一流课程背景下“控制系统仿真技术”课程建设

任密蜂 李国勇 阎高伟 房雅灵 程兰

［摘 要］ 针对重智育轻德育、重知识轻能力、重教师轻学生和重结果轻过程四大痛点问题，基于一流课程的建设要求，提出以学生发展为中心、以能力培养为目标、以课程建设为抓手、以持续改进为保障的“四位一体”教育理念，融合学科专业知识、工程情景知识、能力要素和思政素质，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一。从弘扬民族自豪感、增强科研报国的责任感、提升专业认可度等多方面进行思政教育；将热点工程问题、学科前沿动态等与课程知识相结合，运用数学思维深度挖掘知识背后的原理，培养学生解决问题的能力；调整课程内容与课堂组织形式，实现了学生中心地位的转变；加大过程性考核的比例，实现以学生为中心的精准教学。经过课程改革，学生高阶能力有效提升，课程建设和教学团队建设成果丰硕。

［关键词］ 一流课程；控制系统仿真技术；课程建设；持续改进

［基金项目］ 2022年度山西省高等学校教学改革创新项目“基于‘两性一度的控制系统仿真技术课程改革与建设”（J20220159）；2021年度山西省高等学校教学改革创新项目“新工科背景下一流本科自动化专业人才培养质量的持续改进”（J2021159）；2021年度山西省高等学校教学改革创新项目“‘金课背景下基于知识－能力超网络的《计算机控制技术》课程教学研究”（J2021183）

［作者简介］ 任密蜂（1985—），女，河北石家莊人，工学博士，太原理工大学电气与动力工程学院副教授，硕士生导师，主要从事随机控制、新能源储能控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2024）02-0025-04［收稿日期］ 2022-11-09

一、课程概述

“控制系统仿真技术”是自动化专业的专业特色课程，是控制理论到工程应用的“桥梁”，在专业课程体系中具有重要地位［1-2］。课程融合了MATLAB编程、自动控制原理和现代控制理论等的基础知识，知识点多而散，是联系理论与实践的桥梁课程。课程涉及的内容体系比较庞大，而教学时间又相对有限，有必要根据专业培养目标及要求进一步整合教学内容，针对性开展课程教改研究［3-5］。

经过多年建设，太原理工大学（以下简称“我校”）电气与动力工程学院“控制系统仿真技术”课程组已形成了一支山西省教学名师领衔、青年博士为骨干的高水平教师队伍，课程内容、教学理念、教学方法、考评反馈机制等日臻完善。通过课程思政的融入，彰显了课程特色，形成了创新且务实的课程构架。我校“控制系统仿真技术”课程2016年入选电子工业出版社慕课视频课程建设项目，2019年被认定为省一流本科课程。本课程培养学生在解决工程问题时的建模、仿真、分析及设计能力，培养学生的创新思维，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一。一是在知识方面，掌握控制系统的数学建模、模型求解、动态特性分析、系统设计等理论知识与方法；掌握数学模型、求解方法的计算机编程实现方法。二是在能力方面，学生能够针对实际工程和学科前沿等问题，通过团队协作、利用所学知识，建立系统数学模型，制订多种仿真方案，对实际系统进行分析与设计；能撰写报告，对控制方案进行讲解、辩论，发表观点。三是在价值方面，具备大胆质疑、知行合一的科学精神和创新意识，具有科研报国的社会责任感。

二、“控制系统仿真技术”课程教学中存在的主要问题

“控制系统仿真技术”的授课对象为自动化专业三年级本科生，现有的教学计划总学时32学时，其中理论授课20学时，上机实验12学时。根据课程组多年的教学经验，总结出该课程实施过程中主要存在以下问题：（1）课堂教学重智育轻德育。以往的教学过程中教师往往只注重知识传递，忽略了社会主义核心价值观的塑造，没有充分调动学生的专业自信心和学以报国的激情。（2）教学内容重知识轻能力。教学内容主要为教材的基本理论知识点，深度和广度不够；学生不具备针对实际工程问题基于控制理论运用MATLAB进行仿真分析和设计的能力。（3）教学方法重教师轻学生。传统的教师讲授、学生被动接受的课堂教学模式，学生参与感较低，注意力不容易集中。（4）课程考核重结果轻过程。传统考核以期末考试为主，缺少对学生的过程性评价；考试题目多为课本理论知识，缺乏对综合能力的评价。

一流课程的评价标准是“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度［6-8］，其在建设过程中应实现传统以教师为中心向以学生为中心转变［9］、以考试为中心向以学习为中心转变，倡导立德树人，加强课程思政建设，培养全面发展的综合素质人才。

三、一流课程背景下的教学改革与实践

结合国家一流本科课程建设及专业认证的要求，在“两性一度”标准下，我校针对“控制系统仿真技术”课程教学过程中存在的问题进行了改革。

（一）改进教学理念

“控制系统仿真技术”课程涉及的知识点繁杂，且对学生动手能力要求较高，传统的“填鸭式”教学方法无法达到国家一流本科课程的要求，学生的能力、素质无法得到提升。因此，课程组转变教学理念，形成以学生发展为中心，以能力培养为目标，以课程建设为抓手，以持续改进为保障的“四位一体”教学理念实现学生主体的转变，考虑学生多样化学习需要和多元发展路径，基于学生自主建构知识的理念设计课程教学。将优质教学资源和学科前沿课题上传至网络平台，并在讨论区设置问题，学生在线预习，并将疑难问题反馈给教师，供课堂重点讲授。通过对学生学习成果的达成情况和学校督导组的教学评价，及时改进教育教学活动，实现持续改进。

（二）重构课程教学内容

为解决较多的教学内容与较少的学时数之间的矛盾，且满足一流课程的“两性一度”要求，课程组对“控制系统仿真技术”课程教学内容进行重构，主要包括以下四部分。

1.基础知识。基于自编精品教材、自制MOOC视频和国家精品课程等优质教学资源，学习控制系统的建模求解、分析系统动态特性、控制器设计方法等，将知识点有机结合，使学生学会系统地分析、解决问题。

2.工程案例。课程团队收集相关实际工程案例制作案例库，采用案例驱动教学。旨在扩展课程内容、深化课程难度，培养学生解决实际工程问题的综合能力和高级思维，增加产教融合项目的开展，真正做到知行合一。

3.学科前沿。以教师科研为依托，将最新研究成果与课程知识点相结合，讲授学科前沿问题，如“碳中和”背景下的风光储混合发电系统优化控制、机器人协同控制等，进行研讨式教学，旨在提升课程的创新性，培养学生多学科交叉融合的综合能力。

4.课程思政。将课程思政贯穿整个教学过程，使学生夯实基础、知行合一、践行绿色发展，学以报国。团队经过多年的探索，结合专业课的特点、思维方法和价值理念，深入挖掘专业知识背后的思政元素，使其在教材建设过程中达到“盐溶于水”的效果。具体通过以下两大路径实现：（1）充分挖掘课程在系统控制思想和方法上的辩证唯物主义世界观和方法论，使课程思政贯穿课堂教学始终；（2）在实验过程中，通过选取工程热点和学科前沿问题，帮助学生树立严谨的科学作风和理论联系实际的工程观点，增强其获得感与专业自信心。以控制系统的能控性为例，通过介绍神舟十三号载人飞船与核心舱成功对接和中国首个火星车祝融号成功登陆火星，引出能控性问题，增强学生的专业自信心。为巩固课堂知识，给出学生感兴趣的热点问题作为课后思考题，如多智能體系统的协同控制问题，要求学生课后分组讨论、分析，并在下一节课开始时进行小组汇报。

（三）丰富教学形式，注重学生参与

首先，加大采用实际工程案例和学科前沿问题开展案例驱动教学的力度，从以教为中心向以学为中心转变；采用小组讨论、发表观点、答辩质疑等方式让学生参与教学活动，训练学生的问题解决能力和审辩式思维能力。其次，鼓励学生参与教师的实际科研/工程项目、参加各种科技竞赛，增强学生的获得感。再次，实行全流程过程考核，学生课堂讨论，进行小组互评；设置课堂测验，将结果实时反馈给学生；撰写控制系统设计方案报告，制作PPT、小视频等进行讲解，小组互评。最后，在过程中持续改进。根据上课过程中学生的意见和建议、过程性考核结果等，及时调整教学内容和授课方法，实现在过程中的持续改进。

针对容易混淆的数字孪生和计算机仿真内容，给学生布置课程报告，使其查阅资料、小组讨论、制作PPT并进行课堂讲解，小组之间相互提问打分，计入过程性考核成绩。

（四）优质资源建设，夯实内涵式发展基础

优质资源建设是一流课程建设中的重要一环。课程团队从实体教材、线上资源和工程案例库三方面进行建设，为学生提供优质的学习资源。

1.教材建设。教材作为承载知识的物质载体，是学生获得知识的主要渠道，同时也是教师传授知识的主要媒介。课程组于2003年出版课程的配套教材《控制系统的数字仿真与CAD》，之后进行三次改版，现为《计算机仿真技术与CAD——基于MATLAB的控制系统》，先后入选“十一五”和“十二五”国家级规划教材，且于2012年被出版社评为精品教材和优秀畅销书，先后22次印刷，共发行量63 100册。目前有北京理工大学、深圳大学、南京工业大学等50余所高校选用该教材作为高年级本科生或研究生教材。

2.线上课程建设。自2009年将视频教学资源上传于校“网络教学综合平台”以来，不断进行在线资源优化，2016年入选电子工业出版社“信息技术专业内容资源库建设”项目（慕课）；2019年被认定为山西省精品共享课程，在中国大学MOOC网运行；2020年起与超星合作进行课程的升级录制工作。学生可以提前通过线上资源进行课程内容的预习，做到有重点地听课，提高学习效率。

3.工程案例库建设。与教师科研和地方产业发展相结合，进行工程案例库建设，包括风光储混合系统优化控制、风力发电系统的控制器设计、机器人协同控制等。学生可利用所学基础理论知识解决实际工程问题，践行知行合一。

（五）采用多种考评方式，实现反馈闭环

本课程以“多元化—重过程—考能力”为指导思想，从基础知识、综合能力和价值提升三方面进行考核，增强过程性评价和综合能力评价。

过程性评价包括：网上学习与讨论、在线测试、平时表现、课程作业、小组汇报等环节。课前预习和课堂讨论通过课堂提问或小组讲课的方式体现，要求各小组之间互相评价，提高学生的学习积极性和主观能动性。课堂测验及课后作业在慕课堂反映，采用“学生互评”的方式进行。布置课程报告，考查学生查阅资料和文献综述能力，培养其社会责任感。上机实验从工程案例库中选择实际工程问题，如基于有机朗肯循环烟气余热利用系统的分析与设计，考核方式为学生分组讨论，制定仿真方案，小组制作PPT，学生代表进行报告答辩的方式，综合考查学生理论基础掌握情况与分析解决问题的能力、思维能力与创造能力。通过开展过程性评价，增加了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛，且锻炼了学生的综合能力；任课教师也可及时掌握学生的学习情况，进而适当调整教学计划。

结合本课程的特点，期末考试采用“开卷+机试”的方式，改变以往“死记硬背”的传统考试模式，考题采用标准与非标准相结合、灵活与基础相结合，增加“综合性”“灵活性”题目的比例。题目类型多为主观类题目，试题答案不唯一，激发学生的创新性。判卷完成后向学生反馈考试情况，并进行问卷调查，学生针对考题给出意见和建议，实现持续改进。

结合《太原理工大学自动化专业课程质量保障体系》的要求，建立了“控制系统仿真技术”课程评价与反馈机制。对教学质量采取学生打分、教师自评、同行互评、领导评教的方式。分阶段让学生反映自己上课的体会，对教师的建议及意见，在下一阶段进行改进；教师对自己的教学效果进行反思并填写自评表；教研室教师互相观摩学习并填写评价表；领导巡视听课并填写评价表。教师参考学生的反馈、课程达成度计算结果及同行和领导的课程评价，进行下一轮教学设计，完成持续改进。

结语

根据国家一流本科课程建设的具体要求，本文从教学理念、教学内容、教学方法和教学评价等方面阐述课程团队对“控制系统仿真技术”进行的课程改革，实现了学生主体的转变，根据学生应达到的能力及水平进行教学设计，实现持续改进。课程教学过程与工程实际紧密结合，把工程案例、科研问题的分析贯穿课程各个环节；把产业的前沿技术和实际工程问题带入课堂，引导学生积极思考，激发其创新意识。课堂教学过程遵循“教师引导、学生讨论并发表自己观点、教师答疑”的模式进行。大力实施产教融合，围绕企业的评价及学生校内考核结果，及时更新教学内容和方法，实现学生能力培养的持续改进。采用探究式、论文式、报告答辩式等多元化的过程性评价方法，终结性评价具有挑战性，注重学生综合能力的评价。通过课程改革，学生课程参与度增加，对实际复杂工程问题的建模、分析、设计能力大幅提升；教学团队课程改革意识强烈，收集线上线下教学数据开展教学反思、教学研究和教学改进，在教学过程中不断优化教学设计和实施方式；充分利用信息化手段开展讨论式教学，提升课程的高阶性和创新性，培养学生的综合能力。

参考文献

［1］阚秀，李媛媛，罗晓，等.MATLAB在控制系统教学中的应用探讨［J］.科教导刊（中旬刊），2017（23）：99-100.

［2］褚菲，叶宾.对高校控制系统计算机仿真课程教学改革的思考［J］.才智，2017（9）：136.

［3］张悦，周建新，张瑞成，等.“控制系统仿真”课程改革与实践［J］.电气电子教学学报，2019，41（6）：61-65.

［4］裴惠琴，赖强.面向创新能力培养的《Matlab与控制系统仿真》课程教学改革探究［J］.教育教学论坛，2018（39）：105-106.

［5］梁皓澜，叶春晓，刘波，等.提升“MATLAB与系统仿真”课程教学效果的探索［J］.科教导刊（上旬刊），2020（22）：124-125.

［6］李建强，蔡光明，柯贵珍，等.国家一流课程“纺织材料学”融入课程思政的教学改革及实践［J］.服饰导刊，2021，10（2）：1-5.

［7］姜艳，王笑峰，孟凡香.水利类专业一流本科课程建设研究与实践：以“结构力学”课程为例［J］.黑龙江教育（高教研究与评估），2022（2）：27-29.

［8］杨叶菊，程娟.“两性一度”导向下的高校金课建设探索［J］.产业与科技论坛，2022，21（3）：97-98.

［9］卢慧，巩政，赵俊峰.学生为中心的大学计算机混合式一流课程建设［J］.计算机教育，2022（4）：124-128.

Construction of Simulation Technology of Control System under the Background of the

First-class Course

REN Mi-feng， LI Guo-yong， YAN Gao-wei， FANG Ya-ling， CHENG Lan

（College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan，

Shanxi 030024， China）

Abstract：In order to solve the problems of “emphasizing intellectual education instead of moral education”， “valuing knowledge over ability”， “teacher-centered instead of student-centered” and “pay more attention to the results not the process”， a novel “four in one” educational idea is proposed based on the requirements of the first-class course. The content focuses on student development， aims for capacity cultivating， to enhance the course construction， and guarantee the continuous improvement. Discipline-specific knowledge， engineering knowledge， ability elements and ideological and political qualities are fused to realize the unity of knowledge transfer， value shaping and ability cultivation. The ideological education is infiltrated from various aspects such as promoting national pride， enhancing the sense of responsibility to serve the country through scientific research， and improving the recognition of professionalism. Topical engineering issues and cutting-edge developments in the discipline are integrated with course knowledge. Mathematical thinking is used to dig deeper into the principles behind knowledge to develop students?problem-solving skills. Course content and classroom organization form are adjusted to realize student-centered mode. By Increasing the proportion of process assessment， the accurate student-centered teaching has been achieved. Through the curriculum reform， the students advanced abilities have been effectively improved， and the curriculum and teaching team construction have achieved fruitful results.

Key words： first-class course; Simulation Technology of Control System; course construction; continuous improvement