“控制系统建模与仿真”课程思政探索与实践

秦晴　李珊珊　车艳秋

[摘 要] “控制系统建模与仿真”是自动化专业的综合性课程，是对大学期间所学的控制系统理论知识的仿真与实践。传统的教学方法多数侧重用于仿真工具的使用，学生对于代码算法往往知其然而不知其所以然。为此，从授课内容、授课形式和教学评价三个方面对本课程进行思想政治教学改革。通过在思想政治方向的改革与实践，提升学生专业知识、文化素养、职业道德、创新能力;激发学生对算法设计的兴趣，发现代码之美和算法之美;强化学生工科思维素养，努力将其培育成德才兼备、全面发展的技能型人才。

[关键词] 控制系统建模与仿真;思想政治教育;教学改革

[基金项目] 2019年度国家自然科学基金委员会，国家自然科学基金青年科学基金项目“基于概率统计模型的针刺神经编码机制研究”（61801328）

[作者简介] 秦 晴（1987—），女，河南郑州人，博士，天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院讲师，主要从事神经控制工程研究;李珊珊（1987—），女，山东德州人，博士，天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院讲师，主要从事神经控制工程研究;车艳秋（1981—），男，吉林榆树人，博士，天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院教授，主要从事脑机融合与智能控制研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）08-0098-04 [收稿日期] 2021-06-23

“控制系统建模与仿真”是自动化专业高年级的综合性的专业选修课，以MATLAB为仿真工具，系统阐述控制系统的建模与仿真技术，使学生掌握控制系统分析与设计的基本技能与方法，具备仿真软件编程的基本能力[1]。本课程是针对控制理论相关的理论教学课程进行的综合性仿真与实践。通过学习本课程，能够系统地提高学生对控制系统与自动化设备进行控制性能分析的综合能力，培养学生初步的科学研究能力与仿真开发设计能力。

计算机辅助设计（Computer Aided Design）技术，简称CAD，是随着计算机技术的发展而产生的一门应用型技术，已在工程设计的各个领域得到广泛的应用。在控制领域，由于科学技术的迅速发展，人们对控制系统的性能要求愈来愈高，控制算法愈来愈繁杂，控制器的设计也变得倍加困难，单纯靠手工或简单的计算工具已很难达到预期效果。因此控制系统CAD应运而生，且迅速发展，成为控制系统分析、设计与仿真不可缺少的工具[2]。其中，MATLAB语言由于其强大的矩阵运算能力和良好的图形可视化功能，成为控制领域最常用的计算机辅助工具[3]。它可以使控制系统研究者从繁杂的计算中解脱出来，把精力集中到解决专业问题上，从而大大提高工作效率和设计质量。然而在传统教学过程中，无论是教师还是学生，往往都偏重于MATLAB工具的使用，出现了舍本逐末的现象。这样就导致课程结束时，多数学生对于控制系统的理论分析、控制器的设计以及代码算法的编排，知其然而不知其所以然，不能做到举一反三、由简到繁的自主编程学习。

课程思政是以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，紧紧围绕立德树人根本任务，突出思想引领、品行养成、知识传授、能力培養、思维创新五位一体的培养理念，对学校传统课程进行的教学改革[4-6]。课程思政的内涵是将思想政治教育元素，如社会主义核心价值观、中华优秀传统文化、职业理想与职业道德教育、宪法法治教育等有机地融入非思想政治类的专业课程，实现专业知识教育体系与思想政治教育体系的有机统一。

一、授课内容思想政治教学改革

在传统教学过程中，授课计划和授课内容往往是一成不变的;因此，经过多学期的多轮次授课之后，教师对授课内容了然于心，不仅失去了初次授课的激情，还会因为反复讲授而简化重点和难点，忽略基础点，大大降低授课效果。另外，传统授课内容仅包含专业知识点，枯燥且乏味。因此，我们需要对传统的授课内容进行思想政治改革，将专业知识点与思想政治教育元素相结合，为专业知识点赋予“意义”，从而实现提高教师授课热情和学生听课兴趣的同时，做好学生思想引领和价值观塑造的工作。本课程授课内容的思想政治教学改革可以从以下几个方面开展。

（一）将知识点与技术热点相结合

由于科学技术的迅速发展，控制系统愈来愈复杂，人们对控制系统的性能要求也愈来愈高。而传统的授课内容仅基于经典的数学模型对经典的控制系统进行分析、设计与仿真。在原有知识点的基础上适当地加入新的控制算法、新的控制器设计，不仅可以提高教师的授课热情和授课动力，还能扩大学生的知识视野，锻炼学生的发散思维。

（二）将知识点与优秀的传统文化相结合

作为新时代的青年教师，我们不仅要传道授业，更要立德树人。开展本课程时学生已进入大三下学期，虽然多数具有一定的是非判断和分析能力，但思想政治状况与大一时期相比总体有所下降。少数学生价值观受现实冲击较大，部分学生存在急功近利、得过且过的思想，学生对主渠道的思想政治理论课的作用感受不深。为此，有必要在传授专业知识的同时，将知识点与优秀的传统文化故事相结合，对学生进行思想引领和价值观的塑造，使学生养成良好的品行，在提高学生专业知识素养的同时，也提高学生的文化素养。

（三）将知识点与求真务实的科学精神相结合

“代码粘贴复制—代码运行—系统性能分析”是多数学生学习本课程方法。对于控制器和控制算法的设计，学生常常是模糊不清的。多数学生奉行“拿来主义”，对控制器设计的理论分析和算法编排存在严重的畏难情绪，因此培养学生求真务实的精神是至关重要的。具体来说，对教师而言，我们需要根据每堂课的教学目标以及学生实时的听课状态，灵活地把握讲课节奏，务必保证学生弄懂每个理论推导过程和每行算法编排设计。对学生而言，赞扬学生不懂就问的行为，倡导学生抛弃“粘贴复制”的恶习，鼓励学生自己动手编排实现课本中经典系统的经典控制器的算法，从而实现对知识的牢固掌握。

（四）将知识点与马克思主义哲学相结合

教学过程中，除了对知识点的讲解，提高学生分析和解决问题的能力也是至关重要的。在授课过程中，培养学生采用辩证法、发展观、矛盾论等哲学方法分析问题，不仅能够加强学生对知识点的理解，还能提高学生解决问题的能力。辩证法是指两面性地看待问题，通过合理的讨论获得真正的知识。它转变了传统教学法中老师的绝对权威地位，使学生在反思中深刻地思考问题。发展观是指坚持事物存在一个发展变化的过程。在传授知识点时，发展观的融入可以锻炼学生与时俱进的创新精神。矛盾论指出矛盾无所不在，所有的事物都存在矛盾，事物发展的每时每刻都存在着矛盾。在教学过程中，矛盾论的融入能够培养学生用对立统一的规律分析问题。

（五）将知识点与职业理想和职业道德教育相结合

职教教师和技能型人才是我校多数学生的最终职业道路。在传授知识的同时，融入职业理想和职业道德教育，让学生了解本行业的发展动态和发展需求，从而增强学生的职业责任感。而行业发展动态和发展需求的了解以及職业责任感的提升反过来又会让学生明白知识和技能的重要性，从而点燃学生的学习热情和学习动力。

二、授课形式思想政治教学改革

理论教学和实验教学是授课的两种形式。在传统课堂上，理论教学和实验教学采取的是填鸭式的讲授方法。填鸭式教学是一种灌溉式的教学方法，教师占绝对的主导地位，学生处于被动接受地位。由于学生缺乏自主学习的意愿，填鸭式教学往往会引起学生的逆反心理，从而导致授课效果不佳。因此，我们需要对传统的授课形式进行思想政治改革，提高教学活动中学生的主体地位和自主学习意愿。本课程授课形式的思想政治教学改革可以从以下几个方面开展。

（一）推广BOPPPS教学模式

BOPPPS教学模式最早出现于加拿大的教师技能培训中，其目的是为了提高教师的教学效果和教学技能[7]。BOPPPS教学模式与传统的“老师讲，学生听”的授课方法不同，它倡导学生全方位地加入课堂活动中，提升学生的主体地位。其基本步骤是：（1）根据授课计划导入相关的有趣的例子或小故事，提高学生的听课兴趣。（2）按照讲课内容提前指明学习目标，让学生带着目标去听课。（3）开展前测，了解学生先验知识的储备，便于调整授课节奏。（4）以学生为主体，鼓励学生自主探讨，互动式学习。（5）开展后测，让学生及时了解学习效果，并进一步进行总结反思，加强对知识的掌握，提高学习效果。

（二）理论教学与模拟仿真同步进行

我们借用学校实训中心的大型实验室，保证每个学生都有一台计算机设备。在教学过程中，老师在理论分析后及时地用MATLAB软件工具仿真验证，并用多媒体设备同步展示。同时，学生可以跟随老师自主地进行仿真分析，从而提高自己的参与度和学习专注度。另外，通过MATLAB和Simulink等计算机辅助设计技术，可以使学生更好地理解复杂的理论推导，提高学生的学习兴趣和学习意愿。

（三）制定开放式课题

在课程开展的后半阶段，根据所学内容和教学目标制定开放式课题，让学生以小组形式参与完成。由于课题的开放性，学生小组可以自主地选择控制器的种类、控制算法以及算法的编排实现。在完成课题的过程中，必然会加强学生与学生之间、学生和老师之间的沟通交流，提高学生的团队精神和合作意识，提高学生分析问题和解决问题的能力。

（四）善于利用教材中的错误

对于课本中的错误，老师往往会在讲课前指出并予以纠正。这样做虽然没什么问题，但是白白地错过了一次对学生进行思想政治教育的机会。老师对于教材中的错误不要急于纠正，应鼓励学生以质疑的眼光看待问题，让学生明白“尽信书不如无书”的道理。通过自主地发现错误和改正错误，可以提高学生学习的成就感，加强学生对知识点的理解和记忆。

（五）组织和指导学生参加技能大赛

为了将学到的知识运用起来，老师应积极地组织和指导学生参加自动化专业的技能大赛，鼓励学生抓住实战的机会。通过比赛练习，引导学生将理论学习与实践相结合，加强学生学以致用和解决问题的能力。另外，技能大赛的实战经历让学生能够更容易地发现自己的知识盲点和弱点。结合自身的盲点和弱点，有目的性的听课不但可以提升学习意愿，还可以大大加强学习效果。

三、教学评价思想政治教学改革

教学评价包括对学生学习效果的评价（即考试）和对教师教学工作的评价（即教学评估）。在传统教学过程中，考试方式只有开卷和闭卷两种，形式单一且考查的知识点有限，不能全面深入地了解学生的学习效果。而教学评估是师生在结课后进行的，所以存在敷衍了事的情况，从而使其失去参考的价值。对于评估结果，多数老师往往置之不理，没有做到及时总结和反思。

（一）设置非标准答案的题目

在教学过程中，采取线下教学和线上录播的形式，及时地为学生提供丰富的课程材料和教学视频，便于学生课下的自主学习。在此环境下，在每章作业中设置一道非标准答案的题目，考查学生灵活掌握知识的能力。对于给出不同思路的答案，给予加分鼓励，记入平时成绩。另外，在试卷式考试方式中，老师也可以在最后设置一道非标准答案的小题，从而有利于拉开考试成绩。

（二）引入非试卷式的考试方法

传统的开卷考试和闭卷考试仅仅是对部分知识点的考查，无法全面地了解学生对知识点广度和深度的掌握。为此，我们可以引入非试卷式的考核方法。比如，给定一个控制系统，提出期望达到的性能指标，让学生独立自主地设计控制器和控制算法。此种考核方法的前提是，老师需要向学校的实训中心申请对学生开放的时间，为学生提供实验设备和场地。此种考核方式是理论学习的全面运用，能够使学生快速地发现未掌握和掌握不牢的知识点，同时也能够使老师根据学生对不同知识点的掌握情况，进一步调整授课内容和授课形式。

（三）善于利用教学评估

为了避免出现敷衍了事的情况，我们可以将教学评估安排在课程的末期，并向学生强调客观的教学评估的重要性。只有客观公正的教学评估才具有评判的功效。在获取客观的教学评估后，老师应善于利用它。首先，教师根据客观的教学评估对自己的授课内容和授课形式进行科学的诊断;其次根据诊断结果，坚持好的教学方法，弥补和改正不足之处;最后，不断地调整和优化授课内容和授课形式，提高教学效果。

结语

本文以“控制系统建模与仿真”为例，进行思想政治教学改革。在授课内容方面，将知识点分别与技术热点、优秀的传统文化、求真务实的科学精神、马克思主义哲学、职业理想和职业道德教育相结合，提高新时代大学生的知识素养、文化素养、职业素养、分析和解决问题的能力。在授课形式方面，改变填鸭式的讲授方法，突出学生的主体地位。在教学评价方面，引入非标准答案的题目和非试卷式的考试方法，全面了解学生对知识点的掌握情况，从而进一步调整授课内容和授课形式。同时，对于教学评估要善于利用，通过对教学行为的诊断、激励和调节，提高教学效果。

参考文献

[1]豆勤勤.《控制系统计算机辅助设计》课程教学研究[J].课程教育研究：新教师教学，2015（15）：265-265.

[2]张晋格，陈丽兰.控制系统CAD——基于MATLAB语言[M].北京：机械工业出版社，2013：1-5.

[3]刘洋.高职院校《自动控耐原理》课程教学改革与探索[J].动动画世界：教育技术研究，2011（12）：251-251.

[4]姜明新，曹蘇群，卞海溢.“信号与系统”课程思政教学改革与实践[J].科技风，2019（31）：53.

[5]赵琰，蒋伟，陆静，等.课程思政的探索与实践——以信号与系统为例[J].中国教育技术装备，2019（8）：84-85+88.

[6]龚成莹，兰聪花.基于课程思政的“信号与系统”课程建设探索[J].工业和信息化教育，2020（4）：19-23.

[7]金晶.基于BOPPPS的三维虚拟情景教学模式设计与实践——以动效设计课程为例[J].现代职业教育，2021（23）：80-81.

Abstract： The course of Control System Modeling and Simulation is a comprehensive course for the automation majors， which is the simulation and practice of the theoretical knowledge of control system learned in university. Most traditional teaching methods focus on the use of simulation tools， students often do not know well the code algorithm. Therefore， the reform of ideological and political teaching in this course is carried out from teaching content， teaching form and teaching evaluation. The reform and practice in the ideological and political direction can improve students’ professional knowledge， cultural quality， professional ethics， and innovation ability， and stimulate students’ interest in the algorithm design to discover the beauty of code and algorithm. It can also strengthen students’ engineering thinking ability， so as to train them into skilled talents with all-round development.

Key words： Control System Modeling and Simulation; ideological and political education; teaching reform