控制系统数字仿真教学改革与实践

郑一力 赵燕东

北京林业大学工学院 北京 100083

控制系统数字仿真教学改革与实践

郑一力 赵燕东

北京林业大学工学院 北京 100083

基于工科研究生培养需求和课程特点，对控制系统数字仿真课程的教学内容、教学方法、实践方法以及考核方法进行了改革与实践。引入国内外优质教学素材，采用问题导向式的案例教学引导学生解决问题，应用翻转式教学方式培养了学生综合能力，优化实践教学内容，并改革综合考试体系。实践结果表明，改革促进了研究生对该课程学习的主动性，有效培养了学生的实践能力和表达能力。

控制系统仿真；案例教学；翻转课堂

控制系统数字仿真是控制工程、机械工程等专业研究生的主要课程之一。该课程采用讲课和实践相结合的方式，使学生掌握控制系统数字仿真理论、设计方法和实现方法，能够通过计算机仿真手段分析和设计控制系统，为学生从事控制相关领域的研究和工作打下良好的基础[1,2]。

本文在分析北京林业大学控制系统数字仿真研究生课程教学内容和特点的基础上，结合林业院校研究生的特点和科研课题，重点探讨了控制系统数字仿真课程教学内容、教学方法、实践方法以及考核方法的改革实践，重点突出对研究生的动手能力、理论联系实际能力、表达能力和工程意识的培养，进一步拓宽学生的科研和工程综合实践素质。

1 课程教学内容和特点

控制系统数字仿真的课程为32学时，主要内容包括控制系统数字仿真的基本方法、控制系统的时域和频域仿真方法、控制系统校正与综合仿真、线性系统状态空间分析与设计仿真、非线性控制系统仿真、最优控制系统仿真等。其先修课程有自动控制原理、线性控制系统、最优控制、非线性控制系统等，学生需掌握Matlab和Simulink仿真等相关编程技术，重点完成基于Matlab的相关控制系统仿真综合设计实验。该课程具有以下特点。

1.1 实践性强和课时较短

研究生在本科阶段已经学过了自动控制原理、线性控制系统、过程控制等课程，部分学生学习过最优控制系统、非线性控制系统，所以研究生课程不能再以概念和理论为主，而需要在有限的学时内以实践和综合设计为主。

1.2 研究生课程学习与本科生区别较大

研究生阶段学习精力主要以完成本人的科研题目为主，与本科生的上课有很大区别。控制系统数字仿真课程需要在较好传授知识和技能前提下，不能占用研究生较多的科研实践时间，最好能与研究生的科研课题结合，促进科研应用。

1.3 研究生的综合素质需要通过课程提高

教师授课和学生听课的传统教学模式无法培养研究生的PPT制作、口头表达和动手实践能力，导致学生学习主动性较低。同时课程需要与国际化接轨，培养学生利用标准的专业英语表述控制工程问题，培养控制相关论文的英文表达能力，增强学生进行国际学术交流的能力[3]。

2 教学内容和方法改革

2.1 吸收和借鉴国内外优质教学 优化课堂教学内容

根据控制工程等学科发展和科研就业需求变化，调整和凝练课程内容，在提高教学内容系统性的前提下，积极探索和扩大课程教学内容的深入性和国际前沿性，吸收学科的科研成果和前沿知识、引进国外部分经典的教学素材，如Gene F.Franklin编写的quot;Feedback Control of Dynamic Systemsquot;，Hassan K.Khali编写的quot;Nonlinear Systemsquot;，Boris Lurie编写的quot;Classical Feedback Control: With MATLAB and Simulinkquot;，Katsuhiko Ogata编写的quot;Matlab for Control Engineersquot;等提高课堂教学内容质量，逐步向英文授课过渡，提高学生的国际化视野，对国内一些优秀教材选取部分的经典章节进行优化组合，形成研究生的课堂讲义，供研究生课内课外学习。

2.2 采用问题向导式的课堂案例教学

结合本课程教学主要以建模仿真分析控制对象的特点，采用问题导向教学方式[4]，构建经典控制问题的问题库，形成与多种媒体有机结合的“立体化”课堂教学体系。目前，根据课堂教学内容设计的主要问题见表1。

表1

表1(续)

问题向导式的教学法强调研究生的学习主体地位，突出问题的目标导向性。问题向导式的案例教学过程如图1所示，课前将4～5人分为一个学习小组，让学生在若干经典控制案例和问题的驱动下，在课前通过自主探索和团队协作，经资料查询、文献阅读、视频观看、数学推导、编程调试和制作幻灯片等过程，主动解决所设计问题完成学习任务。

图1 问题向导式的案例教学

2.3 学生为主体的翻转式课堂教学

研究生阶段需要重点培养口头表达能力，因此为了调动研究生的课堂学习主动性，尝试了学生为主体翻转式课堂教学[5,6]。图2给出了翻转式课堂教学的过程，课堂上主要由研究生主讲课前所解决的各个问题，并完成仿真的操作演示，主讲教师不再使用大量的课堂时间来讲授知识。研究生讲完后由教师引导，以所解决的问题为核心，开展学生之间和师生之间的知识交流、答疑解惑和科研运用等，使课堂氛围变为学术交流，从而使课堂教学效果更有成效和活力，这种翻转式课堂教学过程有利于调动学生的学习积极性。

图2 翻转式课堂教学过程

2.4 结合问题精选仿真实践题目 加强上机操作

在本课程中，将教学过程分为基础教学阶段和上机实践阶段。每次4个学时，其中前2.5个学时完成学生为主体的翻转式课堂基础教学，后1.5个学时让学生每次结合本次课讨论的问题专题，由教师出题完成上机实践操作。在上机题目选题时，每个问题专题只精选1～2题，要求研究生在课内就完成实践题目，尽量少占用研究生的科研实践时间。为后续研究生深入科研实践打下基础。

3 考核方式

本课程考核方式探索了平时课堂内成绩和课程设计论文成绩相结合的方式，其中课堂教学演示和课堂交流表现占50%，考勤占10%，课程设计论文占40%。其中课程设计论文在完成控制系统数字仿真的基础教学阶段和上机实践阶段后，要求学生结合自己的科研或实习工作等选题，结合课堂上所讲述的控制系统数字仿真基础知识，采用Matlab在课余时间完成可现场演示的一个典型控制系统数字仿真，并完成课程设计论文，这部分教学不再集中讲授，评分时根据题目的难度和创新性综合评价。

4 结语

实践结果表明，将国内外优质教学素材、问题向导式案例教学、翻转式教学过程、精选仿真实践题目和综合考核体系应用在教学中，使研究生控制系统数字仿真课程的理论教学与实践内容进一步紧密结合，丰富了教学内容和手段，可使研究生能理论联系实际，充分了解一个具体问题从资料查阅、方案论证分析到完成的整个过程。对于培养研究生自学能力、实践能力和表达能力具有较好的推动作用，为研究生日后的工作和科研实践提供了良好的锻炼机会和扎实的技能基础，这与工科研究生的人才培养目标相一致，获得了较好的课程评价。

[1]王正林,王胜开,陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].第4版.北京:电子工业出版社,2017.

[2]王红梅,边敦新,邢雪宁.“控制系统仿真”课程教学研究与探索[J].电气电子教学学报,2015(4):48-50.

[3]马静,马新慧.自动控制系统数字仿真教学与考试模式改革实践[J].教育教学论坛,2016(44):126-127.

[4]吴爱萍.基于任务驱动的Matlab与控制系统仿真教学方法改革[J].中国现代教育装备,2012(11):57-59.

[5]王力.“控制系统仿真技术”教学研究[J].中国电力教育,2013(28):88-89.

[6]刘宏达,张国堃,张文义.基于翻转课堂模式的电气控制综合实验课程设计[J].实验技术与管理,2017(34):165-169.

Teaching Reform and Practice of Control System Digital Simulation

Zheng Yili, Zhao Yandong
School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing, 100083, China

Based on educational requirement and curriculum characteristics of engineering postgraduates, the teaching contents, teaching methods, practical methods and assessment methods of Control System Digital Simulation are reformed and practiced. High quality teaching material from domestic and abroad are introduced. The problem guiding teaching cases are used to promote students to solve the problem.The fl ipping teaching method is used to cultivate the comprehensive ability of students, the practice teaching content is optimized and the examination system is reformed. The results of practice show that the initiative of graduate students to study the curriculum is promoted, and students' practical ability and expressive ability are e ff ectively cultivated.

control system simulation; case teaching; fl ipping classroom

郑一力，博士，副教授。

北京林业大学2015年研究生课程建设项目(编号：HXKC15020)。