《控制系統仿真課程設計》改革與實踐

姜文娟 孟杰 顧大可 馬樂

摘要：在新工科和工程認證背景下對我校自動化專業《控制系統仿真課程設計》進行改革，在2017級和2018級學生實踐證明，改革后的課程設計內容具有更強的挑戰度、高階性和創新性，教學模式的改變有效地拓展了學生的設計時間，細致化的過程考核形成對課程目標強有力的支撐，培養了學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力和創新能力，符合新工科和工程認證背景下對人才的需求。

關鍵詞：控制系統仿真;課程設計;新工科;工程認證

課程設計旨在加強學生對本課程及相關課程理論及專業知識的理解和掌握，訓練并提高其在理論計算、結構設計、工程繪圖、資料文獻查閱、運用相關標準與規范及計算機應用等方面的能力;同時，為其他專業課程的學習和畢業設計（論文）奠定良好的基礎。

《控制系統仿真課程設計》是我校自動化專業重要的專業課程設計，培養學生綜合運用所學知識對電力等工業中的復雜工程問題進行建模，并能夠對復雜工程問題進行分析和設計，能夠對分析和計算結果進行評價，并理解其局限性。

隨著新工科教育和工程教育認證的推進，各高校也嘗試對課程設計進行改革。針對課程設計教學改革，早期研究主要集中在課程設計教學體系的建設、設計內容及教學方法等方面。華南理工大學能源與動力工程專業基于“新工科”理念對鍋爐原理課程設計進行改革和探索，著重培養學生的創新能力;電子科技大學網絡工程專業著重于多元化考核模式的改革;華北水利水電大學測控技術與儀器專業和企業合作，探索出校企合作完成課程設計的思路;武漢大學計算機學院對競賽獲獎案例進行逆向拆解，由教師整合成學生可實操的課程設計課題。

本文在分析我校自動化專業《控制系統仿真課程設計》存在問題的基礎上，提出了相應的改革措施，并實施，做到持續改進，提高課程設計的質量，滿足新工科和工程認證標準要求。

一、存在問題分析

我校自動化專業是國家一流專業建設點、國家級特色專業和吉林省品牌專業，通過了工程教育專業認證。自動化專業2018版培養方案的《控制系統仿真課程設計》源于2014版培養方案中的《專業方向課程設計》。2014版《專業方向課程設計》是自動化專業的重要的專業課程設計，安排在第七學期末，為時3周，主要包含四個方向：集散控制系統方向、過程控制方向、計算機控制系統方向和控制系統仿真方向，每個學生選擇其中一個方向即可。在近幾年的畢業設計指導過程中發現自動化專業學生的控制系統仿真部分欠缺，并考慮到集散控制系統、過程控制、計算機控制系統三個方向在對應的課程結束后均設置了相應的課程設計，因此在2018版培養方案中，自動化專業將《專業方向課程設計》更改為《控制系統仿真課程設計》，設計周數改為2周。原來的控制系統仿真方向主要依托《自動控制原理》《現代控制理論》和《控制系統CAD及計算機仿真》課程，利用Matlab軟件進行仿真分析和設計，培養方案修訂后《控制系統仿真課程設計》擬在原來控制系統仿真方向的基礎上進行改革。

目前存在的主要問題有：

（一）選題陳舊、數量少

控制系統仿真方向提供6個題目供學生選擇，題目多年來一直在使用，雖然中間有所調整，但已經不能滿足時代發展的需求和對學生能力培養的需求;多個課程設計選題可通過網絡查閱到大量的相關資料，只要按照參考資料上的步驟做，就能完成課程設計任務，學生的創新設計思維和能力得不到發揮，更不能體現學生的個性化和差異化設計;

（二）設計內容簡單

課程設計內容缺乏針對復雜工程問題的設計，設計內容較為簡單，不能有效提高學生解決復雜工程問題的能力;課程設計方案缺乏對非技術因素的考慮，不能有針對性地應用相關知識評價這些因素對設計方案的影響，學生的工程能力和職業素養得不到很好的培養;

（三）教學模式單一

由于上述（1）和（2）存在的問題，傳統的單一設計模式下，學生課程設計集中在2周進行，學生自主探索和創新設計的時間少，抑制了學生自主學習能力和創新能力的培養;

（四）考核過程粗糙

課程設計考核過程簡單，考核標準不細致，考核方式對課程目標和畢業要求的支撐不高，不能很好地反映學生的能力和水平。

針對上述存在的問題，課題組按照工程教育專業認證要求、遵循新工科的發展方向和需求、以市場和企業需求為導向，主要針對課程設計選題、課程設計內容、課程設計指導、課程設計評價等方面進行改革，提升教師的實踐指導能力，推動實踐教學環節質量的提高和學生能力的培養。

二、課程設計改革

（一）制定合理的課程目標

制定了合理的課程目標，課程目標對畢業要求的支撐程度更強。課程目標的評價項目更加細致，評價項目對課程目標形成強有力的支撐。

（二）豐富課程設計選題

拓寬選題范圍，豐富選題內容。課程組教師均具有博士學位，具有豐富的工程實踐經驗，課程組鼓勵老師將自己科研課題的部分內容作為課程設計選題。例如，教師的“電廠鍋爐燃燒系統優化控制”等縱向課題或橫向課題部分內容作為選題。

（三）深化課程設計內容

在新工科建設和工程教育專業認證背景下，加大課程設計的挑戰度、高階性和創新性，將課程設計建設成具有“兩度一性”的“金課”，需要學生“跳一跳”才能夠得著，培養多元化、創新型卓越工程人才。同時考慮社會、安全、法律等因素的影響，培養學生工程意識和職業道德。

（四）改革課程設計教學模式

探索培養學生解決復雜工程問題的能力的途徑。改變以往課程設計集中2周進行的方式，提前將課程設計題目和要求發放給學生，提前進行資料的查閱、方案的設計等工作，提高學生自主學習能力，激發創新思維。

（五）完善課程設計考核方式

制定合理的考核方式，完善過程化考核和多元化考核?？己嗽u價環節貫穿課程設計全過程，多元化考核全面反映學生能力。

三、課程設計實施

2017級《控制系統仿真課程設計》共2周，經課程組討論，從知識、素質和能力3個方面制定了課程設計目標，撰寫了課程設計內容和設計要求，完善了課程目標與評價依據占比關系表、考核方式和評價要求等相關內容。

針對原來的控制系統仿真方向的6個題目（串聯校正裝置的設計、利用雙線性變換求其離散傳遞函數、恒溫箱溫度PID控制器的設計、線性定常系統能控能觀和穩定性分析、線性定常系統狀態響應及輸出響應的測量、線性定常系統狀態反饋及狀態觀測器設計）存在的問題，要求教師根據教學大綱結合自身科研項目擬定課程題目，設計內容能培養學生利用學過的《自動控制原理》《現代控制理論》等相關知識分析復雜工程問題的能力，同時設計內容應具有一定的挑戰度、高階性和創新性。經教師擬定提交課程組審核后，確定8個題目作為2017級《控制系統仿真課程設計》題目，完善了課程設計任務書和指導書，8個題目如下：典型伺服系統PID控制器設計及仿真、直流電機控制器的設計及仿真、雙容水箱液位PID控制器的設計及仿真、循環流化床鍋爐床溫PID控制器的設計（工況1）、鍋爐溫度數據驅動建模及仿真、循環流化床鍋爐床溫PID控制器的設計（工況2）、單容水箱液位控制系統建模與仿真、倒立擺控制系統的設計與仿真。

2017級《控制系統仿真課程設計》每個題目突出了復雜工程問題的建模、系統分析和控制器設計等知識，能夠支撐課程目標和畢業要求的達成。課程設計題目在正式設計的前一周周三發給學生，并向學生說明每個題目的任務和要求，激發了學生學習的熱情;合理安排了中期檢查和答疑時間，學生的課程設計順利完成，達成了課程設計目標和畢業要求。

2017級課程設計結束后，課程組進行總結，凸顯問題，保持優勢：（1）部分課程設計題目在網上能找到比較詳細的參考資料，影響了學生的創新能力的培養;（2）在進行課程目標達成性評價時，發現課程目標評價環節還不夠細致，評價環節對課程目標的支撐力度不夠;（3）教學模式的改革能更有效地促進學生的學習積極性，激發學生創新性。

針對上述問題，課程組對2018級《控制系統仿真課程設計》進行持續改進：（1）題目在2017級的基礎上，課程組老師結合自己科研項目進行更新，或者題目不變加深課程設計內容。更新題目為題目2：中央空調冷凍水循環系統的專家PID控制、題目3：鍋爐蒸汽壓力控制系統串級PID控制器設計、題目6：基于時間最優控制的起重機防擺控制的設計，題目4加深了設計內容，更新率達到50%，更能激發學生的學習潛能和創新思維。（2）進一步細化了課程設計過程化考核的評價項目，明確了對非技術性指標的評價，更充分的支撐課程目標的達成。（3）課程設計提前一周動員，題目提前一周發給學生，有效地拓展了課程設計時間，充分調動廣大學生學習的熱情，激發學生的創新性思維。

四、結語

在新工科和工程認證背景下，以我校自動化專業《控制系統仿真課程設計》為例，對其進行改革，明確了課程目標、豐富了設計選題、深化了設計內容、改進了教學模式、細化了考核環節。實踐證明改革后的課程設計能夠培養學生解決復雜工程問題能力、創新能力，符合新工科和工程認證背景下對人才的需求。

參考文獻：

[1]李華，胡娜，游振聲.新工科：形態、內涵與方向[J].高等工程教育研究，2017（4）：16-19.

[2]李秀紅，李文輝，任家駿，等.新工科背景下“機械設計課程設計”教學改革[J].實驗科學與技術，2018（3）：132-134.

[3]蔡劍紅，霍亮，朱凌.新工科理念下的實驗課程教學改革與實踐探索[J].測繪通報，2019（2）：147-152.

[4]董美蓉，龍嘉健，陸繼東.基于“新工科”理念的鍋爐原理課程設計改革與實踐[J].高等工程教育研究，2020（04）：71-74.

[5]王毅，張滬寅，黃建忠.新工科人才培養導向的競賽類實踐課程設計[J].實驗技術與管理，2020，37（08）：167-171.

[6]牛金星，申杰，張濤.新工科背景下專業綜合課程設計的探索與實踐[J].河南教育（高教），2020（12）：94-96.