任務(wù)驅(qū)動的計(jì)算機(jī)仿真課程教學(xué)改革

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摘要：《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》是自動化相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在通過學(xué)習(xí)，掌握基于計(jì)算機(jī)軟件的控制系統(tǒng)建模、仿真、分析和設(shè)計(jì)等任務(wù)。針對目前課程開設(shè)中存在的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)問題，探討以任務(wù)為驅(qū)動的教學(xué)模式改革，通過分階段、分層次地設(shè)置具體的仿真任務(wù)，提高學(xué)生的積極性和參與度，并有針對性地講解任務(wù)所涉及的知識點(diǎn)，加深理解，學(xué)以致用。實(shí)踐表明，這可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)仿真；任務(wù)驅(qū)動；教學(xué)改革

一、課程簡介

《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》是自動化相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是指以數(shù)字計(jì)算機(jī)為主要工具，編寫并且運(yùn)行反映真實(shí)的自動控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的程序，對計(jì)算機(jī)輸出的信息進(jìn)行分析和研究，從而對系統(tǒng)性能進(jìn)行評價(jià)[1]。它旨在通過學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握利用MATLAB軟件對自動控制系統(tǒng)分析及其設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字仿真的技術(shù)。自動控制系統(tǒng)仿真已經(jīng)成為從事控制領(lǐng)域以及相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)及科研人員所必須掌握的一門技術(shù)。課程內(nèi)容主要包含以下7個模塊。除上述學(xué)習(xí)模塊外，課程還包含4次上機(jī)實(shí)驗(yàn)課及為期一周的課程設(shè)計(jì)，旨在通過上述內(nèi)容學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，掌握可用于計(jì)算機(jī)仿真的相關(guān)方法，熟練掌握基于Simulink的控制系統(tǒng)仿真方法，借助參考資料可以使用1—2種工具箱進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)。盡管計(jì)算機(jī)仿真課程在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是實(shí)際教學(xué)過程中仍然存在著一些無法忽略的問題，如課程內(nèi)容選擇、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置、考核評價(jià)等。為了豐富和完善現(xiàn)有教學(xué)手段和模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，文獻(xiàn)[2]主張將計(jì)算機(jī)仿真與自動化專業(yè)課程相結(jié)合。文獻(xiàn)[3]針對目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出一種將單片機(jī)硬件與計(jì)算機(jī)仿真軟件相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，提高教學(xué)質(zhì)量。為了提高學(xué)生的創(chuàng)造能力、分析和解決問題的能力，文獻(xiàn)[4]有機(jī)地結(jié)合理論和實(shí)踐部分的內(nèi)容，并對實(shí)踐環(huán)節(jié)和考核方式等方面進(jìn)行了改革和實(shí)踐。文獻(xiàn)[5]針對計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)中存在的問題，探討了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體系、教學(xué)方法等方面的改革方案。針對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，文獻(xiàn)[6]提出了基于計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)理論到仿真模型的探索階段、仿真模型到實(shí)際電路的磨合階段、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的升華階段的“三段式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。文獻(xiàn)[7]指出計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容與自動化專業(yè)其他課程之間的聯(lián)系，結(jié)合自動化工程背景設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。目前，市面上已有大量的計(jì)算機(jī)仿真相關(guān)教材/資料可供選擇，因此針對教材建設(shè)問題，無法也無需編寫一本通用、全面的教材，授課教師可以根據(jù)各個專業(yè)的側(cè)重點(diǎn)選取合適的知識點(diǎn)和內(nèi)容加以應(yīng)用。加之，多元化的考核方式已經(jīng)在較多課程中加以運(yùn)用。所以，本文將針對教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)問題，結(jié)合實(shí)際授課情況，探討基于任務(wù)驅(qū)動的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真課程的教學(xué)改革。

二、基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法是一種以解決問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，最根本的特點(diǎn)就是“以任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變“教師講，學(xué)生聽”的被動教學(xué)模式，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)及與他人協(xié)作的能力的目的。目前，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法已成為一個頗為重要的教學(xué)方法。結(jié)合《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》課程的主要內(nèi)容，可以這樣設(shè)計(jì)：模塊1—3為計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)知識，模塊4的Simulink建模與仿真是核心，模塊5—7是在Simulink建模仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及工具箱應(yīng)用。以控制系統(tǒng)Simulink建模仿真為例，設(shè)計(jì)基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)環(huán)節(jié)，如圖1所示，其中包含課程內(nèi)容設(shè)置的模塊1—4。在授課過程中，以《自動控制原理》教材中熟悉的水位控制系統(tǒng)為例，布置任務(wù)如下：基于水位控制系統(tǒng)建立Simulink仿真系統(tǒng)，要求：（1）分析系統(tǒng)的可控性及可觀性；（2）使用不同的控制系統(tǒng)模型描述方法，并驗(yàn)證其仿真結(jié)果是否一致；（3）該控制系統(tǒng)以子模塊的形式完成并予以封裝；（4）編寫S函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真；（5）基于系統(tǒng)的仿真結(jié)果繪制響應(yīng)曲線。上述5個要求是遞進(jìn)式、可調(diào)可控的，前者為后者的基礎(chǔ)，包含基于Simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真的知識點(diǎn)，并且是一體的。因此，可以以此類推，根據(jù)專業(yè)相關(guān)特定知識點(diǎn)設(shè)置具體要求，以便更好地涵蓋需要掌握的內(nèi)容和難易程度。《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》課程是《Matlab語言及其應(yīng)用》的延續(xù)課程，其中Matlab軟件的相關(guān)操作和編程是計(jì)算機(jī)仿真課程的基礎(chǔ)，若按照常規(guī)授課方式，先回顧Matlab的相關(guān)知識點(diǎn)，難免會給學(xué)生造成“又是Matlab編程”的錯覺，影響學(xué)習(xí)的興趣和積極性。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)仿真課程是結(jié)合所學(xué)專業(yè)開展的借助計(jì)算機(jī)軟件完成的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的任務(wù)，而非簡單或普通意義上的計(jì)算機(jī)編程。若以任務(wù)為驅(qū)動，首先提出與專業(yè)緊密聯(lián)系的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的具體要求，引起學(xué)生的關(guān)注；接下來，通過分析解決該問題所需要遵循的步驟以及涉及的相關(guān)知識點(diǎn)，并對新知識點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)闡述和講解，而對已知的知識點(diǎn)僅做簡單回顧；最后，通過一系列的分析和補(bǔ)充，達(dá)到完成仿真任務(wù)的目的。以任務(wù)為驅(qū)動的計(jì)算機(jī)仿真課程教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置，可以兼顧不同層次學(xué)生的進(jìn)度，避免過易過難情況的發(fā)生。此外，進(jìn)行控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)安排時(shí)，可根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況分組完成，這樣可以促進(jìn)學(xué)生間的交流與協(xié)作，發(fā)揮各自長處，通過有益的交流和討論，加深對相關(guān)知識點(diǎn)的認(rèn)識和理解，便于后續(xù)應(yīng)用。

三、結(jié)語

《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》課程是自動控制原理與計(jì)算機(jī)編程的緊密結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)軟件完成控制系統(tǒng)建模仿真及分析設(shè)計(jì)。它不僅有助于本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，還對學(xué)生后續(xù)工作及研究中的遇到的控制系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了提高課程教學(xué)質(zhì)量，本文探討了以任務(wù)為驅(qū)動的教學(xué)模式改革。以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)仿真任務(wù)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識點(diǎn)，最終圓滿完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。通過實(shí)際教學(xué)操作，不僅可以提高學(xué)生對仿真技術(shù)的理解和掌握，還能加深對控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的理解，提高學(xué)生的參與度及積極性，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

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作者:戴麗珍 楊剛 單位:華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院