“控制系統(tǒng)建模與仿真”課程思政探索與實(shí)踐

秦晴　李珊珊　車艷秋

[摘 要] “控制系統(tǒng)建模與仿真”是自動(dòng)化專業(yè)的綜合性課程，是對(duì)大學(xué)期間所學(xué)的控制系統(tǒng)理論知識(shí)的仿真與實(shí)踐。傳統(tǒng)的教學(xué)方法多數(shù)側(cè)重用于仿真工具的使用，學(xué)生對(duì)于代碼算法往往知其然而不知其所以然。為此，從授課內(nèi)容、授課形式和教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)方面對(duì)本課程進(jìn)行思想政治教學(xué)改革。通過在思想政治方向的改革與實(shí)踐，提升學(xué)生專業(yè)知識(shí)、文化素養(yǎng)、職業(yè)道德、創(chuàng)新能力;激發(fā)學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)的興趣，發(fā)現(xiàn)代碼之美和算法之美;強(qiáng)化學(xué)生工科思維素養(yǎng)，努力將其培育成德才兼?zhèn)洹⑷姘l(fā)展的技能型人才。

[關(guān)鍵詞] 控制系統(tǒng)建模與仿真;思想政治教育;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2019年度國家自然科學(xué)基金委員會(huì)，國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“基于概率統(tǒng)計(jì)模型的針刺神經(jīng)編碼機(jī)制研究”（61801328）

[作者簡介] 秦 晴（1987—），女，河南鄭州人，博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院講師，主要從事神經(jīng)控制工程研究;李珊珊（1987—），女，山東德州人，博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院講師，主要從事神經(jīng)控制工程研究;車艷秋（1981—），男，吉林榆樹人，博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院教授，主要從事腦機(jī)融合與智能控制研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）08-0098-04 [收稿日期] 2021-06-23

“控制系統(tǒng)建模與仿真”是自動(dòng)化專業(yè)高年級(jí)的綜合性的專業(yè)選修課，以MATLAB為仿真工具，系統(tǒng)闡述控制系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本技能與方法，具備仿真軟件編程的基本能力[1]。本課程是針對(duì)控制理論相關(guān)的理論教學(xué)課程進(jìn)行的綜合性仿真與實(shí)踐。通過學(xué)習(xí)本課程，能夠系統(tǒng)地提高學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行控制性能分析的綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生初步的科學(xué)研究能力與仿真開發(fā)設(shè)計(jì)能力。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）技術(shù)，簡稱CAD，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門應(yīng)用型技術(shù)，已在工程設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在控制領(lǐng)域，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求愈來愈高，控制算法愈來愈繁雜，控制器的設(shè)計(jì)也變得倍加困難，單純靠手工或簡單的計(jì)算工具已很難達(dá)到預(yù)期效果。因此控制系統(tǒng)CAD應(yīng)運(yùn)而生，且迅速發(fā)展，成為控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與仿真不可缺少的工具[2]。其中，MATLAB語言由于其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和良好的圖形可視化功能，成為控制領(lǐng)域最常用的計(jì)算機(jī)輔助工具[3]。它可以使控制系統(tǒng)研究者從繁雜的計(jì)算中解脫出來，把精力集中到解決專業(yè)問題上，從而大大提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。然而在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，無論是教師還是學(xué)生，往往都偏重于MATLAB工具的使用，出現(xiàn)了舍本逐末的現(xiàn)象。這樣就導(dǎo)致課程結(jié)束時(shí)，多數(shù)學(xué)生對(duì)于控制系統(tǒng)的理論分析、控制器的設(shè)計(jì)以及代碼算法的編排，知其然而不知其所以然，不能做到舉一反三、由簡到繁的自主編程學(xué)習(xí)。

課程思政是以習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，緊緊圍繞立德樹人根本任務(wù)，突出思想引領(lǐng)、品行養(yǎng)成、知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、思維創(chuàng)新五位一體的培養(yǎng)理念，對(duì)學(xué)校傳統(tǒng)課程進(jìn)行的教學(xué)改革[4-6]。課程思政的內(nèi)涵是將思想政治教育元素，如社會(huì)主義核心價(jià)值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、職業(yè)理想與職業(yè)道德教育、憲法法治教育等有機(jī)地融入非思想政治類的專業(yè)課程，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)教育體系與思想政治教育體系的有機(jī)統(tǒng)一。

一、授課內(nèi)容思想政治教學(xué)改革

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，授課計(jì)劃和授課內(nèi)容往往是一成不變的;因此，經(jīng)過多學(xué)期的多輪次授課之后，教師對(duì)授課內(nèi)容了然于心，不僅失去了初次授課的激情，還會(huì)因?yàn)榉磸?fù)講授而簡化重點(diǎn)和難點(diǎn)，忽略基礎(chǔ)點(diǎn)，大大降低授課效果。另外，傳統(tǒng)授課內(nèi)容僅包含專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，枯燥且乏味。因此，我們需要對(duì)傳統(tǒng)的授課內(nèi)容進(jìn)行思想政治改革，將專業(yè)知識(shí)點(diǎn)與思想政治教育元素相結(jié)合，為專業(yè)知識(shí)點(diǎn)賦予“意義”，從而實(shí)現(xiàn)提高教師授課熱情和學(xué)生聽課興趣的同時(shí)，做好學(xué)生思想引領(lǐng)和價(jià)值觀塑造的工作。本課程授課內(nèi)容的思想政治教學(xué)改革可以從以下幾個(gè)方面開展。

（一）將知識(shí)點(diǎn)與技術(shù)熱點(diǎn)相結(jié)合

由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)愈來愈復(fù)雜，人們對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求也愈來愈高。而傳統(tǒng)的授課內(nèi)容僅基于經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型對(duì)經(jīng)典的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與仿真。在原有知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶尤胄碌目刂扑惴ā⑿碌目刂破髟O(shè)計(jì)，不僅可以提高教師的授課熱情和授課動(dòng)力，還能擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)視野，鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維。

（二）將知識(shí)點(diǎn)與優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化相結(jié)合

作為新時(shí)代的青年教師，我們不僅要傳道授業(yè)，更要立德樹人。開展本課程時(shí)學(xué)生已進(jìn)入大三下學(xué)期，雖然多數(shù)具有一定的是非判斷和分析能力，但思想政治狀況與大一時(shí)期相比總體有所下降。少數(shù)學(xué)生價(jià)值觀受現(xiàn)實(shí)沖擊較大，部分學(xué)生存在急功近利、得過且過的思想，學(xué)生對(duì)主渠道的思想政治理論課的作用感受不深。為此，有必要在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，將知識(shí)點(diǎn)與優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化故事相結(jié)合，對(duì)學(xué)生進(jìn)行思想引領(lǐng)和價(jià)值觀的塑造，使學(xué)生養(yǎng)成良好的品行，在提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)素養(yǎng)的同時(shí)，也提高學(xué)生的文化素養(yǎng)。

（三）將知識(shí)點(diǎn)與求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神相結(jié)合

“代碼粘貼復(fù)制—代碼運(yùn)行—系統(tǒng)性能分析”是多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程方法。對(duì)于控制器和控制算法的設(shè)計(jì)，學(xué)生常常是模糊不清的。多數(shù)學(xué)生奉行“拿來主義”，對(duì)控制器設(shè)計(jì)的理論分析和算法編排存在嚴(yán)重的畏難情緒，因此培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的精神是至關(guān)重要的。具體來說，對(duì)教師而言，我們需要根據(jù)每堂課的教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)生實(shí)時(shí)的聽課狀態(tài)，靈活地把握講課節(jié)奏，務(wù)必保證學(xué)生弄懂每個(gè)理論推導(dǎo)過程和每行算法編排設(shè)計(jì)。對(duì)學(xué)生而言，贊揚(yáng)學(xué)生不懂就問的行為，倡導(dǎo)學(xué)生拋棄“粘貼復(fù)制”的惡習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手編排實(shí)現(xiàn)課本中經(jīng)典系統(tǒng)的經(jīng)典控制器的算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的牢固掌握。

（四）將知識(shí)點(diǎn)與馬克思主義哲學(xué)相結(jié)合

教學(xué)過程中，除了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講解，提高學(xué)生分析和解決問題的能力也是至關(guān)重要的。在授課過程中，培養(yǎng)學(xué)生采用辯證法、發(fā)展觀、矛盾論等哲學(xué)方法分析問題，不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，還能提高學(xué)生解決問題的能力。辯證法是指兩面性地看待問題，通過合理的討論獲得真正的知識(shí)。它轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學(xué)法中老師的絕對(duì)權(quán)威地位，使學(xué)生在反思中深刻地思考問題。發(fā)展觀是指堅(jiān)持事物存在一個(gè)發(fā)展變化的過程。在傳授知識(shí)點(diǎn)時(shí)，發(fā)展觀的融入可以鍛煉學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新精神。矛盾論指出矛盾無所不在，所有的事物都存在矛盾，事物發(fā)展的每時(shí)每刻都存在著矛盾。在教學(xué)過程中，矛盾論的融入能夠培養(yǎng)學(xué)生用對(duì)立統(tǒng)一的規(guī)律分析問題。

（五）將知識(shí)點(diǎn)與職業(yè)理想和職業(yè)道德教育相結(jié)合

職教教師和技能型人才是我校多數(shù)學(xué)生的最終職業(yè)道路。在傳授知識(shí)的同時(shí)，融入職業(yè)理想和職業(yè)道德教育，讓學(xué)生了解本行業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和發(fā)展需求，從而增強(qiáng)學(xué)生的職業(yè)責(zé)任感。而行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)和發(fā)展需求的了解以及職業(yè)責(zé)任感的提升反過來又會(huì)讓學(xué)生明白知識(shí)和技能的重要性，從而點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)動(dòng)力。

二、授課形式思想政治教學(xué)改革

理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是授課的兩種形式。在傳統(tǒng)課堂上，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取的是填鴨式的講授方法。填鴨式教學(xué)是一種灌溉式的教學(xué)方法，教師占絕對(duì)的主導(dǎo)地位，學(xué)生處于被動(dòng)接受地位。由于學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的意愿，填鴨式教學(xué)往往會(huì)引起學(xué)生的逆反心理，從而導(dǎo)致授課效果不佳。因此，我們需要對(duì)傳統(tǒng)的授課形式進(jìn)行思想政治改革，提高教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生的主體地位和自主學(xué)習(xí)意愿。本課程授課形式的思想政治教學(xué)改革可以從以下幾個(gè)方面開展。

（一）推廣BOPPPS教學(xué)模式

BOPPPS教學(xué)模式最早出現(xiàn)于加拿大的教師技能培訓(xùn)中，其目的是為了提高教師的教學(xué)效果和教學(xué)技能[7]。BOPPPS教學(xué)模式與傳統(tǒng)的“老師講，學(xué)生聽”的授課方法不同，它倡導(dǎo)學(xué)生全方位地加入課堂活動(dòng)中，提升學(xué)生的主體地位。其基本步驟是：（1）根據(jù)授課計(jì)劃導(dǎo)入相關(guān)的有趣的例子或小故事，提高學(xué)生的聽課興趣。（2）按照講課內(nèi)容提前指明學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生帶著目標(biāo)去聽課。（3）開展前測，了解學(xué)生先驗(yàn)知識(shí)的儲(chǔ)備，便于調(diào)整授課節(jié)奏。（4）以學(xué)生為主體，鼓勵(lì)學(xué)生自主探討，互動(dòng)式學(xué)習(xí)。（5）開展后測，讓學(xué)生及時(shí)了解學(xué)習(xí)效果，并進(jìn)一步進(jìn)行總結(jié)反思，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的掌握，提高學(xué)習(xí)效果。

（二）理論教學(xué)與模擬仿真同步進(jìn)行

我們借用學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心的大型實(shí)驗(yàn)室，保證每個(gè)學(xué)生都有一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備。在教學(xué)過程中，老師在理論分析后及時(shí)地用MATLAB軟件工具仿真驗(yàn)證，并用多媒體設(shè)備同步展示。同時(shí)，學(xué)生可以跟隨老師自主地進(jìn)行仿真分析，從而提高自己的參與度和學(xué)習(xí)專注度。另外，通過MATLAB和Simulink等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，可以使學(xué)生更好地理解復(fù)雜的理論推導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)意愿。

（三）制定開放式課題

在課程開展的后半階段，根據(jù)所學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)制定開放式課題，讓學(xué)生以小組形式參與完成。由于課題的開放性，學(xué)生小組可以自主地選擇控制器的種類、控制算法以及算法的編排實(shí)現(xiàn)。在完成課題的過程中，必然會(huì)加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生和老師之間的溝通交流，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和合作意識(shí)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

（四）善于利用教材中的錯(cuò)誤

對(duì)于課本中的錯(cuò)誤，老師往往會(huì)在講課前指出并予以糾正。這樣做雖然沒什么問題，但是白白地錯(cuò)過了一次對(duì)學(xué)生進(jìn)行思想政治教育的機(jī)會(huì)。老師對(duì)于教材中的錯(cuò)誤不要急于糾正，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生以質(zhì)疑的眼光看待問題，讓學(xué)生明白“盡信書不如無書”的道理。通過自主地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和改正錯(cuò)誤，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。

（五）組織和指導(dǎo)學(xué)生參加技能大賽

為了將學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用起來，老師應(yīng)積極地組織和指導(dǎo)學(xué)生參加自動(dòng)化專業(yè)的技能大賽，鼓勵(lì)學(xué)生抓住實(shí)戰(zhàn)的機(jī)會(huì)。通過比賽練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用和解決問題的能力。另外，技能大賽的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)歷讓學(xué)生能夠更容易地發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)盲點(diǎn)和弱點(diǎn)。結(jié)合自身的盲點(diǎn)和弱點(diǎn)，有目的性的聽課不但可以提升學(xué)習(xí)意愿，還可以大大加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

三、教學(xué)評(píng)價(jià)思想政治教學(xué)改革

教學(xué)評(píng)價(jià)包括對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)（即考試）和對(duì)教師教學(xué)工作的評(píng)價(jià)（即教學(xué)評(píng)估）。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，考試方式只有開卷和閉卷兩種，形式單一且考查的知識(shí)點(diǎn)有限，不能全面深入地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。而教學(xué)評(píng)估是師生在結(jié)課后進(jìn)行的，所以存在敷衍了事的情況，從而使其失去參考的價(jià)值。對(duì)于評(píng)估結(jié)果，多數(shù)老師往往置之不理，沒有做到及時(shí)總結(jié)和反思。

（一）設(shè)置非標(biāo)準(zhǔn)答案的題目

在教學(xué)過程中，采取線下教學(xué)和線上錄播的形式，及時(shí)地為學(xué)生提供豐富的課程材料和教學(xué)視頻，便于學(xué)生課下的自主學(xué)習(xí)。在此環(huán)境下，在每章作業(yè)中設(shè)置一道非標(biāo)準(zhǔn)答案的題目，考查學(xué)生靈活掌握知識(shí)的能力。對(duì)于給出不同思路的答案，給予加分鼓勵(lì)，記入平時(shí)成績。另外，在試卷式考試方式中，老師也可以在最后設(shè)置一道非標(biāo)準(zhǔn)答案的小題，從而有利于拉開考試成績。

（二）引入非試卷式的考試方法

傳統(tǒng)的開卷考試和閉卷考試僅僅是對(duì)部分知識(shí)點(diǎn)的考查，無法全面地了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)廣度和深度的掌握。為此，我們可以引入非試卷式的考核方法。比如，給定一個(gè)控制系統(tǒng)，提出期望達(dá)到的性能指標(biāo)，讓學(xué)生獨(dú)立自主地設(shè)計(jì)控制器和控制算法。此種考核方法的前提是，老師需要向?qū)W校的實(shí)訓(xùn)中心申請(qǐng)對(duì)學(xué)生開放的時(shí)間，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地。此種考核方式是理論學(xué)習(xí)的全面運(yùn)用，能夠使學(xué)生快速地發(fā)現(xiàn)未掌握和掌握不牢的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也能夠使老師根據(jù)學(xué)生對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，進(jìn)一步調(diào)整授課內(nèi)容和授課形式。

（三）善于利用教學(xué)評(píng)估

為了避免出現(xiàn)敷衍了事的情況，我們可以將教學(xué)評(píng)估安排在課程的末期，并向?qū)W生強(qiáng)調(diào)客觀的教學(xué)評(píng)估的重要性。只有客觀公正的教學(xué)評(píng)估才具有評(píng)判的功效。在獲取客觀的教學(xué)評(píng)估后，老師應(yīng)善于利用它。首先，教師根據(jù)客觀的教學(xué)評(píng)估對(duì)自己的授課內(nèi)容和授課形式進(jìn)行科學(xué)的診斷;其次根據(jù)診斷結(jié)果，堅(jiān)持好的教學(xué)方法，彌補(bǔ)和改正不足之處;最后，不斷地調(diào)整和優(yōu)化授課內(nèi)容和授課形式，提高教學(xué)效果。

結(jié)語

本文以“控制系統(tǒng)建模與仿真”為例，進(jìn)行思想政治教學(xué)改革。在授課內(nèi)容方面，將知識(shí)點(diǎn)分別與技術(shù)熱點(diǎn)、優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神、馬克思主義哲學(xué)、職業(yè)理想和職業(yè)道德教育相結(jié)合，提高新時(shí)代大學(xué)生的知識(shí)素養(yǎng)、文化素養(yǎng)、職業(yè)素養(yǎng)、分析和解決問題的能力。在授課形式方面，改變填鴨式的講授方法，突出學(xué)生的主體地位。在教學(xué)評(píng)價(jià)方面，引入非標(biāo)準(zhǔn)答案的題目和非試卷式的考試方法，全面了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，從而進(jìn)一步調(diào)整授課內(nèi)容和授課形式。同時(shí)，對(duì)于教學(xué)評(píng)估要善于利用，通過對(duì)教學(xué)行為的診斷、激勵(lì)和調(diào)節(jié)，提高教學(xué)效果。

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Abstract： The course of Control System Modeling and Simulation is a comprehensive course for the automation majors， which is the simulation and practice of the theoretical knowledge of control system learned in university. Most traditional teaching methods focus on the use of simulation tools， students often do not know well the code algorithm. Therefore， the reform of ideological and political teaching in this course is carried out from teaching content， teaching form and teaching evaluation. The reform and practice in the ideological and political direction can improve students’ professional knowledge， cultural quality， professional ethics， and innovation ability， and stimulate students’ interest in the algorithm design to discover the beauty of code and algorithm. It can also strengthen students’ engineering thinking ability， so as to train them into skilled talents with all-round development.

Key words： Control System Modeling and Simulation; ideological and political education; teaching reform