《控制系統(tǒng)仿真課程設計》改革與實踐

姜文娟 孟杰 顧大可 馬樂

摘要：在新工科和工程認證背景下對我校自動化專業(yè)《控制系統(tǒng)仿真課程設計》進行改革，在2017級和2018級學生實踐證明，改革后的課程設計內容具有更強的挑戰(zhàn)度、高階性和創(chuàng)新性，教學模式的改變有效地拓展了學生的設計時間，細致化的過程考核形成對課程目標強有力的支撐，培養(yǎng)了學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力，符合新工科和工程認證背景下對人才的需求。

關鍵詞：控制系統(tǒng)仿真;課程設計;新工科;工程認證

課程設計旨在加強學生對本課程及相關課程理論及專業(yè)知識的理解和掌握，訓練并提高其在理論計算、結構設計、工程繪圖、資料文獻查閱、運用相關標準與規(guī)范及計算機應用等方面的能力;同時，為其他專業(yè)課程的學習和畢業(yè)設計（論文）奠定良好的基礎。

《控制系統(tǒng)仿真課程設計》是我校自動化專業(yè)重要的專業(yè)課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識對電力等工業(yè)中的復雜工程問題進行建模，并能夠對復雜工程問題進行分析和設計，能夠對分析和計算結果進行評價，并理解其局限性。

隨著新工科教育和工程教育認證的推進，各高校也嘗試對課程設計進行改革。針對課程設計教學改革，早期研究主要集中在課程設計教學體系的建設、設計內容及教學方法等方面。華南理工大學能源與動力工程專業(yè)基于“新工科”理念對鍋爐原理課程設計進行改革和探索，著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力;電子科技大學網絡工程專業(yè)著重于多元化考核模式的改革;華北水利水電大學測控技術與儀器專業(yè)和企業(yè)合作，探索出校企合作完成課程設計的思路;武漢大學計算機學院對競賽獲獎案例進行逆向拆解，由教師整合成學生可實操的課程設計課題。

本文在分析我校自動化專業(yè)《控制系統(tǒng)仿真課程設計》存在問題的基礎上，提出了相應的改革措施，并實施，做到持續(xù)改進，提高課程設計的質量，滿足新工科和工程認證標準要求。

一、存在問題分析

我校自動化專業(yè)是國家一流專業(yè)建設點、國家級特色專業(yè)和吉林省品牌專業(yè)，通過了工程教育專業(yè)認證。自動化專業(yè)2018版培養(yǎng)方案的《控制系統(tǒng)仿真課程設計》源于2014版培養(yǎng)方案中的《專業(yè)方向課程設計》。2014版《專業(yè)方向課程設計》是自動化專業(yè)的重要的專業(yè)課程設計，安排在第七學期末，為時3周，主要包含四個方向：集散控制系統(tǒng)方向、過程控制方向、計算機控制系統(tǒng)方向和控制系統(tǒng)仿真方向，每個學生選擇其中一個方向即可。在近幾年的畢業(yè)設計指導過程中發(fā)現(xiàn)自動化專業(yè)學生的控制系統(tǒng)仿真部分欠缺，并考慮到集散控制系統(tǒng)、過程控制、計算機控制系統(tǒng)三個方向在對應的課程結束后均設置了相應的課程設計，因此在2018版培養(yǎng)方案中，自動化專業(yè)將《專業(yè)方向課程設計》更改為《控制系統(tǒng)仿真課程設計》，設計周數(shù)改為2周。原來的控制系統(tǒng)仿真方向主要依托《自動控制原理》《現(xiàn)代控制理論》和《控制系統(tǒng)CAD及計算機仿真》課程，利用Matlab軟件進行仿真分析和設計，培養(yǎng)方案修訂后《控制系統(tǒng)仿真課程設計》擬在原來控制系統(tǒng)仿真方向的基礎上進行改革。

目前存在的主要問題有：

（一）選題陳舊、數(shù)量少

控制系統(tǒng)仿真方向提供6個題目供學生選擇，題目多年來一直在使用，雖然中間有所調整，但已經不能滿足時代發(fā)展的需求和對學生能力培養(yǎng)的需求;多個課程設計選題可通過網絡查閱到大量的相關資料，只要按照參考資料上的步驟做，就能完成課程設計任務，學生的創(chuàng)新設計思維和能力得不到發(fā)揮，更不能體現(xiàn)學生的個性化和差異化設計;

（二）設計內容簡單

課程設計內容缺乏針對復雜工程問題的設計，設計內容較為簡單，不能有效提高學生解決復雜工程問題的能力;課程設計方案缺乏對非技術因素的考慮，不能有針對性地應用相關知識評價這些因素對設計方案的影響，學生的工程能力和職業(yè)素養(yǎng)得不到很好的培養(yǎng);

（三）教學模式單一

由于上述（1）和（2）存在的問題，傳統(tǒng)的單一設計模式下，學生課程設計集中在2周進行，學生自主探索和創(chuàng)新設計的時間少，抑制了學生自主學習能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);

（四）考核過程粗糙

課程設計考核過程簡單，考核標準不細致，考核方式對課程目標和畢業(yè)要求的支撐不高，不能很好地反映學生的能力和水平。

針對上述存在的問題，課題組按照工程教育專業(yè)認證要求、遵循新工科的發(fā)展方向和需求、以市場和企業(yè)需求為導向，主要針對課程設計選題、課程設計內容、課程設計指導、課程設計評價等方面進行改革，提升教師的實踐指導能力，推動實踐教學環(huán)節(jié)質量的提高和學生能力的培養(yǎng)。

二、課程設計改革

（一）制定合理的課程目標

制定了合理的課程目標，課程目標對畢業(yè)要求的支撐程度更強。課程目標的評價項目更加細致，評價項目對課程目標形成強有力的支撐。

（二）豐富課程設計選題

拓寬選題范圍，豐富選題內容。課程組教師均具有博士學位，具有豐富的工程實踐經驗，課程組鼓勵老師將自己科研課題的部分內容作為課程設計選題。例如，教師的“電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制”等縱向課題或橫向課題部分內容作為選題。

（三）深化課程設計內容

在新工科建設和工程教育專業(yè)認證背景下，加大課程設計的挑戰(zhàn)度、高階性和創(chuàng)新性，將課程設計建設成具有“兩度一性”的“金課”，需要學生“跳一跳”才能夠得著，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。同時考慮社會、安全、法律等因素的影響，培養(yǎng)學生工程意識和職業(yè)道德。

（四）改革課程設計教學模式

探索培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力的途徑。改變以往課程設計集中2周進行的方式，提前將課程設計題目和要求發(fā)放給學生，提前進行資料的查閱、方案的設計等工作，提高學生自主學習能力，激發(fā)創(chuàng)新思維。

（五）完善課程設計考核方式

制定合理的考核方式，完善過程化考核和多元化考核?？己嗽u價環(huán)節(jié)貫穿課程設計全過程，多元化考核全面反映學生能力。

三、課程設計實施

2017級《控制系統(tǒng)仿真課程設計》共2周，經課程組討論，從知識、素質和能力3個方面制定了課程設計目標，撰寫了課程設計內容和設計要求，完善了課程目標與評價依據(jù)占比關系表、考核方式和評價要求等相關內容。

針對原來的控制系統(tǒng)仿真方向的6個題目（串聯(lián)校正裝置的設計、利用雙線性變換求其離散傳遞函數(shù)、恒溫箱溫度PID控制器的設計、線性定常系統(tǒng)能控能觀和穩(wěn)定性分析、線性定常系統(tǒng)狀態(tài)響應及輸出響應的測量、線性定常系統(tǒng)狀態(tài)反饋及狀態(tài)觀測器設計）存在的問題，要求教師根據(jù)教學大綱結合自身科研項目擬定課程題目，設計內容能培養(yǎng)學生利用學過的《自動控制原理》《現(xiàn)代控制理論》等相關知識分析復雜工程問題的能力，同時設計內容應具有一定的挑戰(zhàn)度、高階性和創(chuàng)新性。經教師擬定提交課程組審核后，確定8個題目作為2017級《控制系統(tǒng)仿真課程設計》題目，完善了課程設計任務書和指導書，8個題目如下：典型伺服系統(tǒng)PID控制器設計及仿真、直流電機控制器的設計及仿真、雙容水箱液位PID控制器的設計及仿真、循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器的設計（工況1）、鍋爐溫度數(shù)據(jù)驅動建模及仿真、循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器的設計（工況2）、單容水箱液位控制系統(tǒng)建模與仿真、倒立擺控制系統(tǒng)的設計與仿真。

2017級《控制系統(tǒng)仿真課程設計》每個題目突出了復雜工程問題的建模、系統(tǒng)分析和控制器設計等知識，能夠支撐課程目標和畢業(yè)要求的達成。課程設計題目在正式設計的前一周周三發(fā)給學生，并向學生說明每個題目的任務和要求，激發(fā)了學生學習的熱情;合理安排了中期檢查和答疑時間，學生的課程設計順利完成，達成了課程設計目標和畢業(yè)要求。

2017級課程設計結束后，課程組進行總結，凸顯問題，保持優(yōu)勢：（1）部分課程設計題目在網上能找到比較詳細的參考資料，影響了學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng);（2）在進行課程目標達成性評價時，發(fā)現(xiàn)課程目標評價環(huán)節(jié)還不夠細致，評價環(huán)節(jié)對課程目標的支撐力度不夠;（3）教學模式的改革能更有效地促進學生的學習積極性，激發(fā)學生創(chuàng)新性。

針對上述問題，課程組對2018級《控制系統(tǒng)仿真課程設計》進行持續(xù)改進：（1）題目在2017級的基礎上，課程組老師結合自己科研項目進行更新，或者題目不變加深課程設計內容。更新題目為題目2：中央空調冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的專家PID控制、題目3：鍋爐蒸汽壓力控制系統(tǒng)串級PID控制器設計、題目6：基于時間最優(yōu)控制的起重機防擺控制的設計，題目4加深了設計內容，更新率達到50%，更能激發(fā)學生的學習潛能和創(chuàng)新思維。（2）進一步細化了課程設計過程化考核的評價項目，明確了對非技術性指標的評價，更充分的支撐課程目標的達成。（3）課程設計提前一周動員，題目提前一周發(fā)給學生，有效地拓展了課程設計時間，充分調動廣大學生學習的熱情，激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維。

四、結語

在新工科和工程認證背景下，以我校自動化專業(yè)《控制系統(tǒng)仿真課程設計》為例，對其進行改革，明確了課程目標、豐富了設計選題、深化了設計內容、改進了教學模式、細化了考核環(huán)節(jié)。實踐證明改革后的課程設計能夠培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力、創(chuàng)新能力，符合新工科和工程認證背景下對人才的需求。

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