控制系统计算机仿真课程存在的教学问题与改革措施

金小峥，王忠石

（沈阳大学a．装备制造综合自动化重点实验室；b．信息工程学院，辽宁 沈阳 110044））

“控制系统计算机仿真”课程是信息、电气及自动化等专业的专业必修课，在控制理论、计算机技术、系统分析等诸多学科中，实践性及综合性较强，对这些学科的发展及应用有着重要的作用。目前，探讨该课程的教学形式［1］、教学体系、教学方式等方面的教改文章很多［2－3］。有人提出该课程的实验教学改革建议［4］，将该课程的仿真技术应用到电子技术教学课程中［5］，取得了良好教学效果。有人在一些实验教学中应用计算机仿真技术［6］，表明了该课程的教学应用价值。该课程也可为许多学术研究类的仿真实验提供技术支持。沈阳大学自动化专业开设“控制系统计算机仿真”课程已经有十多年的历史。课程的主要内容是介绍如何对控制系统进行仿真分析和设计。目前，课程的总学时为48学时，其中包括10学时的实验。所选教材为东北大学薛定宇教授编著的《控制系统仿真与计算机辅助设计（第2版）》。授课形式以讲授和实验穿插进行，考核形式为考察。通过学习该课程，学生可以熟练掌握计算机仿真在控制系统中的建模方法及原理，培养学生编辑和调试不同仿真程序的基本技能。特别是掌握研究实际控制系统的方法和原则，及用数字计算机仿真技术进行分析的方法，为今后从事计算机仿真工作打下基础。本课程的目的在于：结合理论与实践，经过实验教学帮助学生验证并巩固所学的知识，培养学生严谨的科学态度，掌握基本的建模方法和仿真原理。训练学生正确使用MATLAB中的Simulink仿真软件，提高学生分析、解决问题的能力以及实际动手能力。

一、目前教学中存在的主要问题

1．理论与实践教学未成一体

课堂教学与上机实践分开进行的教学模式为现阶段该课程的主要教学模式。在课堂教学中，教师按照教学计划进程讲授理论知识，包括相关系统仿真的基本概念、离散和连续系统的数学模型建立，及其各种连续系统离散化和数值积分算法等。在讲授理论知识的不同阶段插入相应的实验课程，学生通过上机实践，对理论知识加深理解并应用。但由于授课与上机分开进行，学生不能很快在上机时应用课堂上所学到的理论知识，因而对本课程所学理论知识的理解和掌握不利。

2．上机实践中指导教师资源不足

计算机仿真是一门需要实践应用的课程，显然仅凭课堂上讲授是不够的，课堂上枯燥的程序罗列和讲述，既不能引起学生认真听讲的兴趣，也无法让学生真正掌握技能、理解知识。因此本门课的最重要环节应属于该课程的上机实践。然而由于上机实践指导教师少，并且学生人数多，上机过程中教师无法很详细地一一解答学生所遇到的问题。并且还造成组织及管理上的困难，难以保证每个学生都能独立认真地完成上机操作任务。

二、改革措施与实践

1．改进教学方式

（1）强化实践教学和理论教学的联系。在机房条件允许的情况下，利用机房多媒体授课替代教室授课，争取学生每人一台电脑，跟随老师授课的思路及进度，讲授完一个知识点即练习该知识点，这样必然会大大提高学习效率，解决上机实践与课堂教学分开进行这一授课模式的弊端。但如果机房条件不足，也最好在多媒体教室讲授理论教学部分，并及时分组安排相应的局部上机仿真实践。这样即便没有亲自动手尝试，学生们通过教师在上面的逐步演示，观察教师的操作步骤及仿真结果演示，对他们的感官认识也定会起到积极有益的作用；而及时的上机实践，将更有助于学生迅速地掌握实践技能，并深刻理解理论知识。

（2）增强上机指导，加强实践教学效果。由于学生偏多，机房资源和指导教师有限，难免存在教师指导不到位和难于管理的现状。为了易于管理，并且保证学生能够得到周到、细致的讲解，师生指导比为1∶20比较合适。从而在客观上尽可能地给学生提供充分的学习指导资源。

2．丰富教学内容

教师除了在上课时介绍基本的理论知识外，还应在计算机上演示一些具有代表性的综合性内容，引导学生更深刻地理解综合各个环节的过程和意义，包括系统分析、参数优化、编程调试、结果分析等。以便自己更加规范、独立、科学地完成课题设计。此外，为督促学生上机实践时正确操作，需要安排一些有针对性的仿真习题。结合理论与实践，训练学生正确有效使用 MATLAB和simulink仿真软件，加深学生对计算机仿真原理的掌握和理解程度，从而使学生对这门课的广泛应用前景有进一步的了解。

3．规范管理，严格要求

良好的学习环境是提高教学质量的重要条件，制度上的规范管理及教师的严格要求是提高教学质量的必要因素。这里的规范管理和严格要求包括两方面，即教学目标与教学过程的规范管理和严格要求。针对教学目标的规范管理与严格要求，要按规范严格地审核仿真实验报告，组织答辩。答辩是严格管理的一道重要关口，答辩方式的应用既可以保证学生在平时的训练过程中加倍认真学习，取得好的答辩成绩，又可以清楚全面地了解学生对课程的掌握和学习应用情况。学生对好成绩的要求和渴望是提高课程教学质量的一大因素。它是对学生知识掌握程度的总体评价，所以必须做到公正、公平、合理。为督促学生重视各个教学环节，保证教学效果，最终的考核成绩可由实验报告、平时上机情况和试卷三种形式综合评定，依次占20%、20%及60%。仿真实验报告应包括：正确编制程序，整理实验数据，分析实验结果，总结实验收获等。实验报告要求书写工整。这里最重要的应是学生对实验结果的分析与体会，因为它能真正体现学生对知识理解和掌握的程度，教师对此处要特别重视。针对过程的规范管理与严格要求是指在理论学习与上机实践的整个过程中，教师都要以认真负责的态度，高度的责任感严格要求学生，正确引导个别不认真的学生，按预先的规定给出与上机表现、实验结果相应的平时考核成绩。

4．设计教学实验

作为这门课的重要组成部分，实验教学的许多重要方法和概念需要通过实验更好地掌握。由于这门课存在学时少等客观因素，实验教学环节就显得十分重要。进行实验教学改革的目的在于使学生通过该课程的学习，了解系统仿真在实际控制系统应用的意义，能够具有编辑、修改仿真程序的能力，熟练掌握用计算机仿真技术进行分析及研究实际控制系统的方法。

实验教学环节关键在于教师和学生之间的配合。在上课之前，学生必须认真预习要学习的课程，了解实验目的要求、原理步骤及注意事项。学生还必须保证实验的独立性，一般为一人一组，在规定时间内独立完成实验内容。实验过程中，学生除了认真做好实验，还需要做好记录，根据记录总结实验。在这过程中，教师需要从旁指导，配合学生，把握学生实验大方向，严格把关实验结果。

一般实验结果以实验报告的形式形成，学生要整理实验数据，分析实验结果，教师要认真批改实验报告，给出成绩并签名。合格的实验报告要求书写工整，采用统一标准的实验报告纸，并有实验中绘制的曲线结果，写出实验体会、收获等。以上内容对学生今后的学习、实验，或应用都有十分重要的帮助。

实验教学考核主要看对实验的操作和基于操作形成的报告，考核成绩可占期末总成绩的20%，以提高学生对实验的重视。在考核过程中，可以设计几个具有代表性的典型实验，如线性系统稳定性仿真实验、线性系统响应性能仿真实验和有不确定性的线性系统稳定仿真实验。由于这些实验基本涵盖了课程涉及到的基本理论知识，学生综合利用所学习知识的能力得到了锻炼。

总之，针对“控制系统计算机仿真”课程中所存在的问题，营造一种注重效率，有利于培养学生学习兴趣，激发学生创新意识的教学氛围，对于提高学生从理论意义学习到仿真结果验证，提高实际动手应用的能力，调动学生获取知识的积极性和主动性，取得优秀的教学效果具有重要意义。从而为学生从事毕业设计以及毕业后步入工作岗位运用计算机仿真打下坚实的基础。

［1］ 毛海杰，李炜，刘微容，等．“控制系统计算机仿真”课程教学探讨［J］．实验室研究与探索，2005（S1）：14－148，169．

［2］ 梅从立，廖志凌，刘国海．“控制系统计算机仿真”教学改革与实践［J］．电气电子教学学报，2009（5）：79－80．

［3］ 陈昊，姜建国．“控制系统计算机仿真”课程教学改革［J］．煤炭高等教育，2001（2）：80－81．

［4］ 王雪松，程玉虎，马小平，等．“控制系统计算机仿真”实验教学改革［J］．中国电力教育，2006（5）：38－41．

［5］ 时昆．计算机仿真技术在电子技术教学课程中的应用探析［J］．才智，2012（2）：72．

［6］ 胡晓波，李琰，王艳芳．计算机仿真技术在实验教学中的应用［J］．实验室科学，2007（2）：121－122，124．