自动控制系统数字仿真教学与考试模式改革实践

马静　马新慧

摘要：从教学内容、教学环节、教学方式结合课程目标，以应用和问卷调查为导向进行自动控制系统数字仿真课程的教学模式改革；采用多元化考核方式，使教学与考核相结合，促进学生综合能力的培养；对其他类似课程有良好的借鉴作用。

关键词：数字仿真；学和考试模式改革；例引导教学；元化考核方式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）44-0126-02

一、引言

控制系统计算机仿真是讲授仿真的基本概念、原理、算法和计算机实现的课程，是自动化专业课程体系中重要的专业课。本课程原有教学模式是以课堂讲解为主，上机实验为辅；原有考核模式也是以卷面成绩为主，平时成绩为辅，这让学生形成了一种传统的语言课程学习的机械式方法，且考试方式单一，理论考试多，应用测试少，很难满足以应用为目的的学习。为此，本文结合教学实践改革，采用教与考相结合的方式，注重学习和动手能力的培养。

二、教学模式改革

1.教学内容改革。（1）制定课程教学主线。在教学内容上把握一条主线、两个应用：以自动控制系统仿真基础知识、实现方法、结果分析为依据，始终贯穿控制系统仿真过程；以实践应用和实例应用为目标，通过主线，将理论和实践有机结合。具体如图1所示。（2）调整教学内容。课程内容在Simulink基本仿真的基础上加入一些高级编程，如Simulink和MATLAB交互编程，S函数的用法以及实用的工具，扩展学生仿真的工具和手段，为仿真实际应用做好准备。

2.教学环节改革。（1）实践应用改革。在实践应用中扩充了原有的实验内容，由原来的6个实验改为10个，细化了实验目标，制定了新的实验手册。（2）实例应用改革。在实例部分由简到繁，结合学生目前自动控制原理课程学习的进度和理解程度，选择具有代表性和学生感兴趣的控制系统完成以下实例仿真过程：①电力牵引电机控制；②磁盘驱动读取系统；③海底隧道钻机控制系统；④哈勃太空望远镜指向控制；⑤火星漫游车转向控制；⑥自动平衡秤系统；⑦自动焊接头控制；⑧转子绕线机控制系统。

重点讲解了磁盘驱动读取系统，由简化图逐步深入具体结构，控制指标由粗到细，控制器由简到繁，层层分解，步步深入，从常见PID控制到现代控制理论、智能控制理论。

3.教学方式改革。（1）采用实例引导教学方法，激发学生的应用能力。学生通过学习已掌握了控制理论的基本知识和控制系统的基本设计及分析。为突出仿真的应用意义，在应用一节的讲授环节中加入科研工程实例，利用MATLAB/SIMULINK进行仿真、分析和设计，通过多媒体向学生展示，可以激发学习的兴趣，加强学习的目的性。另外，对每次实验课的题目进行由简到繁的系统性设置，引导学生独立思考，以帮助学生在解决简单问题之后有兴趣解决复杂问题，并锻炼分析问题的能力。（2）利用问卷调查调动学生参与教学的主动性。为及时掌握学生对于教学改革的意见和建议，本学期进行问卷调查2次，共设立20个问题，为发挥学生的主动性以开放式问卷为主，分别从课程的设置、教学目标、教学内容、团队合作能力和沟通能力等方面进行调研，并及时分析、回馈与学生交流。问卷中有代表性的两个问题如下。

①你对这门课教学内容的感兴趣程度，在下表适当的选项中选择（划√，可多选）。

②如果现在需要你和其他同学合作完成研究任务，你希望承担何工作？

A.数据计算（ ） B.理论设计（ ）

C.算法实现（ ） D.结果分析（ ）

其他（请具體写明）

三、考试模式改革

1.考试模式构成。本学期考试成绩按百分制计算，其中大作业（含答辩）（70%），实验（20%），卷面（10%）。卷面作为闭卷考试，时间2小时，按百分制给定，实验成绩由实验报告成绩按百分制给定。大作业分为答辩和纸质作业两部分；具体评分标准为：报告得分90分+答辩/特色加分10分。

2.大作业考核具体步骤。（1）分组。结合问卷调查结果将学生分组，每组4个学生，设组长1名；每组共同完成一道题目，同组4人可按横向也可按纵向划分任务，任务根据问卷调查表并结合个人情况分配，组员协商由组长统一意见。（2）布置大作业内容。每组一题，涉及选题自动控制系统的控制器设计与分析，包括：①MANUEC器人；②NASA的卫星回收机械手；③星际探索的系统；④无人机；⑤天线指向控制系统；⑥机械臂控制系统；⑦热轧机控制系统；⑧液压伺服控制系统。（3）给出作业基本结构和例子。考虑到学生初次完成大作业，不仅给出了大作业的要求内容，同时给出了参考格式，并给出了2份实例作业，供学生进一步参考、了解研究思路和步骤。（4）答辩。为了解学生纸质作业以外的情况，同时也为锻炼学生的学习能力和语言表达能力，针对大作业设立了答辩环节。答辩过程中按划分小组进行，学生制作5～8分钟的PPT，由教师担任答辩委员，并进行提问和现场评价。

四、改革的收获与思考

1.答辩效果的直接回馈。在每个学生和每组答辩结束后都进行了分析和评价，让学生及时了解个人的优点和不足；也知道本组在分工、研究过程中的优势与问题。学生及时了解考试中存在的问题，教师能够与学生进行反馈与一对一的直接交流。

2.新多元化考核模式的推广。所采用的多元化考核方式使学习过程中始终穿插着考核的过程，明显提高了学生对课程学习的重视程度。另外，理论考核在总成绩中比例的减小，实验考核与大作业考核、答辩在总成绩中比例的增加，也明确了学习态度的重要性及实践技能的重要性。

3.推进双语教学。双语教学是我校创建世界一流大学过程中十分重要的一项教学改革措施。通过双语教学，能够较好地帮助学生掌握本学科的专业英语术语以及本专业的最新国际发展动态，开阔学生视野，培养学生探索新知识的兴趣，增强学生进行国际学术交流的能力。

4.大作业自主选题。在选题上进一步发挥学生的主观能动性，鼓励进行自主、宽范围选题，可结合自动控制原理课程接触的实际系统，如双容水槽系统、汽车调速系统、直流电机系统、温压控制系统、倒立摆系统；也可结合各自感兴趣的其他领域选题。

5.构建课程综合教学平台。课程建设是教学的重要组成内容，是提高专业建设水平的有效途径，所以结合控制系统数字仿真课程特点，充分利用各种资源，使课程教学系统化，加强实践教学，改革教学模式，开发、整合、汇聚优质教学资源，系统建设控制系统数字仿真综合教学平台将是本课程的长期目标。