鄭一力 趙燕東

北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083

控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學(xué)改革與實(shí)踐

鄭一力 趙燕東

北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083

基于工科研究生培養(yǎng)需求和課程特點(diǎn)，對控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐方法以及考核方法進(jìn)行了改革與實(shí)踐。引入國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)素材，采用問題導(dǎo)向式的案例教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生解決問題，應(yīng)用翻轉(zhuǎn)式教學(xué)方式培養(yǎng)了學(xué)生綜合能力，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，并改革綜合考試體系。實(shí)踐結(jié)果表明，改革促進(jìn)了研究生對該課程學(xué)習(xí)的主動性，有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和表達(dá)能力。

控制系統(tǒng)仿真；案例教學(xué)；翻轉(zhuǎn)課堂

控制系統(tǒng)數(shù)字仿真是控制工程、機(jī)械工程等專業(yè)研究生的主要課程之一。該課程采用講課和實(shí)踐相結(jié)合的方式，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)數(shù)字仿真理論、設(shè)計方法和實(shí)現(xiàn)方法，能夠通過計算機(jī)仿真手段分析和設(shè)計控制系統(tǒng)，為學(xué)生從事控制相關(guān)領(lǐng)域的研究和工作打下良好的基礎(chǔ)[1,2]。

本文在分析北京林業(yè)大學(xué)控制系統(tǒng)數(shù)字仿真研究生課程教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合林業(yè)院校研究生的特點(diǎn)和科研課題，重點(diǎn)探討了控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐方法以及考核方法的改革實(shí)踐，重點(diǎn)突出對研究生的動手能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、表達(dá)能力和工程意識的培養(yǎng)，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的科研和工程綜合實(shí)踐素質(zhì)。

1 課程教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)

控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的課程為32學(xué)時，主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本方法、控制系統(tǒng)的時域和頻域仿真方法、控制系統(tǒng)校正與綜合仿真、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析與設(shè)計仿真、非線性控制系統(tǒng)仿真、最優(yōu)控制系統(tǒng)仿真等。其先修課程有自動控制原理、線性控制系統(tǒng)、最優(yōu)控制、非線性控制系統(tǒng)等，學(xué)生需掌握Matlab和Simulink仿真等相關(guān)編程技術(shù)，重點(diǎn)完成基于Matlab的相關(guān)控制系統(tǒng)仿真綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)。該課程具有以下特點(diǎn)。

1.1 實(shí)踐性強(qiáng)和課時較短

研究生在本科階段已經(jīng)學(xué)過了自動控制原理、線性控制系統(tǒng)、過程控制等課程，部分學(xué)生學(xué)習(xí)過最優(yōu)控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)，所以研究生課程不能再以概念和理論為主，而需要在有限的學(xué)時內(nèi)以實(shí)踐和綜合設(shè)計為主。

1.2 研究生課程學(xué)習(xí)與本科生區(qū)別較大

研究生階段學(xué)習(xí)精力主要以完成本人的科研題目為主，與本科生的上課有很大區(qū)別?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真課程需要在較好傳授知識和技能前提下，不能占用研究生較多的科研實(shí)踐時間，最好能與研究生的科研課題結(jié)合，促進(jìn)科研應(yīng)用。

1.3 研究生的綜合素質(zhì)需要通過課程提高

教師授課和學(xué)生聽課的傳統(tǒng)教學(xué)模式無法培養(yǎng)研究生的PPT制作、口頭表達(dá)和動手實(shí)踐能力，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動性較低。同時課程需要與國際化接軌，培養(yǎng)學(xué)生利用標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)英語表述控制工程問題，培養(yǎng)控制相關(guān)論文的英文表達(dá)能力，增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行國際學(xué)術(shù)交流的能力[3]。

2 教學(xué)內(nèi)容和方法改革

2.1 吸收和借鑒國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué) 優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)控制工程等學(xué)科發(fā)展和科研就業(yè)需求變化，調(diào)整和凝練課程內(nèi)容，在提高教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性的前提下，積極探索和擴(kuò)大課程教學(xué)內(nèi)容的深入性和國際前沿性，吸收學(xué)科的科研成果和前沿知識、引進(jìn)國外部分經(jīng)典的教學(xué)素材，如Gene F.Franklin編寫的quot;Feedback Control of Dynamic Systemsquot;，Hassan K.Khali編寫的quot;Nonlinear Systemsquot;，Boris Lurie編寫的quot;Classical Feedback Control: With MATLAB and Simulinkquot;，Katsuhiko Ogata編寫的quot;Matlab for Control Engineersquot;等提高課堂教學(xué)內(nèi)容質(zhì)量，逐步向英文授課過渡，提高學(xué)生的國際化視野，對國內(nèi)一些優(yōu)秀教材選取部分的經(jīng)典章節(jié)進(jìn)行優(yōu)化組合，形成研究生的課堂講義，供研究生課內(nèi)課外學(xué)習(xí)。

2.2 采用問題向?qū)降恼n堂案例教學(xué)

結(jié)合本課程教學(xué)主要以建模仿真分析控制對象的特點(diǎn)，采用問題導(dǎo)向教學(xué)方式[4]，構(gòu)建經(jīng)典控制問題的問題庫，形成與多種媒體有機(jī)結(jié)合的“立體化”課堂教學(xué)體系。目前，根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的主要問題見表1。

表1

表1(續(xù))

問題向?qū)降慕虒W(xué)法強(qiáng)調(diào)研究生的學(xué)習(xí)主體地位，突出問題的目標(biāo)導(dǎo)向性。問題向?qū)降陌咐虒W(xué)過程如圖1所示，課前將4～5人分為一個學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)生在若干經(jīng)典控制案例和問題的驅(qū)動下，在課前通過自主探索和團(tuán)隊協(xié)作，經(jīng)資料查詢、文獻(xiàn)閱讀、視頻觀看、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、編程調(diào)試和制作幻燈片等過程，主動解決所設(shè)計問題完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

圖1 問題向?qū)降陌咐虒W(xué)

2.3 學(xué)生為主體的翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)

研究生階段需要重點(diǎn)培養(yǎng)口頭表達(dá)能力，因此為了調(diào)動研究生的課堂學(xué)習(xí)主動性，嘗試了學(xué)生為主體翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)[5,6]。圖2給出了翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)的過程，課堂上主要由研究生主講課前所解決的各個問題，并完成仿真的操作演示，主講教師不再使用大量的課堂時間來講授知識。研究生講完后由教師引導(dǎo)，以所解決的問題為核心，開展學(xué)生之間和師生之間的知識交流、答疑解惑和科研運(yùn)用等，使課堂氛圍變?yōu)閷W(xué)術(shù)交流，從而使課堂教學(xué)效果更有成效和活力，這種翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)過程有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

圖2 翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)過程

2.4 結(jié)合問題精選仿真實(shí)踐題目 加強(qiáng)上機(jī)操作

在本課程中，將教學(xué)過程分為基礎(chǔ)教學(xué)階段和上機(jī)實(shí)踐階段。每次4個學(xué)時，其中前2.5個學(xué)時完成學(xué)生為主體的翻轉(zhuǎn)式課堂基礎(chǔ)教學(xué)，后1.5個學(xué)時讓學(xué)生每次結(jié)合本次課討論的問題專題，由教師出題完成上機(jī)實(shí)踐操作。在上機(jī)題目選題時，每個問題專題只精選1～2題，要求研究生在課內(nèi)就完成實(shí)踐題目，盡量少占用研究生的科研實(shí)踐時間。為后續(xù)研究生深入科研實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

3 考核方式

本課程考核方式探索了平時課堂內(nèi)成績和課程設(shè)計論文成績相結(jié)合的方式，其中課堂教學(xué)演示和課堂交流表現(xiàn)占50%，考勤占10%，課程設(shè)計論文占40%。其中課程設(shè)計論文在完成控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的基礎(chǔ)教學(xué)階段和上機(jī)實(shí)踐階段后，要求學(xué)生結(jié)合自己的科研或?qū)嵙?xí)工作等選題，結(jié)合課堂上所講述的控制系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)知識，采用Matlab在課余時間完成可現(xiàn)場演示的一個典型控制系統(tǒng)數(shù)字仿真，并完成課程設(shè)計論文，這部分教學(xué)不再集中講授，評分時根據(jù)題目的難度和創(chuàng)新性綜合評價。

4 結(jié)語

實(shí)踐結(jié)果表明，將國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)素材、問題向?qū)桨咐虒W(xué)、翻轉(zhuǎn)式教學(xué)過程、精選仿真實(shí)踐題目和綜合考核體系應(yīng)用在教學(xué)中，使研究生控制系統(tǒng)數(shù)字仿真課程的理論教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)一步緊密結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容和手段，可使研究生能理論聯(lián)系實(shí)際，充分了解一個具體問題從資料查閱、方案論證分析到完成的整個過程。對于培養(yǎng)研究生自學(xué)能力、實(shí)踐能力和表達(dá)能力具有較好的推動作用，為研究生日后的工作和科研實(shí)踐提供了良好的鍛煉機(jī)會和扎實(shí)的技能基礎(chǔ)，這與工科研究生的人才培養(yǎng)目標(biāo)相一致，獲得了較好的課程評價。

[1]王正林,王勝開,陳國順.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].第4版.北京:電子工業(yè)出版社,2017.

[2]王紅梅,邊敦新,邢雪寧.“控制系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)研究與探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2015(4):48-50.

[3]馬靜,馬新慧.自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學(xué)與考試模式改革實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇,2016(44):126-127.

[4]吳愛萍.基于任務(wù)驅(qū)動的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)方法改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(11):57-59.

[5]王力.“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”教學(xué)研究[J].中國電力教育,2013(28):88-89.

[6]劉宏達(dá),張國堃,張文義.基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,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

鄭一力，博士，副教授。

北京林業(yè)大學(xué)2015年研究生課程建設(shè)項目(編號：HXKC15020)。