基于CPS的控制系统计算机仿真教学改革与实践

毛海杰，蒋栋年，李炜，刘微容

摘  要：在贯彻落实OBE理念、实施工程教育過程中，针对控制系统计算机仿真课程所承载的知识、能力、素质有机融合不足，学生的学习积极性不高等问题，提出基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教学改革探索与实践路径。主要包括教学体系优化和教学内容整合、教学方法和教学手段改革、注重形成性评价的能力达成等。从学生的表现和三年的课程达成情况分析可以看出，课程改革有效提高学生的学习兴趣，极大提升其自主学习能力与工程实践能力，为有效的毕业达成发挥本门课程应有的作用。

关键词：计算机仿真；课程改革；CDIO；PBL；SPOC

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）18-0130-04

Abstract： In the process of implementing engineering education， aiming at the lack of organic integration of knowledge， ability and quality carried in the course of computer simulation of control system， this paper puts forward the exploration and practice path of teaching reform based on CDIO + PBL + SPOC（CPS）. It mainly includes the optimization of teaching system and the integration of teaching content， the reform of teaching methods and means， and the achievement of ability of formative evaluation. From the students'performance and the evaluation of curriculum achievement in three years， it can be seen that the curriculum reform has effectively improved students' learning interest， greatly improved their autonomous learning ability， work quality and engineering practice ability， and played the due role of this course for effective graduation achievement.

Keywords： computer simulation; curriculum reform; CDIO; PBL; SPOC

新形势下，国家和社会对高校人才培养提出了新的要求。在人才培养体系中，课程是人才培养的基本要素，课程教学是人才培养的主要活动之一，课程教学的优劣直接决定人才培养质量[1-3]。为应对新时代高等教育所面临的新要求、新挑战和新趋势，贯彻落实“一流本科教育行动计划”，全面贯彻现代工程教育核心理念，合理增加课程难度，适度拓展课程深度，这无疑对培养符合新时代产业需求的专业人才具有重要意义[4-6]。

控制系统计算机仿真是一门建立在控制理论、计算机技术等诸多学科基础上的一门综合性及实践性较强的课程，是自动化专业四年制本科生必须掌握的基础知识和基本技能。作为兰州理工大学自动化专业的一门专业必修课，由于课程具有实践性较强的特点，对自动化专业学生的工程与实践能力培养起着重要的作用。

本文在深入分析已有教学过程存在问题的基础上，通过借鉴CDIO模式对课程内容进行优化和重组、引入案例采用项目式教学（Project Based Learning，PBL）方式、基于SPOC的线上线下等多样的教学方法、改革贯穿教学全过程的综合评价方式等多项改革，实践探索了基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教学模式改革。从学生的学习效果和课程目标的达成情况分析评价了课程改革的效果，以期为相关课程改革提供借鉴。

一  已有教学过程存在的问题

依据对毕业要求的支撑，本课程的教学目标：①掌握Matlab仿真软件的基本使用方法，掌握数值仿真的基本算法及程序实现，具备利用仿真工具分析线性连续、离散及非线性等复杂控制系统性能的能力，并能理解其局限性；②依据性能指标要求，具备设计常规控制器并对其进行优化的能力。

本专业自2015年实施工程教育并于2017年通过认证以来，从培养目标及方案的顶层设计，到教学过程的具体设计与实施等各个层面都进行了多项转变。本课程亦不例外，紧密围绕课程目标的有效达成，任课教师从理念转变到教学过程的具体实施开展了一些教学改革工作。然而，在价值塑造、能力培养和知识传授方面，仍存在融合不足，从学生的表现来看，仍然存在工程实践和研究能力欠佳、学习动力与积极性不高等问题，具体表现主要有以下几点。

（一）  课程内容的高阶性、创新性和挑战度体现不足

原有理论教学中课程基础性内容偏多，如在学时的分配上，仿真相关概念与Matlab基础6学时，仿真算法与程序实现8学时，体现控制器设计与优化的综合设计性内容仅占2学时。与此相对应的上机实践的任务布置中，验证性题目偏多，综合设计性题目数量偏少。课程内容的高阶性、创新性与挑战度明显不足。

（二）  以教师主讲的单一教学方式难以满足学生多样化的学习需求，学习兴趣不高

随着计算机、互联网等信息技术的发展，学生接受知识的方式和渠道也在发生变化。传统课堂中以教师的“教”为中心，学生被动接受的教学方式，难以满足学生多时空、多场景、多渠道的多样化学习需求。因此，采用灵活多样的教学方法，开展以网络资源建设为基础的线上线下混合教学势在必行。

（三）  教学评价重结果轻过程，难以有效激发自主学习意愿，学习动力不足

教学评价是对教师和学生的“教”与“学”效果的双向测试，对学生的学习意愿和主动性亦具有指挥棒作用。传统的在结课后才开展的以试卷考试或大作业测评的单一评价方式，欠缺注重过程的形成性评价要素，难以有效激发学生学习意愿。且尤为重要的是，因未能及时评价，也就难以对教学过程的及时改进提供依据。

二  基于CPS的课程改革与实践

针对上述问题，自2017年开始，课程组紧密围绕课程目标的有效达成，为打造具有先进性、互动性、探究性和个性化的教学形式，结合课程特点和地位，深度融合课程教学内容与现代信息技术，重组构建了基于CPS（CDIO-PBL-SPOC， Conceive， Design， Implement， Operate-Project Based Learning - Small Private Online Course）的新教学模式并逐步实施，具体表现为以下几方面。

（一）  CDIO理念下课程内容的优化重组

控制系统计算机仿真教学主要分为仿真相关概念与Matlab基础、仿真算法与程序实现、控制器设计与综合等体现基础理论、应用验证与综合设计等三层次内容，见表1。通过更为全面具体地对复杂控制系统进行建模与分析、优化仿真实训与总结报告撰写等，重点培养学生利用Matlab现代工具分析解决复杂控制工程问题的能力。

课程的综合性和实践性较强。为强化学生实践能力的养成，针对课程的高阶性、创新型和挑战度不足的问题，在课程内容上，课程组借鉴CDIO教学理念，有意识地引入了体现复杂性、高阶性和时代性的具体工程案例，如飞机俯仰角控制、起重机防摆控制、倒立摆优化控制等，同时增加了关于控制器优化内容讲授深度和仿真实现，开展了课程内容的优化和重组。

与课程内容的优化相一致，相应的在学时安排上进行了调整。鉴于自动控制原理与现代控制理论两门课中，已经对控制原理有了极为详尽的学习，在本课程中减少了基础理论内容学时分配，增加了控制系统综合内容。如将原来的“仿真的基本概念与Matlab基础”由原来的6学时，降低为4学时，“仿真算法与程序实现”由原来的8学时，降低为6学时，增加了体现综合性的“控制器设计与综合”内容，学时由原来的2学时，增加为6学时，增加了基于PID的双闭环倒立摆、龙门吊车重物防摆的鲁棒PID控制以及授课教师参与的企业横向课题“电源车模型仿真软件”等多个工程实例，通过科研反哺教学，进一步丰富了案例教学资源。在教学过程中，减少了对数值仿真算法的理论推导讲解，增加了新工具箱的使用，更加强调应用。如通过介绍不同算法在精度、仿真速度及稳定性等方面的区别，目的是指导学生在应用时，能够依据任务需求不同，合理选择适宜的仿真算法。

与理论课时的调整相一致，在16学时的上机实践中，减少了对Matlab软件基础操作的练习时长，增加了控制器设计与综合内容的上机学时，如增加了针对所设计的控制器，通过选取适宜的目标函数，对控制器参数进行优化的要求。对于减少的学时，为保证质量，将更多的基本操作与实践放到课外，充分利用学生的课余时间，对其增负，通过提前布置任务，上机时间主要用于集中检查任务完成情况及指导答疑，有效提高了上机实践训练效果。

（二）  基于PBL的多样教学方法探索与实践

与教学内容的调整相一致，在教学方法上积极探索，结合课程内容与特点，开展了灵活多样的教学方法改革。

基于课程内容的调整，面向引入的复杂工程案例，课程组积极开展项目式教学（PBL）。整个教学实施过程按照工程实践中的生產和科研工作流程进行，经过任务需求分析、系统模型建立与简化、系统性能分析、控制器设计与优化、Matlab仿真验证及报告撰写等完整过程的训练，使学生了解和掌握利用仿真软件分析和设计复杂控制系统过程。同时，训练过程中，通过对不同性能指标之间的矛盾和冲突，以及仿真模型与实际工程的差异性、工程设计和实施过程中对环境、社会发展等方面的影响分析，在提高学生的工程实践能力之余，亦注重其人文素质的培养。

针对授课对象的不同，因地制宜，以问题为牵引，注重采用合作、探究的教学模式。例如在卓越班的小班教学中，因人数较少，采用了小组讨论式教学；在普通班的大班教学中，在学时有限而人数众多的情况下，为保证学习效果，在上机实验报告Ⅱ中，鼓励题目相同的同学组成学习小组，通过任务分工，集体探讨与合作，共同完成设计任务。

另外，在教学组织方面，采用理论讲授与实践操作交互进行的方式，加强理论教学与实践教学的紧密衔接。主要体现在以下2个方面：一是课堂上理论讲解与实践验证的交互，即在教师介绍完某一基础算法后，为验证该算法的特点，给出程序及运行结果，从而加深学生对算法特点的理解和掌握；二是理论课与上机实践在时间安排上的交错，一般在开课的第2～3周，即理论讲解完6～8个学时后，及时安排上机实践，以保证对新知识的及时巩固和算法实现与程序编制能力的及时训练与获取。

（三）  以SPOC为平台的线上线下混合教学探索与实践

2020年初，新冠感染疫情的发生给高等教育发展带来了极其严峻的挑战。经历此变革，我们深刻认识到，随着互联网等技术的发展，开展有效的线上线下混合教学已经成为高等教育发展的必然趋势。

为进一步拓展学习空间，丰富学习资源，固化知识获取与能力达成，课程组充分利用现代信息技术，基于SPOC平台开发建设了控制系统计算机仿真课程网站（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/204075095.html）。网站资源提供了课程大纲、教学课件、学习指南、仿真报告、教案和实验指导书等25个文档资源并及时更新，同时搜集整理并扩充了题库。

以丰富的网络学习资源为基础，配合学习通APP手机客户端，在学时有限的情况下，积极开展了线上线下混合教学。如在介绍完连接矩阵的求取方法后，及时通过学习通布置作业，要求学生在有限时间内，完成一个复杂连接方框图的连接矩阵的求取。在上机实践过程中，为督促学生提高学习效率，每次上机之前，以任务节点的方式，让学生自学网站上相关Matlab资源，并在上机结束后及时将本次上机完成的作业提交到课程网站，以此作为上机考核的一部分。

实时的任务布置和提问，调动了学生的注意力，极大提高了学生对课程的关注度和主动获取知识的能力，使得课堂的听课和上机的实践效率均有了明显的改善，学生的参与度与积极性明显提高。

（四）  注重形成性评价的全过程考核与评价方式改革

课程能力目标达成分析是教学评价的一部分，是评价课堂教学质量、为教师提供教学反馈信息的重要依据。作为CPS模式下主要教学环节之一，在明确课程内容对毕业要求指标点的支撑与分配比例下，采用恰当的考核方式能够客观评价教学改革的效果，并能引导学生选择科学的学习方法，实现预定的培养目标。

与教学内容的优化与教学方法改革相呼应，在评价方式方面，依据控制系统计算机仿真课程的特点及教学目标，采用了基于定性+定量、形成+终结的贯穿教学全过程多维综合量化考核评价方式。其中，形成性评价（占比40%）主要包括口试和作业，终结性评价（占比60%）主要包括2份上机报告，从平时上课、上机过程及实验结果三方面重点考察，以督促学生重视每一个教学环节。学生的期末课程总评成绩构成如下所示。

课程成绩=平时成绩（40%）+报告成绩（60%）=作业成绩（10%）+口试成绩（30%）+上机报告Ⅰ成绩（30%）+上机报告Ⅱ成绩（30%）。

上述4部分成绩，除作业外，均为五级制给出。依据占比转换成百分制，求和后最终转换为五级制上报。各部分具体分值和评价细则见表2。

基于定性+定量、形成+终结的多维综合量化能力考核与评价方式，契合课程内容与特点，客观评价课程目标达成，为迭代优化教与学效果提供了依据。

三  课程改革实施效果

CPS教学模式变革了传统课堂的教学方式，借助于现代信息与移动互联等技术，通过灵活多样的教学手段和方法，真正实现从“以教为中心”向“以学为中心”转变，学生的积极性和主动性被调动，课堂的关注度和学习能力明显提高。从课程目标的达成情况（图1）分析可以看出，2019—2021年课程目标中最低达成度基本在0.75左右，教学效果明显。另外，学生通过本门课程的学习，所获得的编程能力、系统分析和设计等实践能力，在参加的“西门子”杯中国智能制造挑战赛等国家级赛事中，发挥了积极的作用，助力取得了良好的成绩。

四  结束语

针对控制系统计算机仿真课程存在的课程内容的高阶性、创新性和挑战度体现不足、以教师主讲的单一教学方式难以满足学生多样化的學习需求、教学评价重结果轻过程，难以有效激发自主学习意愿等问题，课程组积极开展了CDIO理念下课程内容的优化重组、基于PBL的多样教学方法探索与实践、以SPOC为平台的线上线下混合教学探索与实践以及注重形成性评价的全过程考核与评估方式改革等基于CPS的全方位课程改革与实践。从学生的表现和2019—2021年的课程达成评价可以看出，课程改革有效提高了学生的学习兴趣，极大提升了其自主学习能力与工程实践技能，课程教学改革已初见成效，为有效的毕业要求达成发挥了本门课程应有的作用。

参考文献：

[1] 教育部关于一流本科课程建设的实施意见[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

[2] 梁军，侯迪波，张光新.新工科背景下自动化专业课程教学体系的优化重构[J].中国大学教学，2019（9）：15-21.

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[4] 孙康宁，刘会霞.关于立德树人与一流课程建设的几点思考[J].中国大学教学，2020（10）：49-53，68.

[5] 乔建永.面向新工科的“三贯通”教学改革[J].中国高等教育，2021（17）：21-23.

[6] 戴丽珍，杨刚.基于任务驱动的控制系统计算机仿真课程教学改革探索[J].北京：教育教学论坛，2018（19）：87-88.