及時地用MATLAB軟件工具仿真驗證，并用多媒體設(shè)備同步展示。同時，學生可以跟隨老師自主地進行仿真分析，從而提高自己的參與度和學習專注度。另外，通過MATLAB和Simulink等計算機輔助設(shè)計技術(shù)，可以使學生更好地理解復雜的理論推導，提高學生的學習興趣和學習意愿。

（三）制定開放式課題

在課程開展的后半階段，根據(jù)所學內(nèi)容和教學目標制定開放式課題，讓學生以小組形式參與完成。由于課題的開放性，學生小組可以自主地選擇控制器的種類、控制算法以及算法的編排實現(xiàn)。在完成課題的過程中，必然會加強學生與學生之間、學生和老師之間的溝通交流，提高學生的團隊精神和合作意識，提高學生分析問題和解決問題的能力。

（四）善于利用教材中的錯誤

對于課本中的錯誤，老師往往會在講課前指出并予以糾正。這樣做雖然沒什么問題，但是白白地錯過了一次對學生進行思想政治教育的機會。老師對于教材中的錯誤不要急于糾正，應鼓勵學生以質(zhì)疑的眼光看待問題，讓學生明白“盡信書不如無書”的道理。通過自主地發(fā)現(xiàn)錯誤和改正錯誤，可以提高學生學習的成就感，加強學生對知識點的理解和記憶。

（五）組織和指導學生參加技能大賽

為了將學到的知識運用起來，老師應積極地組織和指導學生參加自動化專業(yè)的技能大賽，鼓勵學生抓住實戰(zhàn)的機會。通過比賽練習，引導學生將理論學習與實踐相結(jié)合，加強學生學以致用和解決問題的能力。另外，技能大賽的實戰(zhàn)經(jīng)歷讓學生能夠更容易地發(fā)現(xiàn)自己的知識盲點和弱點。結(jié)合自身的盲點和弱點，有目的性的聽課不但可以提升學習意愿，還可以大大加強學習效果。

三、教學評價思想政治教學改革

教學評價包括對學生學習效果的評價（即考試）和對教師教學工作的評價（即教學評估）。在傳統(tǒng)教學過程中，考試方式只有開卷和閉卷兩種，形式單一且考查的知識點有限，不能全面深入地了解學生的學習效果。而教學評估是師生在結(jié)課后進行的，所以存在敷衍了事的情況，從而使其失去參考的價值。對于評估結(jié)果，多數(shù)老師往往置之不理，沒有做到及時總結(jié)和反思。

（一）設(shè)置非標準答案的題目

在教學過程中，采取線下教學和線上錄播的形式，及時地為學生提供豐富的課程材料和教學視頻，便于學生課下的自主學習。在此環(huán)境下，在每章作業(yè)中設(shè)置一道非標準答案的題目，考查學生靈活掌握知識的能力。對于給出不同思路的答案，給予加分鼓勵，記入平時成績。另外，在試卷式考試方式中，老師也可以在最后設(shè)置一道非標準答案的小題，從而有利于拉開考試成績。

（二）引入非試卷式的考試方法

傳統(tǒng)的開卷考試和閉卷考試僅僅是對部分知識點的考查，無法全面地了解學生對知識點廣度和深度的掌握。為此，我們可以引入非試卷式的考核方法。比如，給定一個控制系統(tǒng)，提出期望達到的性能指標，讓學生獨立自主地設(shè)計控制器和控制算法。此種考核方法的前提是，老師需要向?qū)W校的實訓中心申請對學生開放的時間，為學生提供實驗設(shè)備和場地。此種考核方式是理論學習的全面運用，能夠使學生快速地發(fā)現(xiàn)未掌握和掌握不牢的知識點，同時也能夠使老師根據(jù)學生對不同知識點的掌握情況，進一步調(diào)整授課內(nèi)容和授課形式。

（三）善于利用教學評估

為了避免出現(xiàn)敷衍了事的情況，我們可以將教學評估安排在課程的末期，并向?qū)W生強調(diào)客觀的教學評估的重要性。只有客觀公正的教學評估才具有評判的功效。在獲取客觀的教學評估后，老師應善于利用它。首先，教師根據(jù)客觀的教學評估對自己的授課內(nèi)容和授課形式進行科學的診斷;其次根據(jù)診斷結(jié)果，堅持好的教學方法，彌補和改正不足之處;最后，不斷地調(diào)整和優(yōu)化授課內(nèi)容和授課形式，提高教學效果。

結(jié)語

本文以“控制系統(tǒng)建模與仿真”為例，進行思想政治教學改革。在授課內(nèi)容方面，將知識點分別與技術(shù)熱點、優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化、求真務(wù)實的科學精神、馬克思主義哲學、職業(yè)理想和職業(yè)道德教育相結(jié)合，提高新時代大學生的知識素養(yǎng)、文化素養(yǎng)、職業(yè)素養(yǎng)、分析和解決問題的能力。在授課形式方面，改變填鴨式的講授方法，突出學生的主體地位。在教學評價方面，引入非標準答案的題目和非試卷式的考試方法，全面了解學生對知識點的掌握情況，從而進一步調(diào)整授課內(nèi)容和授課形式。同時，對于教學評估要善于利用，通過對教學行為的診斷、激勵和調(diào)節(jié)，提高教學效果。

參考文獻

[1]豆勤勤.《控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計》課程教學研究[J].課程教育研究：新教師教學，2015（15）：265-265.

[2]張晉格，陳麗蘭.控制系統(tǒng)CAD——基于MATLAB語言[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：1-5.

[3]劉洋.高職院?！蹲詣涌啬驮怼氛n程教學改革與探索[J].動動畫世界：教育技術(shù)研究，2011（12）：251-251.

[4]姜明新，曹蘇群，卞海溢.“信號與系統(tǒng)”課程思政教學改革與實踐[J].科技風，2019（31）：53.

[5]趙琰，蔣偉，陸靜，等.課程思政的探索與實踐——以信號與系統(tǒng)為例[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（8）：84-85+88.

[6]龔成瑩，蘭聰花.基于課程思政的“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)探索[J].工業(yè)和信息化教育，2020（4）：19-23.

[7]金晶.基于BOPPPS的三維虛擬情景教學模式設(shè)計與實踐——以動效設(shè)計課程為例[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（23）：80-81.

Abstract： The course of Control System Modeling and Simulation is a comprehensive course for the automation majors， which is the simulation and practice of the theoretical knowledge of control system learned in university. Most traditional teaching methods focus on the use of simulation tools， students often do not know well the code algorithm. Therefore， the reform of ideological and political teaching in this course is carried out from teaching content， teaching form and teaching evaluation. The reform and practice in the ideological and political direction can improve students’ professional knowledge， cultural quality， professional ethics， and innovation ability， and stimulate students’ interest in the algorithm design to discover the beauty of code and algorithm. It can also strengthen students’ engineering thinking ability， so as to train them into skilled talents with all-round development.

Key words： Control System Modeling and Simulation; ideological and political education; teaching reform