控制系统仿真课程实验教学探索与改革

宋潇 余新栓

[摘 要] 对电气工程专业的控制系统仿真课程实驗教学方法和内容进行探索研究，在MATLAB/Simulink仿真平台构建电力系统仿真实验，增设设计性、综合性实验内容，优化实验教学方法，改革考核方式。实验教学改革对提高电气工程专业学生理论联系实际能力具有重要意义。

[关键词] 控制系统仿真;实验教学;MATLAB;Simulink

[基金项目] 2019年陕西理工大学一流专业培育项目子项目（实践教学类）“基于MATLAB的控制系统仿真实践教学改革与研究”

[作者简介] 宋 潇（1992—），陕西西安人，硕士，助教，主要从事电力系统及其自动化专业教学工作;余新栓（1973—），陕西宝鸡人，硕士，讲师，主要从事电气自动化与计算机应用教学工作。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）36-0389-02    [收稿日期] 2020-04-22

引言

控制系统仿真为本学院电气工程专业的专业基础课，其课程内容涉及专业培养方案中的多门主干专业课，如电机学、电力系统分析等。通过课程学习使学生对电力领域的MATLAB编程、模型搭建等内容有全面的认识，具有利用仿真软件对各类电力系统问题进行分析的能力。本课程实验学时共8学时。实验教学成果的好坏，直接反映学生对专业理论知识学习的理解程度和动手能力，并且对学生今后在该专业领域的学习研究有很大影响，因此对本课程进行实验教学改革研究十分必要。

MATLAB的Simulink仿真平台可通过简单的模块连接和参数设置，进行复杂系统的建模仿真分析，非常适合控制系统仿真课程的实验教学和研究[1]，其友好的交互界面和模型搭建环境，有利于培养学生在专业课实验环节的创新实践能力[2]。在控制系统仿真课程中利用MATLAB/Simulink仿真平台进行实验教学具有十分重要的理论意义和实践意义。

一、传统实验教学模式存在的问题

传统的实验教学理念是以教师为中心，缺乏对学生创造性的培养，学生参与度低。这样的教学模式导致学生缺乏主观能动性，不利于高素质人才的培养[3]。课程实验在教学过程中存在许多需要解决的问题，如教学内容多，学时少;设计性、综合性实验较少;考核方式陈旧;学生难以将课程实验内容和专业研究衔接起来等。

二、实验教学改革研究

针对控制系统仿真课程实验教学中存在的问题，可从优化实验教学内容，创新教学方法，构建考核标准对实验教学进行改革。

（一）实验内容改革

学生在前期课程学习中已有C语言的基础，对于MATLAB程序设计基础部分可以简要了解，MATLAB基础编程贯穿所有综合性实验。对于程序设计能力的培养，可以在综合性的实验中体现，主要以在MATLAB中解决电力系统实际问题为主。

因此，实验教学在选择实验内容时，可根据控制系统仿真课程的特点，将MATLAB/Simulink仿真研究引入实验教学环节，紧密结合专业知识，增加综合性、设计性试验，在实验内容的安排顺序上由浅入深，循序渐进，加强学生解决实际问题的能力。让学生深入理解MATLAB/Simulink建模仿真能够解决相关专业课涉及的复杂工程问题。控制系统仿真实验共设置了4个实验项目，如表1所示。

（二）实验教学方法改革

在以往的实验教学过程中，实验教学方法以教师讲授为主，实验缺乏对学生实验能力的培养[4]。实验方法的改革就是在实验教学过程中激发学生的积极主动性，激发学生的创新性及学习主动性。实验教学方法可以从以下四方面进行改革。

1.引导学生提前预习实验。控制系统仿真实验内容较多，上机实验时难以高质量的完成实验。例如电力系统潮流分析的实验，实验内容多，不仅要求学生掌握潮流计算的理论知识，还要能熟练利用MATLAB编程，一些基础较差的同学直接放弃做实验。因此，可以提前一周将实验指导书发给同学们，学生可提前做好预习，这样学生就可以通过学习书本的理论知识、上网查阅资料或向老师求教等方法提前做好实验准备。

2.加强实验过程中的师生互动。在实验课程时教师要深入实验课堂，与学生就实验步骤、实验结果等展开讨论，让学生要明确实验目的，掌握实验方法，完成实验内容。

3.学生分组实验。班级人数较多，学生实验水平参差不齐，老师难以兼顾到每一个学生的实验情况。可以提前分配好实验小组，3～4人为一个实验小组。做实验时，指导每组中实验能力较强的同学率先完成实验，再由这些同学指导组内其他同学，小组内解决不了的问题再咨询老师。同学们做到互帮互助，不仅可以高质量完成实验，还可以增强学生之间的感情。

4.引导学生将仿真与工程实际联系起来。在实验过程中要培养学生从工程实际抽象出仿真实验模型，而且能根据实验结果分析工程实际的能力。例如，在做同步发电机实验时，发电机输入的机械功率，可以是风机、水轮机等原动机输入功率，原动机模型构造复杂，为了简化实验步骤，通常用常数直接表示输入机械功率，电机信号输出端输出的电磁功率随机械功率的变化而变化，学生在做实验时就容易忽略参数的实际意义，不明白数值变化的规律，因此，做实验前教师务必要将实验中各个模块含义再做强调，引导学生将仿真和工程实际联系起来。

（三）考核方式改革

考核一定程度上可以增强学生实验的积极性。实验考核的重点是考核学生的动手能力、创新能力以及知识的掌握情况，考核结果不能仅依靠实验报告，而应该遵循实验教学的规程，考核内容应该包括实验的预习、操作、团队协作和实验报告书写。

实验成绩包括四部分，分别是实验预习、实验操作、组员评定和实验报告。实验预习是学生做实验前的准备工作，可以反映学生上课前做的功课，目的是使学生每一次做实验都能心中有数，能够发现问题，为分析问题和解决问题奠定基础。实验操作反映的是学生在做实验过程中的表现，包括学生的实验态度、实验完成情况。组员评定反映的是学生在做试验过程中，与同学沟通协作能力。实验报告是实验完成后撰写的报告，记录的内容包括实验方法、内容、结果分析等，是对每一次实验的总结。

三、总结

本文针对电气工程专业控制系统仿真课程实验中存在的问题进行归纳分析，结合学生目前的学习特点，采用MATLAB/Simulink仿真平台进行仿真实验，从实验教学内容、教学方法和考核方式三方面进行了改革。该课程实验改革对培养电力系统领域高素质工程人才具有积极作用。

参考文献

[1]王海霞，韩奋，张晓菊.MATLAB在电气工程专业主干课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2019（3）：89-90.

[2]党常亮.MATLAB/Simulink在“电力系统分析”教学中的应用[J].高教学刊，2019（12）：102-104.

[3]仰彩霞，杨蕾，郑雪.基于MATLAB的“电气工程基础”课程实验教学改革研究[J].课程教学，2019（3）：115-116.

[4]曾晰.能源与动力工程专业课程实验教学模式与考核方式改革[J].大学教育，2019（9）：52-54.