《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》改革與實(shí)踐

姜文娟 孟杰 顧大可 馬樂(lè)

摘要：在新工科和工程認(rèn)證背景下對(duì)我校自動(dòng)化專業(yè)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》進(jìn)行改革，在2017級(jí)和2018級(jí)學(xué)生實(shí)踐證明，改革后的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容具有更強(qiáng)的挑戰(zhàn)度、高階性和創(chuàng)新性，教學(xué)模式的改變有效地拓展了學(xué)生的設(shè)計(jì)時(shí)間，細(xì)致化的過(guò)程考核形成對(duì)課程目標(biāo)強(qiáng)有力的支撐，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，符合新工科和工程認(rèn)證背景下對(duì)人才的需求。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)仿真;課程設(shè)計(jì);新工科;工程認(rèn)證

課程設(shè)計(jì)旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程及相關(guān)課程理論及專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，訓(xùn)練并提高其在理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖、資料文獻(xiàn)查閱、運(yùn)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面的能力;同時(shí)，為其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）奠定良好的基礎(chǔ)。

《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》是我校自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)電力等工業(yè)中的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行建模，并能夠?qū)?fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，能夠?qū)Ψ治龊陀?jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并理解其局限性。

隨著新工科教育和工程教育認(rèn)證的推進(jìn)，各高校也嘗試對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行改革。針對(duì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革，早期研究主要集中在課程設(shè)計(jì)教學(xué)體系的建設(shè)、設(shè)計(jì)內(nèi)容及教學(xué)方法等方面。華南理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)基于“新工科”理念對(duì)鍋爐原理課程設(shè)計(jì)進(jìn)行改革和探索，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力;電子科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)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(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)和企業(yè)合作，探索出校企合作完成課程設(shè)計(jì)的思路;武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院對(duì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)案例進(jìn)行逆向拆解，由教師整合成學(xué)生可實(shí)操的課程設(shè)計(jì)課題。

本文在分析我校自動(dòng)化專業(yè)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的改革措施，并實(shí)施，做到持續(xù)改進(jìn)，提高課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，滿足新工科和工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求。

一、存在問(wèn)題分析

我校自動(dòng)化專業(yè)是國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、國(guó)家級(jí)特色專業(yè)和吉林省品牌專業(yè)，通過(guò)了工程教育專業(yè)認(rèn)證。自動(dòng)化專業(yè)2018版培養(yǎng)方案的《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》源于2014版培養(yǎng)方案中的《專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)》。2014版《專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)》是自動(dòng)化專業(yè)的重要的專業(yè)課程設(shè)計(jì)，安排在第七學(xué)期末，為時(shí)3周，主要包含四個(gè)方向：集散控制系統(tǒng)方向、過(guò)程控制方向、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方向和控制系統(tǒng)仿真方向，每個(gè)學(xué)生選擇其中一個(gè)方向即可。在近幾年的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)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(guò)程控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三個(gè)方向在對(duì)應(yīng)的課程結(jié)束后均設(shè)置了相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，因此在2018版培養(yǎng)方案中，自動(dòng)化專業(yè)將《專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)》更改為《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》，設(shè)計(jì)周數(shù)改為2周。原來(lái)的控制系統(tǒng)仿真方向主要依托《自動(dòng)控制原理》《現(xiàn)代控制理論》和《控制系統(tǒng)CAD及計(jì)算機(jī)仿真》課程，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)，培養(yǎng)方案修訂后《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》擬在原來(lái)控制系統(tǒng)仿真方向的基礎(chǔ)上進(jìn)行改革。

目前存在的主要問(wèn)題有：

（一）選題陳舊、數(shù)量少

控制系統(tǒng)仿真方向提供6個(gè)題目供學(xué)生選擇，題目多年來(lái)一直在使用，雖然中間有所調(diào)整，但已經(jīng)不能滿足時(shí)代發(fā)展的需求和對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的需求;多個(gè)課程設(shè)計(jì)選題可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查閱到大量的相關(guān)資料，只要按照參考資料上的步驟做，就能完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和能力得不到發(fā)揮，更不能體現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化和差異化設(shè)計(jì);

（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)單

課程設(shè)計(jì)內(nèi)容缺乏針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，不能有效提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力;課程設(shè)計(jì)方案缺乏對(duì)非技術(shù)因素的考慮，不能有針對(duì)性地應(yīng)用相關(guān)知識(shí)評(píng)價(jià)這些因素對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響，學(xué)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(xué)模式單一

由于上述（1）和（2）存在的問(wèn)題，傳統(tǒng)的單一設(shè)計(jì)模式下，學(xué)生課程設(shè)計(jì)集中在2周進(jìn)行，學(xué)生自主探索和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的時(shí)間少，抑制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);

（四）考核過(guò)程粗糙

課程設(shè)計(jì)考核過(guò)程簡(jiǎn)單，考核標(biāo)準(zhǔn)不細(xì)致，考核方式對(duì)課程目標(biāo)和畢業(yè)要求的支撐不高，不能很好地反映學(xué)生的能力和水平。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，課題組按照工程教育專業(yè)認(rèn)證要求、遵循新工科的發(fā)展方向和需求、以市場(chǎng)和企業(yè)需求為導(dǎo)向，主要針對(duì)課程設(shè)計(jì)選題、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)、課程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行改革，提升教師的實(shí)踐指導(dǎo)能力，推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量的提高和學(xué)生能力的培養(yǎng)。

二、課程設(shè)計(jì)改革

（一）制定合理的課程目標(biāo)

制定了合理的課程目標(biāo)，課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐程度更強(qiáng)。課程目標(biāo)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目更加細(xì)致，評(píng)價(jià)項(xiàng)目對(duì)課程目標(biāo)形成強(qiáng)有力的支撐。

（二）豐富課程設(shè)計(jì)選題

拓寬選題范圍，豐富選題內(nèi)容。課程組教師均具有博士學(xué)位，具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，課程組鼓勵(lì)老師將自己科研課題的部分內(nèi)容作為課程設(shè)計(jì)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(nèi)容作為選題。

（三）深化課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

在新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，加大課程設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)度、高階性和創(chuàng)新性，將課程設(shè)計(jì)建設(shè)成具有“兩度一性”的“金課”，需要學(xué)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(shí)考慮社會(huì)、安全、法律等因素的影響，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和職業(yè)道德。

（四）改革課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式

探索培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力的途徑。改變以往課程設(shè)計(jì)集中2周進(jìn)行的方式，提前將課程設(shè)計(jì)題目和要求發(fā)放給學(xué)生，提前進(jìn)行資料的查閱、方案的設(shè)計(jì)等工作，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)創(chuàng)新思維。

（五）完善課程設(shè)計(jì)考核方式

制定合理的考核方式，完善過(guò)程化考核和多元化考核。考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)貫穿課程設(shè)計(jì)全過(guò)程，多元化考核全面反映學(xué)生能力。

三、課程設(shè)計(jì)實(shí)施

2017級(jí)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》共2周，經(jīng)課程組討論，從知識(shí)、素質(zhì)和能力3個(gè)方面制定了課程設(shè)計(jì)目標(biāo)，撰寫了課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求，完善了課程目標(biāo)與評(píng)價(jià)依據(jù)占比關(guān)系表、考核方式和評(píng)價(jià)要求等相關(guān)內(nèi)容。

針對(duì)原來(lái)的控制系統(tǒng)仿真方向的6個(gè)題目（串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)、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(yīng)及輸出響應(yīng)的測(cè)量、線性定常系統(tǒng)狀態(tài)反饋及狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)）存在的問(wèn)題，要求教師根據(jù)教學(xué)大綱結(jié)合自身科研項(xiàng)目擬定課程題目，設(shè)計(jì)內(nèi)容能培養(yǎng)學(xué)生利用學(xué)過(guò)的《自動(dòng)控制原理》《現(xiàn)代控制理論》等相關(guān)知識(shí)分析復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，同時(shí)設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)度、高階性和創(chuàng)新性。經(jīng)教師擬定提交課程組審核后，確定8個(gè)題目作為2017級(jí)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》題目，完善了課程設(shè)計(jì)任務(wù)書和指導(dǎo)書，8個(gè)題目如下：典型伺服系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)及仿真、直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)及仿真、雙容水箱液位PID控制器的設(shè)計(jì)及仿真、循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器的設(shè)計(jì)（工況1）、鍋爐溫度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模及仿真、循環(huán)流化床鍋爐床溫PID控制器的設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)與仿真。

2017級(jí)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》每個(gè)題目突出了復(fù)雜工程問(wèn)題的建模、系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計(jì)等知識(shí)，能夠支撐課程目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成。課程設(shè)計(jì)題目在正式設(shè)計(jì)的前一周周三發(fā)給學(xué)生，并向?qū)W生說(shuō)明每個(gè)題目的任務(wù)和要求，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情;合理安排了中期檢查和答疑時(shí)間，學(xué)生的課程設(shè)計(jì)順利完成，達(dá)成了課程設(shè)計(jì)目標(biāo)和畢業(yè)要求。

2017級(jí)課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，課程組進(jìn)行總結(jié)，凸顯問(wèn)題，保持優(yōu)勢(shì)：（1）部分課程設(shè)計(jì)題目在網(wǎng)上能找到比較詳細(xì)的參考資料，影響了學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng);（2）在進(jìn)行課程目標(biāo)達(dá)成性評(píng)價(jià)時(shí)，發(fā)現(xiàn)課程目標(biāo)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)還不夠細(xì)致，評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)對(duì)課程目標(biāo)的支撐力度不夠;（3）教學(xué)模式的改革能更有效地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性。

針對(duì)上述問(wèn)題，課程組對(duì)2018級(jí)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)：（1）題目在2017級(jí)的基礎(chǔ)上，課程組老師結(jié)合自己科研項(xiàng)目進(jìn)行更新，或者題目不變加深課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。更新題目為題目2：中央空調(diào)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(jí)PID控制器設(shè)計(jì)、題目6：基于時(shí)間最優(yōu)控制的起重機(jī)防擺控制的設(shè)計(jì)，題目4加深了設(shè)計(jì)內(nèi)容，更新率達(dá)到50%，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和創(chuàng)新思維。（2）進(jìn)一步細(xì)化了課程設(shè)計(jì)過(guò)程化考核的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，明確了對(duì)非技術(shù)性指標(biāo)的評(píng)價(jià)，更充分的支撐課程目標(biāo)的達(dá)成。（3）課程設(shè)計(jì)提前一周動(dòng)員，題目提前一周發(fā)給學(xué)生，有效地拓展了課程設(shè)計(jì)時(shí)間，充分調(diào)動(dòng)廣大學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

四、結(jié)語(yǔ)

在新工科和工程認(rèn)證背景下，以我校自動(dòng)化專業(yè)《控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)》為例，對(duì)其進(jìn)行改革，明確了課程目標(biāo)、豐富了設(shè)計(jì)選題、深化了設(shè)計(jì)內(nèi)容、改進(jìn)了教學(xué)模式、細(xì)化了考核環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明改革后的課程設(shè)計(jì)能夠培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力、創(chuàng)新能力，符合新工科和工程認(rèn)證背景下對(duì)人才的需求。

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