以工程應(yīng)用貫穿教學(xué)全過(guò)程的創(chuàng)新教學(xué)新模式
——“控制系統(tǒng)仿真”本科課程教學(xué)改革實(shí)踐

龔建興，白圣建，李興瑋，鄭永斌

（國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

引言

“控制系統(tǒng)仿真”本科課程是一門(mén)理論與工程實(shí)踐聯(lián)系非常緊密的技術(shù)基礎(chǔ)課，以培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力為指導(dǎo)原則，以學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的仿真技術(shù)與手段、培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)為目的［1］。通過(guò)對(duì)“控制系統(tǒng)仿真”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠比較深入、系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)仿真的基本概念、基本理論、基本方法；對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和研究中應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)的一般過(guò)程、方法和關(guān)鍵技術(shù)，有較好的理解和認(rèn)識(shí)；初步具有應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和研究的能力；具有應(yīng)用仿真理論去分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，綜合集成解決實(shí)際系統(tǒng)問(wèn)題的能力。

“控制系統(tǒng)仿真”課程的現(xiàn)行教學(xué)模式上存在一定的問(wèn)題。首先，就教學(xué)方法而言，該課程的教學(xué)目前停留在傳統(tǒng)的教學(xué)理念上，教學(xué)方法和手段相對(duì)單一。這種情況沒(méi)有緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展的腳步，也沒(méi)有跟上教學(xué)改革的時(shí)代潮流［2］。其次，系統(tǒng)仿真是一門(mén)具有很強(qiáng)實(shí)踐性的綜合性新興學(xué)科，“控制系統(tǒng)仿真”課程作為其主要核心課程，自然也應(yīng)該非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉，但該課程目前的教學(xué)模式依然嚴(yán)重缺乏這方面的實(shí)踐內(nèi)容［3］。最后，與現(xiàn)行教學(xué)模式配套的幾個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)都是獨(dú)立的、沒(méi)有任何聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型，使得學(xué)生“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”，無(wú)法從整體上把握該門(mén)課程。

一、教學(xué)改革的創(chuàng)新思路

在“控制系統(tǒng)仿真”課程的多年教學(xué)實(shí)踐中，我們逐步意識(shí)到：該課程的教學(xué)應(yīng)該更加強(qiáng)調(diào)與真實(shí)控制系統(tǒng)的具體結(jié)合；應(yīng)該把課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（Project）作為三個(gè)同等重要的教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)對(duì)待；應(yīng)該在教材與教學(xué)輔助資料建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)等三個(gè)方面協(xié)調(diào)規(guī)劃、共同推進(jìn)。

（一）強(qiáng)調(diào)與“控制系統(tǒng)”的緊密結(jié)合，增強(qiáng)對(duì)研究對(duì)象的認(rèn)識(shí)

“控制系統(tǒng)仿真”課程應(yīng)該強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容與研究對(duì)象的緊密結(jié)合，讓學(xué)生明白到底什么是控制系統(tǒng)，我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的控制系統(tǒng)是什么樣子的。為了增強(qiáng)對(duì)研究對(duì)象的感性認(rèn)識(shí)，筆者增設(shè)了有關(guān)章節(jié)內(nèi)容，對(duì)典型控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

（二）將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)融為一體，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉

從培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目標(biāo)出發(fā)，把理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和解決實(shí)際問(wèn)題的訓(xùn)練［4］。實(shí)踐教學(xué)要從改變傳統(tǒng)的教學(xué)理念出發(fā)，要強(qiáng)調(diào)懂得工程問(wèn)題的能力，要把運(yùn)用各種現(xiàn)代工具針對(duì)實(shí)際問(wèn)題建立和校核模型的能力、設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能力、分析和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力等都作為重要的培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。

（三）結(jié)合具體的應(yīng)用實(shí)例和科研項(xiàng)目，突出軍事應(yīng)用的特色

眾所周知，榜樣的力量是無(wú)窮的，因此，我們結(jié)合科研項(xiàng)目的實(shí)例來(lái)開(kāi)展教學(xué)［6］。讓學(xué)生從這些科研實(shí)例中感受仿真技術(shù)的巨大作用。從軍事應(yīng)用角度出發(fā)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（四）嘗試以一個(gè)典型工程應(yīng)用為例子，貫穿課程教學(xué)全過(guò)程

嘗試以一個(gè)脫密的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)和完善，將“控制系統(tǒng)仿真”課程的各章內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有效連接和貫通，使課程實(shí)踐活動(dòng)貫穿課程教學(xué)全過(guò)程，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉，集中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［7］。

二、教學(xué)改革的實(shí)施方案

（一）以典型導(dǎo)彈系統(tǒng)工程應(yīng)用為背景，構(gòu)建創(chuàng)新的教學(xué)模式

“控制系統(tǒng)仿真”的主要內(nèi)容包括七個(gè)章節(jié)的內(nèi)容：《緒論》《模型處理技術(shù)》《連續(xù)系統(tǒng)數(shù)值積分仿真方法》《連續(xù)系統(tǒng)模型的離散化處理方法》《面向結(jié)構(gòu)圖的仿真方法和仿真軟件》《采樣控制系統(tǒng)仿真》《實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真》等。其中，《緒論》部分主要介紹仿真的一些基本概念；《模型處理技術(shù)》部分主要介紹控制系統(tǒng)模型之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；《實(shí)時(shí)半實(shí)物仿真》部分主要介紹半實(shí)物仿真的基本概念和半實(shí)物仿真系統(tǒng)的組成、主要設(shè)備、實(shí)時(shí)特性等。其余四章是本課程的主要內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)。

筆者嘗試以一個(gè)脫密的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，在此基礎(chǔ)上對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，將教學(xué)方案中“控制系統(tǒng)仿真”課程的其余四章內(nèi)容、各個(gè)知識(shí)點(diǎn)、各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有效連接和貫通，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉，集中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

具體來(lái)說(shuō)，把這個(gè)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)作為一個(gè)Project（項(xiàng)目設(shè)計(jì)）環(huán)節(jié)來(lái)規(guī)劃，在課程的最后由學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐?？紤]到一個(gè)Project一次性實(shí)現(xiàn)的難度較大，可從中分離出四個(gè)獨(dú)立的小實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)各章的教學(xué)內(nèi)容。這四個(gè)小實(shí)驗(yàn)都?xì)w屬于這個(gè)Project，是其有效的一部分，可與教學(xué)內(nèi)容同步進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與教學(xué)內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。課后的Project環(huán)節(jié)，可作為大作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，將各章內(nèi)容有效連接。

圖1 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的實(shí)例Project與各章實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系

（二）立足各類(lèi)教學(xué)和科研的試驗(yàn)條件，建立完善的試驗(yàn)體系

具體依托學(xué)院現(xiàn)有的精確制導(dǎo)方向的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室和控制技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)室，并新建部分配套試驗(yàn)環(huán)境，形成完善的試驗(yàn)體系。其中，新建部分配套試驗(yàn)環(huán)境需要開(kāi)發(fā)如下的4項(xiàng)共性投資試驗(yàn)環(huán)節(jié)，它們主要是通用導(dǎo)彈實(shí)例的設(shè)計(jì)內(nèi)容，具體見(jiàn)表1。相應(yīng)地，需要開(kāi)發(fā)試驗(yàn)環(huán)節(jié)原理樣機(jī)共5套，具體見(jiàn)表2。

表1 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例開(kāi)發(fā)的共性投資試驗(yàn)環(huán)節(jié)

表2 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實(shí)例試驗(yàn)環(huán)節(jié)原理樣機(jī)

考慮到建設(shè)成本的限制，“控制系統(tǒng)仿真”課程最后的集成仿真環(huán)境不考慮半實(shí)物仿真的形式，而是建設(shè)成純數(shù)學(xué)仿真的形式，這樣可以節(jié)約三軸轉(zhuǎn)臺(tái)等半實(shí)物仿真設(shè)備的大額開(kāi)支。針對(duì)“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)試驗(yàn)環(huán)節(jié)配備了20套左右的獨(dú)立試驗(yàn)單元，可以提供20人同時(shí)進(jìn)行小班試驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)。

項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容全面覆蓋教學(xué)方案中“控制系統(tǒng)仿真”課程的試驗(yàn)環(huán)節(jié)。該綜合試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)完成后，能完全針對(duì)教學(xué)方案中“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，這些教學(xué)試驗(yàn)環(huán)節(jié)都是一個(gè)脫密并改進(jìn)的完整的某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的一部分。當(dāng)該課程全部學(xué)習(xí)完畢后，再經(jīng)過(guò)該脫密并改進(jìn)的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的全系統(tǒng)純數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)的集中鍛煉，可將各知識(shí)內(nèi)容有效連接和貫通。

（三）開(kāi)展課堂演示和例證的討論環(huán)節(jié)，實(shí)施互動(dòng)式教學(xué)改革

在教學(xué)方法上，實(shí)施互動(dòng)式課堂教學(xué)方法改革，設(shè)立課堂的討論環(huán)節(jié)［8］。對(duì)于學(xué)生有一定認(rèn)識(shí)的問(wèn)題，我們以問(wèn)題做引導(dǎo)，開(kāi)展Classroom Demonstration環(huán)節(jié)，使學(xué)生展開(kāi)討論，加強(qiáng)師生互動(dòng)交流，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，催生學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而提高其對(duì)問(wèn)題的理解和重視程度，避免枯燥的講述［9］。

（四）自編系統(tǒng)的專(zhuān)用教材和輔助資料，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的教材

自編系統(tǒng)的、更有針對(duì)性的“控制系統(tǒng)仿真”專(zhuān)用教材，在其中增設(shè)《各類(lèi)控制系統(tǒng)》一章。制作配套的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件，幫助學(xué)生快速掌握相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。引進(jìn)原版經(jīng)典英文教材Theory of Modeling and Simulation等作為參考書(shū)。編寫(xiě)《控制系統(tǒng)仿真典型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》《控制系統(tǒng)仿真Project設(shè)計(jì)》等一系列輔助教學(xué)資料。

（五）積極跟蹤當(dāng)前學(xué)術(shù)發(fā)展前沿進(jìn)展，嘗試進(jìn)行雙語(yǔ)教學(xué)

準(zhǔn)備嘗試進(jìn)行雙語(yǔ)教學(xué)。在課程講授過(guò)程中，緊密結(jié)合仿真技術(shù)的發(fā)展前沿，介紹有關(guān)仿真技術(shù)方面的技術(shù)熱點(diǎn)；收集最新的外文技術(shù)資料，并把部分特別重要的外文資料布置成學(xué)生的翻譯作業(yè)［10］。

（六）關(guān)注學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)，改革課程考核的方式

在考核上，采取課堂研討、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、平時(shí)作業(yè)、Project設(shè)計(jì)、期末考試等相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)手段。具體的課程考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 課程考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

（七）增設(shè)去外協(xié)單位的參觀學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)

由于與市內(nèi)外協(xié)單位進(jìn)行科研合作已有二十多年，一直參與該單位項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)區(qū)的總體論證、項(xiàng)目申請(qǐng)、設(shè)計(jì)評(píng)審等相關(guān)工作，因此與該單位有著良好的合作關(guān)系，也非常了解該單位實(shí)驗(yàn)區(qū)仿真環(huán)境的技術(shù)狀態(tài)。所以，在教學(xué)過(guò)程中可以分步驟落實(shí)去該單位實(shí)驗(yàn)區(qū)參觀學(xué)習(xí)的具體事宜。

結(jié)語(yǔ)

以上是我們?cè)诮虒W(xué)工作中摸索和總結(jié)出來(lái)的一些想法和改革措施，筆者已經(jīng)嘗試多年，并在繼續(xù)細(xì)化和探索中。應(yīng)該說(shuō)，這種通過(guò)一個(gè)典型工程應(yīng)用的例子，將一門(mén)課程中所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行全面的運(yùn)用、復(fù)習(xí)、總結(jié)的舉措對(duì)于學(xué)生從全局角度把握這門(mén)課程、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力具有不可估量的影響，其效益是長(zhǎng)期的、深遠(yuǎn)的。