基于任務驅動的控制系統(tǒng)計算機仿真課程教學改革探索

戴麗珍 楊剛

摘要：《控制系統(tǒng)計算機仿真》是自動化相關專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎課程，旨在通過學習，掌握基于計算機軟件的控制系統(tǒng)建模、仿真、分析和設計等任務。針對目前課程開設中存在的教學環(huán)節(jié)設計問題，探討以任務為驅動的教學模式改革，通過分階段、分層次地設置具體的仿真任務，提高學生的積極性和參與度，并有針對性地講解任務所涉及的知識點，加深理解，學以致用。實踐表明，這可以有效地提高教學質量。

關鍵詞：控制系統(tǒng)；計算機仿真；任務驅動；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0087-02

一、課程簡介

《控制系統(tǒng)計算機仿真》是自動化相關專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，是指以數(shù)字計算機為主要工具，編寫并且運行反映真實的自動控制系統(tǒng)運行狀況的程序，對計算機輸出的信息進行分析和研究，從而對系統(tǒng)性能進行評價[1]。它旨在通過學習使學生掌握利用MATLAB軟件對自動控制系統(tǒng)分析及其設計進行數(shù)字仿真的技術。自動控制系統(tǒng)仿真已經成為從事控制領域以及相關行業(yè)的工程技術及科研人員所必須掌握的一門技術。課程內容主要包含以下7個模塊。

除上述學習模塊外，課程還包含4次上機實驗課及為期一周的課程設計，旨在通過上述內容學習，使學生能夠對復雜系統(tǒng)進行計算機仿真，掌握可用于計算機仿真的相關方法，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種工具箱進行計算機仿真設計。盡管計算機仿真課程在專業(yè)課程學習中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是實際教學過程中仍然存在著一些無法忽略的問題，如課程內容選擇、教學環(huán)節(jié)設置、考核評價等。為了豐富和完善現(xiàn)有教學手段和模式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，文獻[2]主張將計算機仿真與自動化專業(yè)課程相結合。文獻[3]針對目前單片機實驗教學中存在的問題，提出一種將單片機硬件與計算機仿真軟件相結合，利用計算機仿真技術進行單片機實驗教學的方法，提高教學質量。為了提高學生的創(chuàng)造能力、分析和解決問題的能力，文獻[4]有機地結合理論和實踐部分的內容，并對實踐環(huán)節(jié)和考核方式等方面進行了改革和實踐。文獻[5]針對計算機仿真技術實驗課程在教學中存在的問題，探討了教學內容、教學體系、教學方法等方面的改革方案。針對傳統(tǒng)的實驗教學模式，文獻[6]提出了基于計算機仿真的基礎理論到仿真模型的探索階段、仿真模型到實際電路的磨合階段、基礎實驗到創(chuàng)新實驗的升華階段的“三段式”實驗教學模式。文獻[7]指出計算機仿真基礎課程教學內容與自動化專業(yè)其他課程之間的聯(lián)系，結合自動化工程背景設置實驗教學內容。目前，市面上已有大量的計算機仿真相關教材/資料可供選擇，因此針對教材建設問題，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)的側重點選取合適的知識點和內容加以應用。加之，多元化的考核方式已經在較多課程中加以運用。所以，本文將針對教學環(huán)節(jié)設計問題，結合實際授課情況，探討基于任務驅動的控制系統(tǒng)計算機仿真課程的教學改革。

二、基于任務驅動的教學環(huán)節(jié)設計

“任務驅動”教學法是一種以解決問題為導向的教學方法，最根本的特點就是“以任務為主線、教師為主導、學生為主體”，改變“教師講，學生聽”的被動教學模式，以達到激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力、提高學生自主學習及與他人協(xié)作的能力的目的。目前，任務驅動教學法已成為一個頗為重要的教學方法。結合《控制系統(tǒng)計算機仿真》課程的主要內容，可以這樣設計：模塊1—3為計算機仿真的基礎知識，模塊4的Simulink建模與仿真是核心，模塊5—7是在Simulink建模仿真的基礎上進行的控制系統(tǒng)分析、設計及工具箱應用。以控制系統(tǒng)Simulink建模仿真為例，設計基于任務驅動的教學環(huán)節(jié)，如圖1所示，其中包含課程內容設置的模塊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，并驗證其仿真結果是否一致；（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)實現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真；（5）基于系統(tǒng)的仿真結果繪制響應曲線。上述5個要求是遞進式、可調可控的，前者為后者的基礎，包含基于Simulink進行控制系統(tǒng)仿真的知識點，并且是一體的。因此，可以以此類推，根據(jù)專業(yè)相關特定知識點設置具體要求，以便更好地涵蓋需要掌握的內容和難易程度。《控制系統(tǒng)計算機仿真》課程是《Matlab語言及其應用》的延續(xù)課程，其中Matlab軟件的相關操作和編程是計算機仿真課程的基礎，若按照常規(guī)授課方式，先回顧Matlab的相關知識點，難免會給學生造成“又是Matlab編程”的錯覺，影響學習的興趣和積極性。實際上，計算機仿真課程是結合所學專業(yè)開展的借助計算機軟件完成的控制系統(tǒng)分析和設計的任務，而非簡單或普通意義上的計算機編程。若以任務為驅動，首先提出與專業(yè)緊密聯(lián)系的控制系統(tǒng)計算機仿真的具體要求，引起學生的關注；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知識點，并對新知識點進行重點闡述和講解，而對已知的知識點僅做簡單回顧；最后，通過一系列的分析和補充，達到完成仿真任務的目的。以任務為驅動的計算機仿真課程教學環(huán)節(jié)設置，可以兼顧不同層次學生的進度，避免過易過難情況的發(fā)生。此外，進行控制系統(tǒng)的計算機仿真實驗安排時，可根據(jù)學生的實際情況分組完成，這樣可以促進學生間的交流與協(xié)作，發(fā)揮各自長處，通過有益的交流和討論，加深對相關知識點的認識和理解，便于后續(xù)應用。

三、結語

《控制系統(tǒng)計算機仿真》課程是自動控制原理與計算機編程的緊密結合，旨在培養(yǎng)學生借助計算機軟件完成控制系統(tǒng)建模仿真及分析設計。它不僅有助于本科畢業(yè)設計的完成，還對學生后續(xù)工作及研究中的遇到的控制系統(tǒng)分析及設計都具有重要的現(xiàn)實意義。為了提高課程教學質量，本文探討了以任務為驅動的教學模式改革。以實際應用為導向，根據(jù)實際系統(tǒng)仿真任務設計教學環(huán)節(jié)，循序漸進地學習和掌握相關知識點，最終圓滿完成實驗任務。通過實際教學操作，不僅可以提高學生對仿真技術的理解和掌握，還能加深對控制系統(tǒng)分析設計的理解，提高學生的參與度及積極性，切實提高教學質量。

參考文獻：

[1]張曉江，黃云志.自動控制系統(tǒng)計算機仿真[M].機械工業(yè)出版社.2009.

[2]白銳，張健.計算機仿真技術在自動化專業(yè)教學過程中的應用研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（21）：58-59.

[3]王自珍，殳國華，張士文.基于計算機仿真技術的MSP430單片機實驗教學實例[J].實驗室研究與探索，2013，32（9）：94-97.

[4]施彥，翁貽方，韓力群.《控制系統(tǒng)計算機仿真》課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2008，（9）：74-75.