《控制系統仿真與CAD》課程教學改革與實踐

劉沅玲

【摘 要】控制系統仿真與CAD是利用MATLAB/Simulink軟件對控制系統進行分析與設計，本課程是一門綜合性和實踐性很強的電氣工程及其自動化專業的專業課。基于教學授課中存在的問題，在本課程的教學改革實踐環節中，將理論和實踐部分內容充分結合，通過多種教學方式的引入以及實驗室對應的開放制度的逐步完善，利用線上線下教學的相互結合，既能增強學生的實際仿真分析能力，而且能調動學生的學習積極性，提高教學質量;針對傳統考核方式進行改革，將實際工程設計與分析引入考核環節，分組以團隊形式進行期末考核，不但能做到學生對仿真理論加深理解，而且促進學生獨立思考和建立團隊精神，從而提高學生的創造能力、解決問題能力以及獨立分析能力。

【關鍵詞】控制系統;MATLAB;教學改革;考核方式

中圖分類號： TP391.9-4;G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）32-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.064

Teaching Reform and Practice of Control System Simulation and CAD

LIU Yuan-ling

（Changchun guanghua university，Changchun Jilin 130031，China）

【Abstract】Control system simulation and CAD is the use of MATLAB/Simulink software to analyze and design the control system， this course is a comprehensive and practical electrical engineering and automation professional course. Based on the problems existing in teaching， in the practice of teaching reform in this course， the theoretical and practical parts of the full combination， through the introduction of a variety of teaching methods and the laboratory corresponding to the gradual improvement of the open system， the use of online and offline teaching of the mutual combination， can not only enhance the students' actual simulation and analysis ability， And can mobilize students' enthusiasm for learning， improve the quality of teaching， reform the traditional assessment methods， introduce the actual engineering design and analysis into the assessment process， group in the form of a team for final assessment， not only can students deepen their understanding of simulation theory， but also promote students to think independently and establish team spirit， This improves students creative， problem-solving and independent analytical abilities.

【Key words】Control System; MATLAB; Teaching Reform; Assessment Methods

0 引言

《控制系統仿真與CAD》是電氣工程及其自動化專業課程體系中一門重要的專業基礎課，這是一門將控制系統設計，課程設計以及畢業設計等教學環節緊密連接在一起的仿真類課程，該課程一般以《自動控制理論》為先修課程，后續課程有《過程控制系統》、《計算機控制》、《現代控制理論》、《電機及拖動基礎》等相關課程[1]。《控制系統建仿真與CAD》是一種有效的計算機輔助設計手段，學生通過對仿真算法和仿真原理的學習，進一步提高對控制系統的認識，加深對先修課程和后續課程的理解，增強自身的實踐能力和綜合解決問題能力[1]。

1 課堂教學現存問題

本課程是利用MATLAB/Simulink軟件講解自動控制原理、現代控制理論、電機及拖動基礎等專業課程中的控制原理與方法的仿真實現，現行的教學中主要存在如下四個方面的問題。

1.1 教學模式對教學效果的影響

基于仿真過程中的大量共性問題，仿真技術逐漸形成了獨立的理論，涉及自動控制原理、現代控制、計算機控制技術、過程控制和仿真軟件等知識，課程的綜合性很強[2]。

《控制系統仿真與CAD》課程中采用的是MATLAB軟件，該軟件具有對控制系統建模、仿真以及結果分析能力，該軟件綜合能力強因此教學過程中的關鍵在于練習，本課程實踐性強，因此實驗教學是本課程的重要組成部分，通過練習加強學生對仿真過程的理解和掌握。但是介于教學資源有限等多方面的限制，教學過程中的實驗課程課時量較少，學生無法做到邊學邊練的，對于仿真過程無法熟練掌握，課堂理論教學和實驗教學分離，導致一些學生在大四做畢業設計的過程中還不能熟練對控制系統進行建模并仿真分析[3]。

1.2 教學內容對教學效果的影響

在《控制系統仿真與CAD》課程中所教授的相關算法、模型建立以及仿真原理等相關知識在過往的課程學習過程中均已講授過，且部分高校還單獨開設MATLAB課程，知識點的重復讓學生有“重溫”的感覺，甚至產生重復學習的感覺，會令部分學生產生厭學的情緒;部分內容卻又讓學生有了找不到根基，很飄的感覺。

2 教學改革措施

2.1 學情分析

與《控制系統仿真與CAD》密切相關的課程中，專業課以基礎課為基礎，所以《控制系統仿真與CAD》在整個課程體系中起到了承上啟下的作用。這樣電氣工程及其自動化專業與《控制系統仿真與CAD》密切相關的基礎課、專業基礎課、專業課環環相扣、相輔相成，共同構成了完整的教學體系。

2.2 教學模式的改革

針對教學中存在的問題對控制系統仿真與CAD課程進行教學改革，增加課堂氣氛，以調動學生的學習積極性，提高教學質量。

2.2.1 教學模式多樣性

在《控制系統仿真與CAD》教學內容中包含理論和軟件實踐兩部分，為了使理論和實踐部分同時進行，因此授課地點安排在機房，教師通過計算機現場演練，學生隨老師邊講解邊練習，同時教師能夠隨時指導學生在練習中遇到的困難，課堂內容生動且課堂氣氛活躍，促進學生將理論聯系實際，加深學生對于理論和操作的理解和掌握。

2.2.2 加重實踐教學

在教學過程中，根據學生掌握相關知識的情況，階段性的布置一些具有實際工程背景的建模、求解、分析與綜合等不同類型的題目，同時根據學生的掌握情況進行分組，一般2～3人一組，同組同題，可以減少抄襲和相互依賴的情況，逐步提高學生發現問題、提出問題、分析問題、解決問題和查閱資料的能力[4]。

2.3 教學方法的改革

2.3.1 課堂教學改革

在教學過程中，增加實際控制系統仿真案例，可偏重實際的工程案例。在課堂上通過講授理論知識，帶領學生進行邊講邊練，增加學生的學習興趣;考慮MATLAB/Simulink軟件的普及程度較高，課前將實際案例分塊，提前布置學習任務，學生分組完成，激發學生學習的積極性、主動性和團隊精神，利用線上討論提高學生自學能力和參與度，線上線下結合的方式多方面多角度的增加學生對控制仿真的認識。

2.3.2 優化考核與評價方式改革

為了讓學生更好地理解控制原理和算法、掌握MATLAB/Simulink軟件的語法和操作，考核方式采用“課程平時+面試”的方式。將部分實際工程問題融入到課堂里練習的過程中，由小組成員共同抽簽決定小組負責的工程項目，重點考察學生利用MATLAB/Simulink對控制系統的多種表達、各種表達之間的快速轉換、系統各指標分析或設定性能指標進行系統的綜合設計。最終根據每組所選綜合題目的難易程度、題目的完成情況、答辯情況和平時的出勤、線上線下作業情況，得出總成績。

2.3.3 實驗教學改革

實驗內容基本覆蓋了授課內容。在安排上也圍繞課程主線進行，使理論課和實驗課成為有機的整體，其目的要求如表1所示。

為了增加課外學生上機練習的機會，適當有組織的開放實驗室，利用已有的教學資源，設立實驗室開放系統，學生在網站上進行預約，實驗室中進行實名打卡，采用誰使用誰管理的方式，避免由于管理不當存在的衛生或者安全問題，同時增加了學生上機練習的機會。

一般實驗結果以實驗報告的形式形成，學生要整理實驗數據，分析實驗結果，教師要認真批改實驗報告，給出成績并簽名。實驗教學考核主要看實驗的操作和基于操作形成的報告，考核成績可占期末總成績的20%，以提高學生對實驗的重視。在考核過程中，可以設計幾個具有代表性的典型實驗，能夠覆蓋課程涉及到的基本理論知識，學生綜合利用所學習知識的能力得到鍛煉。

3 結語

本文針對控制系統計算機仿真課程教學中存在的問題，提出一系列改革措施。實踐表明：以上改革措施能夠充分調動學生學習的積極性和主動性，其中增加的實際工程案例學生興趣濃厚，開放實驗室也受到了學生的歡迎，課堂氛圍更加活躍，師生互動更加頻繁;新的考核機制也有效抑制了學生考前突擊復習的問題，獲得了較好的教學效果。需要指出的是，在上述改革措施當中還存在不完善之處，例如答辯PPT以小組為單位提交并答辯，同組同分數，雖然鍛煉了學生合作交流的能力，但是無法對每個人進行科學的考評是一個需要進一步研究的問題。

【參考文獻】

[1]曾波霞.高職《計算機應用基礎》課程教學改革與實踐[J].電子制作，2014，9：134-135.

[2]褚菲，葉賓.對高校控制系統計算機仿真課程教學改革的思考[J].才智，2017.3：136-136.

[3]薛定宇.控制系統計算機輔助設計—MATLAB語言與應用.第2版[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]金小崢，王忠石.控制系統計算機仿真課程存在的教學問題與改革措施[J].沈陽大學學報（社會科學版），2013，15（1）：78-80.