《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程改革與教學方法研究

摘要本文分析了《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程的教學內(nèi)容特點，詳細闡述該課程建設中教學方式的改革與完善，論述該課程的拓展和延伸內(nèi)容。針對本課程的雙語教學方法，提出一些教學思路和方法，為《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程的建設提出了比較新穎的教學理念并提供了一種有效的教學模式。

關鍵詞 控制系統(tǒng)仿真 課程改革 現(xiàn)代教學方式 雙語教學

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

\"Control System Simulation and CAD \" Curriculum

Reform and Teaching Methods Study

XU Yuge

(South China University of Technology Automation college，Guangzhou， Guangdong 510641)

AbstractThis paper analyzes the main characteristics of the \"Control System Simulation and CAD\" course. It describes the course reformation and improvement of teaching methods in detail. Aiming at the bilingual education， we also propose some novel ideas. And we received a positive response from the students.

Key wordscontrol system simulation; curriculum reform; modern teaching methods; bilingual education

0 引言

計算機輔助設計是計算機技術(shù)飛速發(fā)展的重要產(chǎn)物之一，它已經(jīng)成為工程設計及科學研究工作不可缺少的重要工具。數(shù)字仿真理論是計算機輔助設計的重要基礎。作為自動化專業(yè)學生，以后可能會成為從事自動控制系統(tǒng)研究、設計、分析及維護的工程技術(shù)人員，掌握控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及計算機輔助設計知識是非常必要的。

為適應當今網(wǎng)絡及計算機技術(shù)快速發(fā)展的時代要求，促進學生的綜合素質(zhì)發(fā)展，進一步推進教育創(chuàng)新，探索新時代下的教育教學改革非常必要。為更好的開展《控制系統(tǒng)仿真與CAD》的課程教學，取得滿意的教學效果，提高學生對課程知識的接收程度，提高自動化專業(yè)學生的專業(yè)素質(zhì)和綜合素質(zhì)，我們進行了一系列的教學創(chuàng)新和教學改革?！犊刂葡到y(tǒng)仿真與CAD》是自動化專業(yè)本科生的專業(yè)選修課程，該課程建設在現(xiàn)有教學資源的基礎上，對課程特點進行分析，不斷完善教學方式，利用多媒體課件和教學網(wǎng)站的優(yōu)勢，在教學實踐中對該課程教學效果進行檢驗，獲得了學生的積極響應。

1 《控制系統(tǒng)仿真與CAD》的課程特點分析

《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程主要講授控制系統(tǒng)的計算機仿真理論知識以及計算機輔助工具（主要是MATLAB語言）在控制系統(tǒng)建模、仿真分析與設計等研究領域的應用。利用計算機輔助技術(shù)進行動態(tài)系統(tǒng)的建模、分析、設計和參數(shù)優(yōu)化等，其基本方法概括起來有三個步驟：第一步，首先采用測試方法求出被控對象各個環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，例如傳遞函數(shù)，稱為一次模型化；第二步，將被控對象的傳遞函數(shù)離散化，得到離散化仿真模型，稱為二次模型化；第三步，采用計算機仿真手段在計算機上對過程控制系統(tǒng)進行分析、研究和設計。該課程的最大特點是理論知識與實際應用相結(jié)合。課程內(nèi)容主要是兩個部分：一個是仿真理論基礎部分，要求學生從原理上學習并掌握系統(tǒng)仿真的理論和算法，比如連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型；幾種常用求解微分方程的數(shù)值積分法；從系統(tǒng)的微分方程和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用數(shù)值積分法的數(shù)字仿真；連續(xù)過程控制系統(tǒng)的離散相似法仿真以及采樣控制系統(tǒng)的數(shù)值積分法仿真和離散法仿真等內(nèi)容。另一個主要內(nèi)容是以MATLAB語言為主的軟件應用部分。MATLAB語言功能強大，使用簡單方便，人機界面良好。MATLAB軟件，還含有Simulink動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件和MATLAB工具箱（Toolbox），這使其成為工程教學中目前最流行的計算機輔助設計和輔助教學軟件之一，如何真正應用好MATLAB軟件的強大計算功能，設計出令人滿意的控制系統(tǒng)仿真模型，也是我們課程要完成的主要任務。

所以，面對理論知識學習和實際軟件動手操作兩種區(qū)別較大的課程內(nèi)容，我們的課程教學必須注意具體問題具體分析。面對理論知識部分，我們要多注重從理論推導、歸納和總結(jié)等角度進行教學；面對軟件應用部分，我們應要求學生多動手、多實踐、從實際應用中找出不足和問題，再有針對性地去解決問題。

2 教學方式的改革與完善

傳統(tǒng)的教學大多采用教師黑板板書和口頭傳授，學生閱讀紙質(zhì)教科書的方式，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及多媒體課件體現(xiàn)出的優(yōu)勢，教師的教課方式也在黑板板書和口頭傳授的基礎上，增加了計算機輔助教學的方式。在《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程中，所有課程都是在電教室進行，采用電腦和投影儀，播放教師自己編寫和制作的電子課件進行授課。由于在課程中，有關MATLAB語言工具的應用非常多，圖形、界面以及Simulink仿真環(huán)境下如何進行控制系統(tǒng)的建模、分析與設計等內(nèi)容都需要通過PPT電子課件或者對軟件的實際操作來講解給學生。所以，采用電子課件的授課方式，可以很好地解決這個問題。

另外，《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程中的經(jīng)常要演示MATLAB語言和Simulink仿真環(huán)境下建模的過程，還需要根據(jù)軟件運行結(jié)果分析所建立模型的效果，因此，如果我們采用例如flash軟件制作了一些控制系統(tǒng)仿真建模整個過程的動態(tài)示意動畫，把這些圖片、動畫在課堂上播放給學生看，讓他們對如何進行控制系統(tǒng)建模有最直觀的了解，從感觀上認識控制系統(tǒng)仿真的每個具體步驟，對于該課程的學習具有非常好的促進作用，對于學生日后進行自主控制系統(tǒng)仿真研究也有很好的指導作用。

該課程依托華南理工大學建設的教學改革項目，課題組還建立了課程的教學網(wǎng)站。我們的教學網(wǎng)站上主要分為課程描述、教學隊伍、實驗教學、自我評價、課程建設規(guī)劃、作業(yè)管理、教學資源和教學論壇等幾個大模塊。通過閱讀該網(wǎng)站的信息，可以讓學生對控制系統(tǒng)仿真課程從整體上有一個全面的認識，也對更好的學習該課程打下了良好的基礎。網(wǎng)站中的教學資源模塊中，會放上對該課程錄制授課的視頻錄像，本校學生甚至外校學生都可以自由下載觀看。在教學網(wǎng)站上，還上傳有該課程的電子課件，包括該課程的所有考核要求的知識點。學生可以在老師授課前期通過網(wǎng)上下載預習，或供以后備考或工程項目技術(shù)參考，而相關的英文資料資源，即可讓學生獲取原汁原味的國外相關技術(shù)知識，又可提高其專業(yè)英語方面的能力；同時網(wǎng)絡資源也為教師備課提供了豐富的素材。另外，課程的習題思考題以及參考答案都可以在教學資源中找到，對于提高學生的自學能力具有很好的幫助作用。另外開辟本課程的論壇，讓學生自主交流，讓學生和教師的交流和溝通更加及時和順暢，學生可以在論壇上對該課程的授課效果進行評價，可以給教師提問題等等。教學網(wǎng)站，可以讓學生與老師之間或者學生們之間進行課程相關知識的研究和討論，不受時間和空間的限制，很大程度上提高了學生與老師的交流效率。甚至通過教學網(wǎng)站這個平臺，老師與同學之間還可以就其他相關專業(yè)問題、畢業(yè)找工思路、專業(yè)定位等學生們非常關心的問題進行溝通。

隨著社會發(fā)展，采用先進的教學方法進行課程教授非常必要，但是這些新型教學方法只是我們教學方式的一種有力補充，決不是完全替代傳統(tǒng)的教學方法。比如采用電子課件后，黑板板書方法也不能丟棄，因此，在控制系統(tǒng)仿真的課程教學中，把傳統(tǒng)教學方式和先進教學方式相結(jié)合，取長補短，達到最好的教學效果，才是我們教學方式改革的最終目的。

3 課程的拓展與延伸

從一般意義上講，控制系統(tǒng)仿真與CAD課程的教學目標是掌握控制系統(tǒng)的計算機仿真理論知識并學習MATLAB軟件在控制系統(tǒng)建模、仿真分析與設計等具體操作。然而，控制系統(tǒng)仿真與CAD課程并不是一門獨立的課程，它和自動化專業(yè)的許多專業(yè)課有著緊密的關聯(lián)性，可以說，控制系統(tǒng)仿真與CAD課程就像是一件功能強大的工具。如果能學習掌握好這個工具，并很好的應用在自動化專業(yè)的主要專業(yè)課程的學習中，甚至在本科畢業(yè)以后的科研或者實際工作中，能利用所學的控制系統(tǒng)仿真與CAD課程知識為自己的工作服務，則是本課程學習的最終目標。

另外，計算機輔助控制系統(tǒng)設計（以MATLAB軟件為主）反過來又促進了控制理論及控制系統(tǒng)設計方法的發(fā)展。比如，在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計方法中，主要采用傳遞函數(shù)和頻率特性的方法，計算和制圖都非常復雜，工作量很大。現(xiàn)在，由于計算機可以用來輔助控制系統(tǒng)的設計，這樣才有可能使基于狀態(tài)空間表示的時域分析方法應用于像線性二次型最優(yōu)控制、最優(yōu)估計、系統(tǒng)辨識的參數(shù)估計方法等，也使多變量系統(tǒng)的現(xiàn)代頻域設計方法獲得了廣泛的發(fā)展，并真正在實際中得到應用。借助計算機的力量，很多理論算法都得到了實際應用。因此，了解控制系統(tǒng)仿真與CAD課程的拓展和延伸非常重要。

4 雙語課程的開展思路

為了把控制系統(tǒng)仿真與CAD課程的知識不斷更新，與國際接軌，我們在教學中進行改革，建立了雙語教學模式。因為多數(shù)先進技術(shù)文獻和系統(tǒng)仿真軟件均為英文教材，隨著國際層次學術(shù)及經(jīng)驗交流的增多，學生的專業(yè)英語水平還顯得非常不足，雙語教學很有必要性?？刂葡到y(tǒng)仿真與CAD課程如何開展，我們認為可以從如下幾個方面展開：

第一，盡量采用英文原版教材，或者給學生提供英文原版教材作為參考文獻，增加學生的專業(yè)詞匯量及專業(yè)語法及句子表達方式等方面的理解，建立的教學網(wǎng)站盡量實現(xiàn)中英文并存，把課程網(wǎng)站制作成中英文兩種版本。第二，在雙語教學的課堂上，對于授課老師而言，發(fā)音要準，在授課的過程中分階段逐步加大英文講解的時間比例，直到最后全程英文，但是對于比較晦澀的內(nèi)容，要適當配以中文講解；影音，對于我們使用的多媒體課件或視頻，要配有標準英語發(fā)音的講解，用以為老師和學生正音。當然，當前專業(yè)課教師的英文水平不夠高，也是阻礙雙語教學順利進行的主要原因之一。另外，要求學生在回答老師問題時，盡可能用英語作答，并在課堂上通過分組討論，課堂講演等形式提高學生積極性及參與度，盡可能地提高學生們說英語的能力。第三，教給學生利用網(wǎng)絡進行專業(yè)相關英文文獻的查詢方法。當前互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展飛速，很多最新的學術(shù)論文、科技文獻資料都可以從網(wǎng)絡上獲取，這是獲取最新專業(yè)資訊的最佳途徑。但是有很多學生還沒有掌握如何進行中英文文獻查詢，因此，在雙語教學環(huán)節(jié)，普及利用網(wǎng)絡進行專業(yè)相關英文文獻的查詢方法是我們雙語教學的一項任務。

5 《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程建設的思考

隨著控制系統(tǒng)仿真軟件的不斷發(fā)展，我們的課程設置需要不斷更新。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我們的教學改革也在不斷進行中。教學網(wǎng)站也要不斷維護，持續(xù)更新，充分提高網(wǎng)絡資源的利用率。本文主要針對《控制系統(tǒng)仿真與CAD》的課程改革和教學方法進行了論述。希望可以繼續(xù)努力，把《控制系統(tǒng)仿真與CAD》課程的建設深入下去，取得更好的教學效果。

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