基于項目驅動的《系統仿真》課程教學案例設計與實踐

孫凱 張芳芳 馬鳳英

（齊魯工業大學（山東省科學院） 電氣工程與自動化學院，山東 濟南 250353）

摘? 要：針對目前研究生課程《系統仿真》教學過程中存在的理論知識偏多、教學模式單一、實踐性不足等問題，采用基于項目驅動教學法。以研究生導師生產實踐、研究應用為基礎搜集、整理素材，整合優化資源，設計理論與實踐緊密結合的課程案例。學生在學習過程中，針對具體案例進行項目分析、數據處理、建模仿真、互動式討論最后形成項目報告。實踐結果表明教學改革取得了良好的效果，學生的科研能力得到了明顯的提升。

關鍵詞：控制科學與工程;系統仿真;項目驅動;教學案例

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）21-0101-03

Abstract： Based on the problems of the excess of theoretical knowledge， the simplicity of teaching mode and the lack of practicality in the teaching process of the current graduate course "System Simulation"， this study put forward the project-driven teaching method. The relevant project cases with close combination of theory and practice is designed based on the teaching materials from production practice and research application of tutors， teaching resources integrated and optimized. During the learning process， postgraduates conduct project analysis， data processing， modeling and simulation， and interactive discussions for specific cases to form a project report. The results of practice show effectiveness of the teaching reforms and the ability of students' scientific research has been significantly improved.

Keywords： control science and engineering; system simulation; project driven; teaching case library

一、概述

《系統仿真》是控制科學與工程專業研究生的一門專業選修課。該課程通過理論授課與實踐教學相結合，使學生建立系統仿真的基本概念，掌握常用的仿真方法和建模技術，能夠通過計算機輔助分析對象并設計控制系統，為研究生從事本專業相關領域的研究與工作奠定基礎[1]。由于該課程是一門多學科綜合交叉的課程，所涉及理論、工程知識較多，且對研究生的編程能力要求較高，如果只是按照課本講解理論知識，很難充分調動學生的學習積極性，教學效果不夠理想[2]。項目驅動教學是指在教學過程中預習布置與課程知識相關、工作量適當的任務，學生經過學習課本知識、查閱資料、實際操作、形成總結，最后教師結合學生成果進行理論知識教學、討論的一種互動式教學方式[3]。

建設研究與應用結合、高質量的案例庫是碩士生人才培養模式改革的必然，具有非常重要的意義[4]。近年來，國內一些高校的任課教師，將課程知識與社會生產實踐聯系，并結合自己工程實踐的經驗開展有針對性的教學[5]。部分承擔工程碩士研究生課程教學的教師也逐步地認識到實踐能力培養對工程碩士培養的重要性，已經開始有意識地采用項目驅動式、案例討論式教學方法，并積極開發教學案例，取得了不錯的成果[6-8]。但是，目前的教學案例庫建設仍存在以下問題：

1. 案例設計不夠規范。案例庫中的每個案例都應該是一個相對完整的事件，包括教學目的與用途、相關課程知識、與課程相關的工程背景、相關附件（圖表、生產數據、附錄等）、啟發思考問題、分析思路、關鍵技術以及教學方法等，并且應與培養計劃和教學大綱緊密結合。現有的案例庫建設主要依靠任課教師在教學及工程應用中的興趣與愛好，案例的收集與設計也主要是個人行為，所建設案例不夠完善，無法涵蓋。

2. 案例庫中與工程應用結合不夠緊密。現有的案例庫中仿真型、示例型案例較多，與工業過程實際應用相關的案例缺乏，僅能夠滿足理論知識的教學，對學生實踐能力、解決問題的能力提升不足。

3. 各章節的教學案例各自獨立，不夠系統。案例庫中的不同案例僅針對單獨章節的內容，互相之間的銜接不夠，不能讓學生通過一個完整的案例理解各章節間的相互關系，從而系統地學習、掌握本課程的知識。

二、基于項目驅動的案例建設

針對目前高校在研究生課程《系統仿真》案例庫建設中存在的問題，課程組主要進行了以下工作：

1. 建立案例庫編寫標準與規范。按照專業學位類別培養方案設置的課程教學大綱進行建設，嚴格按照所在專業的碩士生教學指導委員會相關要求，制定案例庫編寫標準與規范。每個案例都應包含教學目的與用途、課程理論知識、工程背景、相關附件、問題提出、解決方案、關鍵技術等內容，具有較高的完整性。本課程教學大綱各章節內容及學時分配如表1所示，理論講授與討論、論文、實驗、設計等綜合課時比為20：12，教學內容安排兼顧理論知識教學與學生綜合能力鍛煉。

表1 《系統仿真》課程教學大綱章節內容及學時分配

2. 從實際出發，以研究生導師課題研究、生產實踐為背景，搜集、整理教學素材，案例設計與工程應用緊密結合，能夠體現課程理論教學中的重點、難點問題，開發基于真實情境且符合教學要求的高質量教學案例。案例具有代表性、典型性、實用性以及創新性。經過一段時間的建設，目前已建設教學案例有：

（1）某鋼廠干熄焦工藝為背景的基于數據驅動的系統建模與仿真;

（2）某電廠脫硫工藝為背景的電機PID控制設計;

（3）某空氣分離裝置氧氣濃度在線分析儀設計。

已建設案例內容、相關理論章節、教學形式及課時分配如表2所示。由表2可知，這些案例能夠基本覆蓋本課程各章節理論內容，教學形式包括師生討論、仿真實驗、程序及控制系統設計、PPT及口頭報告、論文等。教學課時安排合理，內容豐富，形式多樣，對學生課程知識的掌握、科研能力的培養具有良好的促進作用。

3. 案例庫整合與優化。從實際案例中提取與課程理論內容相關工藝、數據、應用對象。進一步，圍繞教學內容組合優化案例，與案例相關的不同章節內容進行仿真、程序測試，提升學生分析問題、綜合利用知識、解決問題的能力。

三、典型案例設計

以教師研究項目“某鋼廠干熄焦系統建模與控制優化”為典型案例。干熄焦技術主要是利用惰性氣體吸收焦炭的熱量，將紅焦降溫冷卻的一種工藝方法。典型的干熄焦系統如圖1所示，吊車將紅焦炭從干熄爐頂部倒入;低溫的惰性氣體被鼓風機吹入干熄爐冷卻段，吸收紅焦炭里面的顯熱，冷卻后的焦炭從干熄爐的底部排出;經過熱交換后的高溫惰性氣體除塵，并在鍋爐與水進行熱交換，產生蒸汽;再次冷卻后的惰性氣體由循環風機重新吹入干熄爐進行下一次熱交換;系統產出的蒸汽可用來發電、集中供暖等。該技術具有焦炭質量高、有害物質排放低、節能等特點。同時，干熄焦工藝對控制系統的穩定性、可靠性要求比較高，尤其是干熄焦鍋爐系統中蒸汽溫度的控制，對整個運行系統的安全性和經濟性有著重要影響。

圖1 干熄焦生產工藝圖

本案例以干熄焦生產工藝出發，利用歷史生產數據、整理素材，嚴格按照案例庫編寫標準與規范，圍繞本課程理論知識，設計符合課程教學大綱的案例，教學中采用啟發式、討論式及項目探究式等各種教學方法，引導學生分析、研究，使用本課程的工具進行工業數據分析、控制器設計及仿真，最后制作PPT，做口頭報告并撰寫論文完成項目內容。本案例所涉及與課程相關教學內容有：

1. 基于MATLAB的數據挖掘技術。針對工廠實際生產數據，利用聚類分析、特征選擇、最小二乘回歸、相關性分析等技術，分析影響生產工藝的關鍵變量及線性、非線性關系等。經過對10000筆歷史數據相關性分析可得，循環風溫度（TCGB）與蒸汽產量（MST）存在高度的線性相關，如圖2所示。因此，如何提高蒸汽產量可以轉化為對循環風溫度的控制。

2. 仿真圖形繪制及分析。MATLAB具有強大的圖形繪制功能，傳統的課程教學中，案例單一且應用對象簡單，對學生的根據圖形進行分析能力鍛煉不夠。針對本案例提供的工藝背景及數據，學生可以繪制各種變量的直方圖、餅圖、3D分布圖等，并結合上部分內容所講授的數據挖掘技術進行綜合分析，進行項目的探究與討論。

3. 神經網絡建模及系統仿真。神經網絡在建模仿真、時間序列預測、系統辨識、優化控制等領域有著廣泛的應用。特別在復雜生產過程的控制中，神經網絡能夠提供精確的控制模型，是解決自動控制中控制器適應能力的關鍵。近年來，基于神經網絡的機器學習算法在工業控制中的應用也越來越廣泛。然而，目前教學中該部分內容僅限于理論講授，對實際工業案例涉及較少，教學方法陳舊。本案例基于神經網絡，以循環風溫度（TCGB）為目標變量，以其余變量作為輸入變量，進行數據驅動的建模，建模結果如圖3所示。由圖3可以看出，神經網絡建模預測值與真實值非常接近，本案例所設計的神經網絡能夠準確地預測目標變量的變化，該結果能為控制器設計奠定堅實的基礎。

四、教學實踐結果

2016-2018年，利用本研究所設計的案例，對本校控制科學與工程專業三屆碩士生進行項目驅動式的教學實踐。本課程為專業選修課，課程為32課時，分為16周授課。研究生在每學期以專題報告的形式進行2次項目報告。首先以實際生產案例為研究對象，從案例庫中或導師科研題目中自選題目，結合本課程理論知識，進行項目分析、資料查詢，提出問題;其次利用MATLAB工具箱進行數值分析、建模仿真、圖形繪制等;最后制作PPT并做專題報告，師生參與討論并給出針對性意見。另外，研究生還要根據討論結果進一步改進，完成一篇研究性論文作為本課程大作業并進入考核體系。相應的，期末考核體系也做了調整，加大了學生科研能力在教學成績評價中的比例，期末考試、平時作業及出勤、科研能力的形成性評價所占比例分別為50%、20%、30%。

任課教師在教學過程中，能夠通過項目報告及時了解學生的學習情況，以及在理論教學中的問題，通過在教學過程中獲得的反饋，教師可以隨時調節各章節教學的計劃，改善教學方法。學生在整個學習過程中，主觀能動性更強，課堂氣氛更活躍，與教師的討論、互動明顯增多，學生的期末考試也取得了滿意的成績。在案例項目的研究過程中，鍛煉了學生的文獻檢索能力、仿真建模能力、程序設計能力、數據分析能力及寫作表達能力，研究生以本課程案例為被研究背景的進一步深入研究，發表科研論文5篇。同時，教師在任課過程中也不斷的調整授課內容，改進案例，適應學生學習能力及科研需要，課程內容安排也更加合理。

五、結束語

本論文針對高等院校控制科學與工程碩士研究生《系統仿真》課程教學中存在的課堂教授內容較多、學生積極性不夠、教學效果不理想等現狀，建設基于項目驅動的教學案例庫。項目案例嚴格按照專業學位類別培養方案設置的課程大綱進行設計，內容全面涵蓋課程理論知識、工程背景、相關附件、問題提出、解決方案、關鍵技術等。案例具有代表性、典型性、實用性以及創新性，能夠鍛煉本專業碩士研究生工程思維，提高學生文獻檢索能力、仿真建模能力、程序設計能力、數據分析能力及寫作表達能力，為研究生進一步科研奠定了基礎。

參考文獻：

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[2]王書斌，左信，羅雄麟，等.研究生課程“控制系統仿真”的教學改革[J].電氣電子教學學報，2011，33（04）：21-22.

[3]李艷.基于項目驅動的研究生實踐創新能力培養體系[J].南京理工大學學報（社會科學版），2018，31（06）：50-53.

[4]劉海燕，王雅軒，陳恒.基于項目案例驅動的《軟件工程》實踐教學研究[J].科技創新導報，2015，12（14）：142-143.

[5]王曉峰，王洪珂，蘇盈盈.《數學建模與系統仿真》研究生課程改革與實踐[J].高教學刊，2018（05）：138-140.

[6]古巧珍，劉海斌，蘇美瓊，等.專業學位研究生課程案例庫建設與探索——以西北農林科技大學為例[J].高教學刊，2018（16）：61-63.

[7]王應密，張樂平.全日制工程碩士案例教學資源庫建設探析[J].高等工程教育研究，2013（04）：166-171.

[8]孫建淵，涂坤凱.專業學位研究生案例庫全過程建設研究[J].教育探索，2016（12）：76-79.

*基金項目：2018年山東省專業學位研究生教學案例庫項目“‘故障診斷與預測’案例庫”（編號：SDYAL18088）;山東省省級教改項目“專業認證背景下運動控制系統教學改革與實踐”（編號：M2018X078）;齊魯工業大學教研項目“傳統文化與理工科專業教育的融合研究”（編號：041201034121）

作者簡介：孫凱（1979-），男，漢族，山東魚臺人，博士，副教授，研究方向：復雜系統建模、神經網絡、過程控制;張芳芳（1982-），女，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，研究方向：混沌控制、神經網絡;馬鳳英（1971-），女，漢族，山東德州人，博士，教授，研究方向：故障診斷、工業過程檢測。