一流課程背景下“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程建設(shè)

任密蜂 李國勇 閻高偉 房雅靈 程蘭

［摘 要］ 針對重智育輕德育、重知識輕能力、重教師輕學(xué)生和重結(jié)果輕過程四大痛點(diǎn)問題，基于一流課程的建設(shè)要求，提出以學(xué)生發(fā)展為中心、以能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以課程建設(shè)為抓手、以持續(xù)改進(jìn)為保障的“四位一體”教育理念，融合學(xué)科專業(yè)知識、工程情景知識、能力要素和思政素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一。從弘揚(yáng)民族自豪感、增強(qiáng)科研報(bào)國的責(zé)任感、提升專業(yè)認(rèn)可度等多方面進(jìn)行思政教育；將熱點(diǎn)工程問題、學(xué)科前沿動態(tài)等與課程知識相結(jié)合，運(yùn)用數(shù)學(xué)思維深度挖掘知識背后的原理，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力；調(diào)整課程內(nèi)容與課堂組織形式，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生中心地位的轉(zhuǎn)變；加大過程性考核的比例，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的精準(zhǔn)教學(xué)。經(jīng)過課程改革，學(xué)生高階能力有效提升，課程建設(shè)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)成果豐碩。

［關(guān)鍵詞］ 一流課程；控制系統(tǒng)仿真技術(shù)；課程建設(shè)；持續(xù)改進(jìn)

［基金項(xiàng)目］ 2022年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“基于‘兩性一度的控制系統(tǒng)仿真技術(shù)課程改革與建設(shè)”（J20220159）；2021年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“新工科背景下一流本科自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)”（J2021159）；2021年度山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“‘金課背景下基于知識－能力超網(wǎng)絡(luò)的《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程教學(xué)研究”（J2021183）

［作者簡介］ 任密蜂（1985—），女，河北石家莊人，工學(xué)博士，太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事隨機(jī)控制、新能源儲能控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）02-0025-04［收稿日期］ 2022-11-09

一、課程概述

“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”是自動化專業(yè)的專業(yè)特色課程，是控制理論到工程應(yīng)用的“橋梁”，在專業(yè)課程體系中具有重要地位［1-2］。課程融合了MATLAB編程、自動控制原理和現(xiàn)代控制理論等的基礎(chǔ)知識，知識點(diǎn)多而散，是聯(lián)系理論與實(shí)踐的橋梁課程。課程涉及的內(nèi)容體系比較龐大，而教學(xué)時間又相對有限，有必要根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及要求進(jìn)一步整合教學(xué)內(nèi)容，針對性開展課程教改研究［3-5］。

經(jīng)過多年建設(shè)，太原理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）電氣與動力工程學(xué)院“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程組已形成了一支山西省教學(xué)名師領(lǐng)銜、青年博士為骨干的高水平教師隊(duì)伍，課程內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法、考評反饋機(jī)制等日臻完善。通過課程思政的融入，彰顯了課程特色，形成了創(chuàng)新且務(wù)實(shí)的課程構(gòu)架。我?！翱刂葡到y(tǒng)仿真技術(shù)”課程2016年入選電子工業(yè)出版社慕課視頻課程建設(shè)項(xiàng)目，2019年被認(rèn)定為省一流本科課程。本課程培養(yǎng)學(xué)生在解決工程問題時的建模、仿真、分析及設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一。一是在知識方面，掌握控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、模型求解、動態(tài)特性分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等理論知識與方法；掌握數(shù)學(xué)模型、求解方法的計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)方法。二是在能力方面，學(xué)生能夠針對實(shí)際工程和學(xué)科前沿等問題，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作、利用所學(xué)知識，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，制訂多種仿真方案，對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)；能撰寫報(bào)告，對控制方案進(jìn)行講解、辯論，發(fā)表觀點(diǎn)。三是在價值方面，具備大膽質(zhì)疑、知行合一的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識，具有科研報(bào)國的社會責(zé)任感。

二、“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程教學(xué)中存在的主要問題

“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”的授課對象為自動化專業(yè)三年級本科生，現(xiàn)有的教學(xué)計(jì)劃總學(xué)時32學(xué)時，其中理論授課20學(xué)時，上機(jī)實(shí)驗(yàn)12學(xué)時。根據(jù)課程組多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出該課程實(shí)施過程中主要存在以下問題：（1）課堂教學(xué)重智育輕德育。以往的教學(xué)過程中教師往往只注重知識傳遞，忽略了社會主義核心價值觀的塑造，沒有充分調(diào)動學(xué)生的專業(yè)自信心和學(xué)以報(bào)國的激情。（2）教學(xué)內(nèi)容重知識輕能力。教學(xué)內(nèi)容主要為教材的基本理論知識點(diǎn)，深度和廣度不夠；學(xué)生不具備針對實(shí)際工程問題基于控制理論運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)的能力。（3）教學(xué)方法重教師輕學(xué)生。傳統(tǒng)的教師講授、學(xué)生被動接受的課堂教學(xué)模式，學(xué)生參與感較低，注意力不容易集中。（4）課程考核重結(jié)果輕過程。傳統(tǒng)考核以期末考試為主，缺少對學(xué)生的過程性評價；考試題目多為課本理論知識，缺乏對綜合能力的評價。

一流課程的評價標(biāo)準(zhǔn)是“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度［6-8］，其在建設(shè)過程中應(yīng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)以教師為中心向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變［9］、以考試為中心向以學(xué)習(xí)為中心轉(zhuǎn)變，倡導(dǎo)立德樹人，加強(qiáng)課程思政建設(shè)，培養(yǎng)全面發(fā)展的綜合素質(zhì)人才。

三、一流課程背景下的教學(xué)改革與實(shí)踐

結(jié)合國家一流本科課程建設(shè)及專業(yè)認(rèn)證的要求，在“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)下，我校針對“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行了改革。

（一）改進(jìn)教學(xué)理念

“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程涉及的知識點(diǎn)繁雜，且對學(xué)生動手能力要求較高，傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)方法無法達(dá)到國家一流本科課程的要求，學(xué)生的能力、素質(zhì)無法得到提升。因此，課程組轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，形成以學(xué)生發(fā)展為中心，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以課程建設(shè)為抓手，以持續(xù)改進(jìn)為保障的“四位一體”教學(xué)理念實(shí)現(xiàn)學(xué)生主體的轉(zhuǎn)變，考慮學(xué)生多樣化學(xué)習(xí)需要和多元發(fā)展路徑，基于學(xué)生自主建構(gòu)知識的理念設(shè)計(jì)課程教學(xué)。將優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和學(xué)科前沿課題上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，并在討論區(qū)設(shè)置問題，學(xué)生在線預(yù)習(xí)，并將疑難問題反饋給教師，供課堂重點(diǎn)講授。通過對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的達(dá)成情況和學(xué)校督導(dǎo)組的教學(xué)評價，及時改進(jìn)教育教學(xué)活動，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

（二）重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容

為解決較多的教學(xué)內(nèi)容與較少的學(xué)時數(shù)之間的矛盾，且滿足一流課程的“兩性一度”要求，課程組對“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，主要包括以下四部分。

1.基礎(chǔ)知識?；谧跃幘方滩?、自制MOOC視頻和國家精品課程等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的建模求解、分析系統(tǒng)動態(tài)特性、控制器設(shè)計(jì)方法等，將知識點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生學(xué)會系統(tǒng)地分析、解決問題。

2.工程案例。課程團(tuán)隊(duì)收集相關(guān)實(shí)際工程案例制作案例庫，采用案例驅(qū)動教學(xué)。旨在擴(kuò)展課程內(nèi)容、深化課程難度，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的綜合能力和高級思維，增加產(chǎn)教融合項(xiàng)目的開展，真正做到知行合一。

3.學(xué)科前沿。以教師科研為依托，將最新研究成果與課程知識點(diǎn)相結(jié)合，講授學(xué)科前沿問題，如“碳中和”背景下的風(fēng)光儲混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化控制、機(jī)器人協(xié)同控制等，進(jìn)行研討式教學(xué)，旨在提升課程的創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合的綜合能力。

4.課程思政。將課程思政貫穿整個教學(xué)過程，使學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)、知行合一、踐行綠色發(fā)展，學(xué)以報(bào)國。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的探索，結(jié)合專業(yè)課的特點(diǎn)、思維方法和價值理念，深入挖掘?qū)I(yè)知識背后的思政元素，使其在教材建設(shè)過程中達(dá)到“鹽溶于水”的效果。具體通過以下兩大路徑實(shí)現(xiàn)：（1）充分挖掘課程在系統(tǒng)控制思想和方法上的辯證唯物主義世界觀和方法論，使課程思政貫穿課堂教學(xué)始終；（2）在實(shí)驗(yàn)過程中，通過選取工程熱點(diǎn)和學(xué)科前沿問題，幫助學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀點(diǎn)，增強(qiáng)其獲得感與專業(yè)自信心。以控制系統(tǒng)的能控性為例，通過介紹神舟十三號載人飛船與核心艙成功對接和中國首個火星車祝融號成功登陸火星，引出能控性問題，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)自信心。為鞏固課堂知識，給出學(xué)生感興趣的熱點(diǎn)問題作為課后思考題，如多智能體系統(tǒng)的協(xié)同控制問題，要求學(xué)生課后分組討論、分析，并在下一節(jié)課開始時進(jìn)行小組匯報(bào)。

（三）豐富教學(xué)形式，注重學(xué)生參與

首先，加大采用實(shí)際工程案例和學(xué)科前沿問題開展案例驅(qū)動教學(xué)的力度，從以教為中心向以學(xué)為中心轉(zhuǎn)變；采用小組討論、發(fā)表觀點(diǎn)、答辯質(zhì)疑等方式讓學(xué)生參與教學(xué)活動，訓(xùn)練學(xué)生的問題解決能力和審辯式思維能力。其次，鼓勵學(xué)生參與教師的實(shí)際科研/工程項(xiàng)目、參加各種科技競賽，增強(qiáng)學(xué)生的獲得感。再次，實(shí)行全流程過程考核，學(xué)生課堂討論，進(jìn)行小組互評；設(shè)置課堂測驗(yàn)，將結(jié)果實(shí)時反饋給學(xué)生；撰寫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案報(bào)告，制作PPT、小視頻等進(jìn)行講解，小組互評。最后，在過程中持續(xù)改進(jìn)。根據(jù)上課過程中學(xué)生的意見和建議、過程性考核結(jié)果等，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和授課方法，實(shí)現(xiàn)在過程中的持續(xù)改進(jìn)。

針對容易混淆的數(shù)字孿生和計(jì)算機(jī)仿真內(nèi)容，給學(xué)生布置課程報(bào)告，使其查閱資料、小組討論、制作PPT并進(jìn)行課堂講解，小組之間相互提問打分，計(jì)入過程性考核成績。

（四）優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)，夯實(shí)內(nèi)涵式發(fā)展基礎(chǔ)

優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)是一流課程建設(shè)中的重要一環(huán)。課程團(tuán)隊(duì)從實(shí)體教材、線上資源和工程案例庫三方面進(jìn)行建設(shè)，為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源。

1.教材建設(shè)。教材作為承載知識的物質(zhì)載體，是學(xué)生獲得知識的主要渠道，同時也是教師傳授知識的主要媒介。課程組于2003年出版課程的配套教材《控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真與CAD》，之后進(jìn)行三次改版，現(xiàn)為《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD——基于MATLAB的控制系統(tǒng)》，先后入選“十一五”和“十二五”國家級規(guī)劃教材，且于2012年被出版社評為精品教材和優(yōu)秀暢銷書，先后22次印刷，共發(fā)行量63 100冊。目前有北京理工大學(xué)、深圳大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等50余所高校選用該教材作為高年級本科生或研究生教材。

2.線上課程建設(shè)。自2009年將視頻教學(xué)資源上傳于?！熬W(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺”以來，不斷進(jìn)行在線資源優(yōu)化，2016年入選電子工業(yè)出版社“信息技術(shù)專業(yè)內(nèi)容資源庫建設(shè)”項(xiàng)目（慕課）；2019年被認(rèn)定為山西省精品共享課程，在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)運(yùn)行；2020年起與超星合作進(jìn)行課程的升級錄制工作。學(xué)生可以提前通過線上資源進(jìn)行課程內(nèi)容的預(yù)習(xí)，做到有重點(diǎn)地聽課，提高學(xué)習(xí)效率。

3.工程案例庫建設(shè)。與教師科研和地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，進(jìn)行工程案例庫建設(shè)，包括風(fēng)光儲混合系統(tǒng)優(yōu)化控制、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)、機(jī)器人協(xié)同控制等。學(xué)生可利用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識解決實(shí)際工程問題，踐行知行合一。

（五）采用多種考評方式，實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)

本課程以“多元化—重過程—考能力”為指導(dǎo)思想，從基礎(chǔ)知識、綜合能力和價值提升三方面進(jìn)行考核，增強(qiáng)過程性評價和綜合能力評價。

過程性評價包括：網(wǎng)上學(xué)習(xí)與討論、在線測試、平時表現(xiàn)、課程作業(yè)、小組匯報(bào)等環(huán)節(jié)。課前預(yù)習(xí)和課堂討論通過課堂提問或小組講課的方式體現(xiàn)，要求各小組之間互相評價，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性。課堂測驗(yàn)及課后作業(yè)在慕課堂反映，采用“學(xué)生互評”的方式進(jìn)行。布置課程報(bào)告，考查學(xué)生查閱資料和文獻(xiàn)綜述能力，培養(yǎng)其社會責(zé)任感。上機(jī)實(shí)驗(yàn)從工程案例庫中選擇實(shí)際工程問題，如基于有機(jī)朗肯循環(huán)煙氣余熱利用系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，考核方式為學(xué)生分組討論，制定仿真方案，小組制作PPT，學(xué)生代表進(jìn)行報(bào)告答辯的方式，綜合考查學(xué)生理論基礎(chǔ)掌握情況與分析解決問題的能力、思維能力與創(chuàng)造能力。通過開展過程性評價，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了課堂氣氛，且鍛煉了學(xué)生的綜合能力；任課教師也可及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而適當(dāng)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。

結(jié)合本課程的特點(diǎn)，期末考試采用“開卷+機(jī)試”的方式，改變以往“死記硬背”的傳統(tǒng)考試模式，考題采用標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合、靈活與基礎(chǔ)相結(jié)合，增加“綜合性”“靈活性”題目的比例。題目類型多為主觀類題目，試題答案不唯一，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性。判卷完成后向?qū)W生反饋考試情況，并進(jìn)行問卷調(diào)查，學(xué)生針對考題給出意見和建議，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

結(jié)合《太原理工大學(xué)自動化專業(yè)課程質(zhì)量保障體系》的要求，建立了“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程評價與反饋機(jī)制。對教學(xué)質(zhì)量采取學(xué)生打分、教師自評、同行互評、領(lǐng)導(dǎo)評教的方式。分階段讓學(xué)生反映自己上課的體會，對教師的建議及意見，在下一階段進(jìn)行改進(jìn)；教師對自己的教學(xué)效果進(jìn)行反思并填寫自評表；教研室教師互相觀摩學(xué)習(xí)并填寫評價表；領(lǐng)導(dǎo)巡視聽課并填寫評價表。教師參考學(xué)生的反饋、課程達(dá)成度計(jì)算結(jié)果及同行和領(lǐng)導(dǎo)的課程評價，進(jìn)行下一輪教學(xué)設(shè)計(jì)，完成持續(xù)改進(jìn)。

結(jié)語

根據(jù)國家一流本科課程建設(shè)的具體要求，本文從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價等方面闡述課程團(tuán)隊(duì)對“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”進(jìn)行的課程改革，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生主體的轉(zhuǎn)變，根據(jù)學(xué)生應(yīng)達(dá)到的能力及水平進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。課程教學(xué)過程與工程實(shí)際緊密結(jié)合，把工程案例、科研問題的分析貫穿課程各個環(huán)節(jié)；把產(chǎn)業(yè)的前沿技術(shù)和實(shí)際工程問題帶入課堂，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，激發(fā)其創(chuàng)新意識。課堂教學(xué)過程遵循“教師引導(dǎo)、學(xué)生討論并發(fā)表自己觀點(diǎn)、教師答疑”的模式進(jìn)行。大力實(shí)施產(chǎn)教融合，圍繞企業(yè)的評價及學(xué)生校內(nèi)考核結(jié)果，及時更新教學(xué)內(nèi)容和方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)的持續(xù)改進(jìn)。采用探究式、論文式、報(bào)告答辯式等多元化的過程性評價方法，終結(jié)性評價具有挑戰(zhàn)性，注重學(xué)生綜合能力的評價。通過課程改革，學(xué)生課程參與度增加，對實(shí)際復(fù)雜工程問題的建模、分析、設(shè)計(jì)能力大幅提升；教學(xué)團(tuán)隊(duì)課程改革意識強(qiáng)烈，收集線上線下教學(xué)數(shù)據(jù)開展教學(xué)反思、教學(xué)研究和教學(xué)改進(jìn)，在教學(xué)過程中不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施方式；充分利用信息化手段開展討論式教學(xué)，提升課程的高階性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

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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