基于CPS的控制系統(tǒng)計算機仿真教學改革與實踐

毛海杰，蔣棟年，李煒，劉微容

摘? 要：在貫徹落實OBE理念、實施工程教育過程中，針對控制系統(tǒng)計算機仿真課程所承載的知識、能力、素質(zhì)有機融合不足，學生的學習積極性不高等問題，提出基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教學改革探索與實踐路徑。主要包括教學體系優(yōu)化和教學內(nèi)容整合、教學方法和教學手段改革、注重形成性評價的能力達成等。從學生的表現(xiàn)和三年的課程達成情況分析可以看出，課程改革有效提高學生的學習興趣，極大提升其自主學習能力與工程實踐能力，為有效的畢業(yè)達成發(fā)揮本門課程應有的作用。

關(guān)鍵詞：計算機仿真；課程改革；CDIO；PBL；SPOC

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）18-0130-04

Abstract： In the process of implementing engineering education， aiming at the lack of organic integration of knowledge， ability and quality carried in the course of computer simulation of control system， this paper puts forward the exploration and practice path of teaching reform based on CDIO + PBL + SPOC（CPS）. It mainly includes the optimization of teaching system and the integration of teaching content， the reform of teaching methods and means， and the achievement of ability of formative evaluation. From the students'performance and the evaluation of curriculum achievement in three years， it can be seen that the curriculum reform has effectively improved students' learning interest， greatly improved their autonomous learning ability， work quality and engineering practice ability， and played the due role of this course for effective graduation achievement.

Keywords： computer simulation; curriculum reform; CDIO; PBL; SPOC

新形勢下，國家和社會對高校人才培養(yǎng)提出了新的要求。在人才培養(yǎng)體系中，課程是人才培養(yǎng)的基本要素，課程教學是人才培養(yǎng)的主要活動之一，課程教學的優(yōu)劣直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量[1-3]。為應對新時代高等教育所面臨的新要求、新挑戰(zhàn)和新趨勢，貫徹落實“一流本科教育行動計劃”，全面貫徹現(xiàn)代工程教育核心理念，合理增加課程難度，適度拓展課程深度，這無疑對培養(yǎng)符合新時代產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)人才具有重要意義[4-6]。

控制系統(tǒng)計算機仿真是一門建立在控制理論、計算機技術(shù)等諸多學科基礎(chǔ)上的一門綜合性及實踐性較強的課程，是自動化專業(yè)四年制本科生必須掌握的基礎(chǔ)知識和基本技能。作為蘭州理工大學自動化專業(yè)的一門專業(yè)必修課，由于課程具有實踐性較強的特點，對自動化專業(yè)學生的工程與實踐能力培養(yǎng)起著重要的作用。

本文在深入分析已有教學過程存在問題的基礎(chǔ)上，通過借鑒CDIO模式對課程內(nèi)容進行優(yōu)化和重組、引入案例采用項目式教學（Project Based Learning，PBL）方式、基于SPOC的線上線下等多樣的教學方法、改革貫穿教學全過程的綜合評價方式等多項改革，實踐探索了基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教學模式改革。從學生的學習效果和課程目標的達成情況分析評價了課程改革的效果，以期為相關(guān)課程改革提供借鑒。

一? 已有教學過程存在的問題

依據(jù)對畢業(yè)要求的支撐，本課程的教學目標：①掌握Matlab仿真軟件的基本使用方法，掌握數(shù)值仿真的基本算法及程序?qū)崿F(xiàn)，具備利用仿真工具分析線性連續(xù)、離散及非線性等復雜控制系統(tǒng)性能的能力，并能理解其局限性；②依據(jù)性能指標要求，具備設(shè)計常規(guī)控制器并對其進行優(yōu)化的能力。

本專業(yè)自2015年實施工程教育并于2017年通過認證以來，從培養(yǎng)目標及方案的頂層設(shè)計，到教學過程的具體設(shè)計與實施等各個層面都進行了多項轉(zhuǎn)變。本課程亦不例外，緊密圍繞課程目標的有效達成，任課教師從理念轉(zhuǎn)變到教學過程的具體實施開展了一些教學改革工作。然而，在價值塑造、能力培養(yǎng)和知識傳授方面，仍存在融合不足，從學生的表現(xiàn)來看，仍然存在工程實踐和研究能力欠佳、學習動力與積極性不高等問題，具體表現(xiàn)主要有以下幾點。

（一）? 課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度體現(xiàn)不足

原有理論教學中課程基礎(chǔ)性內(nèi)容偏多，如在學時的分配上，仿真相關(guān)概念與Matlab基礎(chǔ)6學時，仿真算法與程序?qū)崿F(xiàn)8學時，體現(xiàn)控制器設(shè)計與優(yōu)化的綜合設(shè)計性內(nèi)容僅占2學時。與此相對應的上機實踐的任務布置中，驗證性題目偏多，綜合設(shè)計性題目數(shù)量偏少。課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度明顯不足。

（二）? 以教師主講的單一教學方式難以滿足學生多樣化的學習需求，學習興趣不高

隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，學生接受知識的方式和渠道也在發(fā)生變化。傳統(tǒng)課堂中以教師的“教”為中心，學生被動接受的教學方式，難以滿足學生多時空、多場景、多渠道的多樣化學習需求。因此，采用靈活多樣的教學方法，開展以網(wǎng)絡資源建設(shè)為基礎(chǔ)的線上線下混合教學勢在必行。

（三）? 教學評價重結(jié)果輕過程，難以有效激發(fā)自主學習意愿，學習動力不足

教學評價是對教師和學生的“教”與“學”效果的雙向測試，對學生的學習意愿和主動性亦具有指揮棒作用。傳統(tǒng)的在結(jié)課后才開展的以試卷考試或大作業(yè)測評的單一評價方式，欠缺注重過程的形成性評價要素，難以有效激發(fā)學生學習意愿。且尤為重要的是，因未能及時評價，也就難以對教學過程的及時改進提供依據(jù)。

二? 基于CPS的課程改革與實踐

針對上述問題，自2017年開始，課程組緊密圍繞課程目標的有效達成，為打造具有先進性、互動性、探究性和個性化的教學形式，結(jié)合課程特點和地位，深度融合課程教學內(nèi)容與現(xiàn)代信息技術(shù)，重組構(gòu)建了基于CPS（CDIO-PBL-SPOC， Conceive， Design， Implement， Operate-Project Based Learning - Small Private Online Course）的新教學模式并逐步實施，具體表現(xiàn)為以下幾方面。

（一）? CDIO理念下課程內(nèi)容的優(yōu)化重組

控制系統(tǒng)計算機仿真教學主要分為仿真相關(guān)概念與Matlab基礎(chǔ)、仿真算法與程序?qū)崿F(xiàn)、控制器設(shè)計與綜合等體現(xiàn)基礎(chǔ)理論、應用驗證與綜合設(shè)計等三層次內(nèi)容，見表1。通過更為全面具體地對復雜控制系統(tǒng)進行建模與分析、優(yōu)化仿真實訓與總結(jié)報告撰寫等，重點培養(yǎng)學生利用Matlab現(xiàn)代工具分析解決復雜控制工程問題的能力。

課程的綜合性和實踐性較強。為強化學生實踐能力的養(yǎng)成，針對課程的高階性、創(chuàng)新型和挑戰(zhàn)度不足的問題，在課程內(nèi)容上，課程組借鑒CDIO教學理念，有意識地引入了體現(xiàn)復雜性、高階性和時代性的具體工程案例，如飛機俯仰角控制、起重機防擺控制、倒立擺優(yōu)化控制等，同時增加了關(guān)于控制器優(yōu)化內(nèi)容講授深度和仿真實現(xiàn)，開展了課程內(nèi)容的優(yōu)化和重組。

與課程內(nèi)容的優(yōu)化相一致，相應的在學時安排上進行了調(diào)整。鑒于自動控制原理與現(xiàn)代控制理論兩門課中，已經(jīng)對控制原理有了極為詳盡的學習，在本課程中減少了基礎(chǔ)理論內(nèi)容學時分配，增加了控制系統(tǒng)綜合內(nèi)容。如將原來的“仿真的基本概念與Matlab基礎(chǔ)”由原來的6學時，降低為4學時，“仿真算法與程序?qū)崿F(xiàn)”由原來的8學時，降低為6學時，增加了體現(xiàn)綜合性的“控制器設(shè)計與綜合”內(nèi)容，學時由原來的2學時，增加為6學時，增加了基于PID的雙閉環(huán)倒立擺、龍門吊車重物防擺的魯棒PID控制以及授課教師參與的企業(yè)橫向課題“電源車模型仿真軟件”等多個工程實例，通過科研反哺教學，進一步豐富了案例教學資源。在教學過程中，減少了對數(shù)值仿真算法的理論推導講解，增加了新工具箱的使用，更加強調(diào)應用。如通過介紹不同算法在精度、仿真速度及穩(wěn)定性等方面的區(qū)別，目的是指導學生在應用時，能夠依據(jù)任務需求不同，合理選擇適宜的仿真算法。

與理論課時的調(diào)整相一致，在16學時的上機實踐中，減少了對Matlab軟件基礎(chǔ)操作的練習時長，增加了控制器設(shè)計與綜合內(nèi)容的上機學時，如增加了針對所設(shè)計的控制器，通過選取適宜的目標函數(shù)，對控制器參數(shù)進行優(yōu)化的要求。對于減少的學時，為保證質(zhì)量，將更多的基本操作與實踐放到課外，充分利用學生的課余時間，對其增負，通過提前布置任務，上機時間主要用于集中檢查任務完成情況及指導答疑，有效提高了上機實踐訓練效果。

（二）? 基于PBL的多樣教學方法探索與實踐

與教學內(nèi)容的調(diào)整相一致，在教學方法上積極探索，結(jié)合課程內(nèi)容與特點，開展了靈活多樣的教學方法改革。

基于課程內(nèi)容的調(diào)整，面向引入的復雜工程案例，課程組積極開展項目式教學（PBL）。整個教學實施過程按照工程實踐中的生產(chǎn)和科研工作流程進行，經(jīng)過任務需求分析、系統(tǒng)模型建立與簡化、系統(tǒng)性能分析、控制器設(shè)計與優(yōu)化、Matlab仿真驗證及報告撰寫等完整過程的訓練，使學生了解和掌握利用仿真軟件分析和設(shè)計復雜控制系統(tǒng)過程。同時，訓練過程中，通過對不同性能指標之間的矛盾和沖突，以及仿真模型與實際工程的差異性、工程設(shè)計和實施過程中對環(huán)境、社會發(fā)展等方面的影響分析，在提高學生的工程實踐能力之余，亦注重其人文素質(zhì)的培養(yǎng)。

針對授課對象的不同，因地制宜，以問題為牽引，注重采用合作、探究的教學模式。例如在卓越班的小班教學中，因人數(shù)較少，采用了小組討論式教學；在普通班的大班教學中，在學時有限而人數(shù)眾多的情況下，為保證學習效果，在上機實驗報告Ⅱ中，鼓勵題目相同的同學組成學習小組，通過任務分工，集體探討與合作，共同完成設(shè)計任務。

另外，在教學組織方面，采用理論講授與實踐操作交互進行的方式，加強理論教學與實踐教學的緊密銜接。主要體現(xiàn)在以下2個方面：一是課堂上理論講解與實踐驗證的交互，即在教師介紹完某一基礎(chǔ)算法后，為驗證該算法的特點，給出程序及運行結(jié)果，從而加深學生對算法特點的理解和掌握；二是理論課與上機實踐在時間安排上的交錯，一般在開課的第2～3周，即理論講解完6～8個學時后，及時安排上機實踐，以保證對新知識的及時鞏固和算法實現(xiàn)與程序編制能力的及時訓練與獲取。

（三）? 以SPOC為平臺的線上線下混合教學探索與實踐

2020年初，新冠感染疫情的發(fā)生給高等教育發(fā)展帶來了極其嚴峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)歷此變革，我們深刻認識到，隨著互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，開展有效的線上線下混合教學已經(jīng)成為高等教育發(fā)展的必然趨勢。

為進一步拓展學習空間，豐富學習資源，固化知識獲取與能力達成，課程組充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，基于SPOC平臺開發(fā)建設(shè)了控制系統(tǒng)計算機仿真課程網(wǎng)站（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/204075095.html）。網(wǎng)站資源提供了課程大綱、教學課件、學習指南、仿真報告、教案和實驗指導書等25個文檔資源并及時更新，同時搜集整理并擴充了題庫。

以豐富的網(wǎng)絡學習資源為基礎(chǔ)，配合學習通APP手機客戶端，在學時有限的情況下，積極開展了線上線下混合教學。如在介紹完連接矩陣的求取方法后，及時通過學習通布置作業(yè)，要求學生在有限時間內(nèi)，完成一個復雜連接方框圖的連接矩陣的求取。在上機實踐過程中，為督促學生提高學習效率，每次上機之前，以任務節(jié)點的方式，讓學生自學網(wǎng)站上相關(guān)Matlab資源，并在上機結(jié)束后及時將本次上機完成的作業(yè)提交到課程網(wǎng)站，以此作為上機考核的一部分。

實時的任務布置和提問，調(diào)動了學生的注意力，極大提高了學生對課程的關(guān)注度和主動獲取知識的能力，使得課堂的聽課和上機的實踐效率均有了明顯的改善，學生的參與度與積極性明顯提高。

（四）? 注重形成性評價的全過程考核與評價方式改革

課程能力目標達成分析是教學評價的一部分，是評價課堂教學質(zhì)量、為教師提供教學反饋信息的重要依據(jù)。作為CPS模式下主要教學環(huán)節(jié)之一，在明確課程內(nèi)容對畢業(yè)要求指標點的支撐與分配比例下，采用恰當?shù)目己朔绞侥軌蚩陀^評價教學改革的效果，并能引導學生選擇科學的學習方法，實現(xiàn)預定的培養(yǎng)目標。

與教學內(nèi)容的優(yōu)化與教學方法改革相呼應，在評價方式方面，依據(jù)控制系統(tǒng)計算機仿真課程的特點及教學目標，采用了基于定性+定量、形成+終結(jié)的貫穿教學全過程多維綜合量化考核評價方式。其中，形成性評價（占比40%）主要包括口試和作業(yè)，終結(jié)性評價（占比60%）主要包括2份上機報告，從平時上課、上機過程及實驗結(jié)果三方面重點考察，以督促學生重視每一個教學環(huán)節(jié)。學生的期末課程總評成績構(gòu)成如下所示。

課程成績=平時成績（40%）+報告成績（60%）=作業(yè)成績（10%）+口試成績（30%）+上機報告Ⅰ成績（30%）+上機報告Ⅱ成績（30%）。

上述4部分成績，除作業(yè)外，均為五級制給出。依據(jù)占比轉(zhuǎn)換成百分制，求和后最終轉(zhuǎn)換為五級制上報。各部分具體分值和評價細則見表2。

基于定性+定量、形成+終結(jié)的多維綜合量化能力考核與評價方式，契合課程內(nèi)容與特點，客觀評價課程目標達成，為迭代優(yōu)化教與學效果提供了依據(jù)。

三? 課程改革實施效果

CPS教學模式變革了傳統(tǒng)課堂的教學方式，借助于現(xiàn)代信息與移動互聯(lián)等技術(shù)，通過靈活多樣的教學手段和方法，真正實現(xiàn)從“以教為中心”向“以學為中心”轉(zhuǎn)變，學生的積極性和主動性被調(diào)動，課堂的關(guān)注度和學習能力明顯提高。從課程目標的達成情況（圖1）分析可以看出，2019—2021年課程目標中最低達成度基本在0.75左右，教學效果明顯。另外，學生通過本門課程的學習，所獲得的編程能力、系統(tǒng)分析和設(shè)計等實踐能力，在參加的“西門子”杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽等國家級賽事中，發(fā)揮了積極的作用，助力取得了良好的成績。

四? 結(jié)束語

針對控制系統(tǒng)計算機仿真課程存在的課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度體現(xiàn)不足、以教師主講的單一教學方式難以滿足學生多樣化的學習需求、教學評價重結(jié)果輕過程，難以有效激發(fā)自主學習意愿等問題，課程組積極開展了CDIO理念下課程內(nèi)容的優(yōu)化重組、基于PBL的多樣教學方法探索與實踐、以SPOC為平臺的線上線下混合教學探索與實踐以及注重形成性評價的全過程考核與評估方式改革等基于CPS的全方位課程改革與實踐。從學生的表現(xiàn)和2019—2021年的課程達成評價可以看出，課程改革有效提高了學生的學習興趣，極大提升了其自主學習能力與工程實踐技能，課程教學改革已初見成效，為有效的畢業(yè)要求達成發(fā)揮了本門課程應有的作用。

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