控制系統(tǒng)仿真課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與改革

宋瀟 余新栓

[摘 要] 對(duì)電氣工程專業(yè)的控制系統(tǒng)仿真課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和內(nèi)容進(jìn)行探索研究，在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，增設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，改革考核方式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)提高電氣工程專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] 控制系統(tǒng)仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);MATLAB;Simulink

[基金項(xiàng)目] 2019年陜西理工大學(xué)一流專業(yè)培育項(xiàng)目子項(xiàng)目（實(shí)踐教學(xué)類）“基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)改革與研究”

[作者簡(jiǎn)介] 宋 瀟（1992—），陜西西安人，碩士，助教，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)工作;余新栓（1973—），陜西寶雞人，碩士，講師，主要從事電氣自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)應(yīng)用教學(xué)工作。

[中圖分類號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）36-0389-02 ? ?[收稿日期] 2020-04-22

引言

控制系統(tǒng)仿真為本學(xué)院電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其課程內(nèi)容涉及專業(yè)培養(yǎng)方案中的多門主干專業(yè)課，如電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)分析等。通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)電力領(lǐng)域的MATLAB編程、模型搭建等內(nèi)容有全面的認(rèn)識(shí)，具有利用仿真軟件對(duì)各類電力系統(tǒng)問題進(jìn)行分析的能力。本課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)共8學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的好壞，直接反映學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的理解程度和動(dòng)手能力，并且對(duì)學(xué)生今后在該專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)研究有很大影響，因此對(duì)本課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究十分必要。

MATLAB的Simulink仿真平臺(tái)可通過簡(jiǎn)單的模塊連接和參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真分析，非常適合控制系統(tǒng)仿真課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究[1]，其友好的交互界面和模型搭建環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力[2]。在控制系統(tǒng)仿真課程中利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有十分重要的理論意義和實(shí)踐意義。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念是以教師為中心，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性的培養(yǎng)，學(xué)生參與度低。這樣的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生缺乏主觀能動(dòng)性，不利于高素質(zhì)人才的培養(yǎng)[3]。課程實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中存在許多需要解決的問題，如教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少;設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)較少;考核方式陳舊;學(xué)生難以將課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和專業(yè)研究銜接起來(lái)等。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

針對(duì)控制系統(tǒng)仿真課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，可從優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，構(gòu)建考核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

學(xué)生在前期課程學(xué)習(xí)中已有C語(yǔ)言的基礎(chǔ)，對(duì)于MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分可以簡(jiǎn)要了解，MATLAB基礎(chǔ)編程貫穿所有綜合性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，可以在綜合性的實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)，主要以在MATLAB中解決電力系統(tǒng)實(shí)際問題為主。

因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，可根據(jù)控制系統(tǒng)仿真課程的特點(diǎn)，將MATLAB/Simulink仿真研究引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，緊密結(jié)合專業(yè)知識(shí)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排順序上由淺入深，循序漸進(jìn)，加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。讓學(xué)生深入理解MATLAB/Simulink建模仿真能夠解決相關(guān)專業(yè)課涉及的復(fù)雜工程問題。控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表1所示。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以教師講授為主，實(shí)驗(yàn)缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[4]。實(shí)驗(yàn)方法的改革就是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的積極主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性及學(xué)習(xí)主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以從以下四方面進(jìn)行改革。

1.引導(dǎo)學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)難以高質(zhì)量的完成實(shí)驗(yàn)。例如電力系統(tǒng)潮流分析的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，不僅要求學(xué)生掌握潮流計(jì)算的理論知識(shí)，還要能熟練利用MATLAB編程，一些基礎(chǔ)較差的同學(xué)直接放棄做實(shí)驗(yàn)。因此，可以提前一周將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書發(fā)給同學(xué)們，學(xué)生可提前做好預(yù)習(xí)，這樣學(xué)生就可以通過學(xué)習(xí)書本的理論知識(shí)、上網(wǎng)查閱資料或向老師求教等方法提前做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

2.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程中的師生互動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)課程時(shí)教師要深入實(shí)驗(yàn)課堂，與學(xué)生就實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等展開討論，讓學(xué)生要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模莆諏?shí)驗(yàn)方法，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。班級(jí)人數(shù)較多，學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平參差不齊，老師難以兼顧到每一個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。可以提前分配好實(shí)驗(yàn)小組，3～4人為一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，指導(dǎo)每組中實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^強(qiáng)的同學(xué)率先完成實(shí)驗(yàn)，再由這些同學(xué)指導(dǎo)組內(nèi)其他同學(xué)，小組內(nèi)解決不了的問題再咨詢老師。同學(xué)們做到互幫互助，不僅可以高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)，還可以增強(qiáng)學(xué)生之間的感情。

4.引導(dǎo)學(xué)生將仿真與工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。在實(shí)驗(yàn)過程中要培養(yǎng)學(xué)生從工程實(shí)際抽象出仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停夷芨鶕?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析工程實(shí)際的能力。例如，在做同步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率，可以是風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)等原動(dòng)機(jī)輸入功率，原動(dòng)機(jī)模型構(gòu)造復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，通常用常數(shù)直接表示輸入機(jī)械功率，電機(jī)信號(hào)輸出端輸出的電磁功率隨機(jī)械功率的變化而變化，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)就容易忽略參數(shù)的實(shí)際意義，不明白數(shù)值變化的規(guī)律，因此，做實(shí)驗(yàn)前教師務(wù)必要將實(shí)驗(yàn)中各個(gè)模塊含義再做強(qiáng)調(diào)，引導(dǎo)學(xué)生將仿真和工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。

（三）考核方式改革

考核一定程度上可以增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。實(shí)驗(yàn)考核的重點(diǎn)是考核學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及知識(shí)的掌握情況，考核結(jié)果不能僅依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而應(yīng)該遵循實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)程，考核內(nèi)容應(yīng)該包括實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括四部分，分別是實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、組員評(píng)定和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，可以反映學(xué)生上課前做的功課，目的是使學(xué)生每一次做實(shí)驗(yàn)都能心中有數(shù)，能夠發(fā)現(xiàn)問題，為分析問題和解決問題奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)操作反映的是學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，包括學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)完成情況。組員評(píng)定反映的是學(xué)生在做試驗(yàn)過程中，與同學(xué)溝通協(xié)作能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)完成后撰寫的報(bào)告，記錄的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容、結(jié)果分析等，是對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)的總結(jié)。

三、總結(jié)

本文針對(duì)電氣工程專業(yè)控制系統(tǒng)仿真課程實(shí)驗(yàn)中存在的問題進(jìn)行歸納分析，結(jié)合學(xué)生目前的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三方面進(jìn)行了改革。該課程實(shí)驗(yàn)改革對(duì)培養(yǎng)電力系統(tǒng)領(lǐng)域高素質(zhì)工程人才具有積極作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王海霞，韓奮，張曉菊.MATLAB在電氣工程專業(yè)主干課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2019（3）：89-90.

[2]黨常亮.MATLAB/Simulink在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2019（12）：102-104.

[3]仰彩霞，楊蕾，鄭雪.基于MATLAB的“電氣工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].課程教學(xué)，2019（3）：115-116.

[4]曾晰.能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與考核方式改革[J].大學(xué)教育，2019（9）：52-54.