一流課程背景下“控制系統仿真技術”課程建設

任密蜂 李國勇 閻高偉 房雅靈 程蘭

［摘 要］ 針對重智育輕德育、重知識輕能力、重教師輕學生和重結果輕過程四大痛點問題，基于一流課程的建設要求，提出以學生發展為中心、以能力培養為目標、以課程建設為抓手、以持續改進為保障的“四位一體”教育理念，融合學科專業知識、工程情景知識、能力要素和思政素質，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一。從弘揚民族自豪感、增強科研報國的責任感、提升專業認可度等多方面進行思政教育；將熱點工程問題、學科前沿動態等與課程知識相結合，運用數學思維深度挖掘知識背后的原理，培養學生解決問題的能力；調整課程內容與課堂組織形式，實現了學生中心地位的轉變；加大過程性考核的比例，實現以學生為中心的精準教學。經過課程改革，學生高階能力有效提升，課程建設和教學團隊建設成果豐碩。

［關鍵詞］ 一流課程；控制系統仿真技術；課程建設；持續改進

［基金項目］ 2022年度山西省高等學校教學改革創新項目“基于‘兩性一度的控制系統仿真技術課程改革與建設”（J20220159）；2021年度山西省高等學校教學改革創新項目“新工科背景下一流本科自動化專業人才培養質量的持續改進”（J2021159）；2021年度山西省高等學校教學改革創新項目“‘金課背景下基于知識－能力超網絡的《計算機控制技術》課程教學研究”（J2021183）

［作者簡介］ 任密蜂（1985—），女，河北石家莊人，工學博士，太原理工大學電氣與動力工程學院副教授，碩士生導師，主要從事隨機控制、新能源儲能控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）02-0025-04［收稿日期］ 2022-11-09

一、課程概述

“控制系統仿真技術”是自動化專業的專業特色課程，是控制理論到工程應用的“橋梁”，在專業課程體系中具有重要地位［1-2］。課程融合了MATLAB編程、自動控制原理和現代控制理論等的基礎知識，知識點多而散，是聯系理論與實踐的橋梁課程。課程涉及的內容體系比較龐大，而教學時間又相對有限，有必要根據專業培養目標及要求進一步整合教學內容，針對性開展課程教改研究［3-5］。

經過多年建設，太原理工大學（以下簡稱“我校”）電氣與動力工程學院“控制系統仿真技術”課程組已形成了一支山西省教學名師領銜、青年博士為骨干的高水平教師隊伍，課程內容、教學理念、教學方法、考評反饋機制等日臻完善。通過課程思政的融入，彰顯了課程特色，形成了創新且務實的課程構架。我校“控制系統仿真技術”課程2016年入選電子工業出版社慕課視頻課程建設項目，2019年被認定為省一流本科課程。本課程培養學生在解決工程問題時的建模、仿真、分析及設計能力，培養學生的創新思維，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一。一是在知識方面，掌握控制系統的數學建模、模型求解、動態特性分析、系統設計等理論知識與方法；掌握數學模型、求解方法的計算機編程實現方法。二是在能力方面，學生能夠針對實際工程和學科前沿等問題，通過團隊協作、利用所學知識，建立系統數學模型，制訂多種仿真方案，對實際系統進行分析與設計；能撰寫報告，對控制方案進行講解、辯論，發表觀點。三是在價值方面，具備大膽質疑、知行合一的科學精神和創新意識，具有科研報國的社會責任感。

二、“控制系統仿真技術”課程教學中存在的主要問題

“控制系統仿真技術”的授課對象為自動化專業三年級本科生，現有的教學計劃總學時32學時，其中理論授課20學時，上機實驗12學時。根據課程組多年的教學經驗，總結出該課程實施過程中主要存在以下問題：（1）課堂教學重智育輕德育。以往的教學過程中教師往往只注重知識傳遞，忽略了社會主義核心價值觀的塑造，沒有充分調動學生的專業自信心和學以報國的激情。（2）教學內容重知識輕能力。教學內容主要為教材的基本理論知識點，深度和廣度不夠；學生不具備針對實際工程問題基于控制理論運用MATLAB進行仿真分析和設計的能力。（3）教學方法重教師輕學生。傳統的教師講授、學生被動接受的課堂教學模式，學生參與感較低，注意力不容易集中。（4）課程考核重結果輕過程。傳統考核以期末考試為主，缺少對學生的過程性評價；考試題目多為課本理論知識，缺乏對綜合能力的評價。

一流課程的評價標準是“兩性一度”，即高階性、創新性和挑戰度［6-8］，其在建設過程中應實現傳統以教師為中心向以學生為中心轉變［9］、以考試為中心向以學習為中心轉變，倡導立德樹人，加強課程思政建設，培養全面發展的綜合素質人才。

三、一流課程背景下的教學改革與實踐

結合國家一流本科課程建設及專業認證的要求，在“兩性一度”標準下，我校針對“控制系統仿真技術”課程教學過程中存在的問題進行了改革。

（一）改進教學理念

“控制系統仿真技術”課程涉及的知識點繁雜，且對學生動手能力要求較高，傳統的“填鴨式”教學方法無法達到國家一流本科課程的要求，學生的能力、素質無法得到提升。因此，課程組轉變教學理念，形成以學生發展為中心，以能力培養為目標，以課程建設為抓手，以持續改進為保障的“四位一體”教學理念實現學生主體的轉變，考慮學生多樣化學習需要和多元發展路徑，基于學生自主建構知識的理念設計課程教學。將優質教學資源和學科前沿課題上傳至網絡平臺，并在討論區設置問題，學生在線預習，并將疑難問題反饋給教師，供課堂重點講授。通過對學生學習成果的達成情況和學校督導組的教學評價，及時改進教育教學活動，實現持續改進。

（二）重構課程教學內容

為解決較多的教學內容與較少的學時數之間的矛盾，且滿足一流課程的“兩性一度”要求，課程組對“控制系統仿真技術”課程教學內容進行重構，主要包括以下四部分。

1.基礎知識。基于自編精品教材、自制MOOC視頻和國家精品課程等優質教學資源，學習控制系統的建模求解、分析系統動態特性、控制器設計方法等，將知識點有機結合，使學生學會系統地分析、解決問題。

2.工程案例。課程團隊收集相關實際工程案例制作案例庫，采用案例驅動教學。旨在擴展課程內容、深化課程難度，培養學生解決實際工程問題的綜合能力和高級思維，增加產教融合項目的開展，真正做到知行合一。

3.學科前沿。以教師科研為依托，將最新研究成果與課程知識點相結合，講授學科前沿問題，如“碳中和”背景下的風光儲混合發電系統優化控制、機器人協同控制等，進行研討式教學，旨在提升課程的創新性，培養學生多學科交叉融合的綜合能力。

4.課程思政。將課程思政貫穿整個教學過程，使學生夯實基礎、知行合一、踐行綠色發展，學以報國。團隊經過多年的探索，結合專業課的特點、思維方法和價值理念，深入挖掘專業知識背后的思政元素，使其在教材建設過程中達到“鹽溶于水”的效果。具體通過以下兩大路徑實現：（1）充分挖掘課程在系統控制思想和方法上的辯證唯物主義世界觀和方法論，使課程思政貫穿課堂教學始終；（2）在實驗過程中，通過選取工程熱點和學科前沿問題，幫助學生樹立嚴謹的科學作風和理論聯系實際的工程觀點，增強其獲得感與專業自信心。以控制系統的能控性為例，通過介紹神舟十三號載人飛船與核心艙成功對接和中國首個火星車祝融號成功登陸火星，引出能控性問題，增強學生的專業自信心。為鞏固課堂知識，給出學生感興趣的熱點問題作為課后思考題，如多智能體系統的協同控制問題，要求學生課后分組討論、分析，并在下一節課開始時進行小組匯報。

（三）豐富教學形式，注重學生參與

首先，加大采用實際工程案例和學科前沿問題開展案例驅動教學的力度，從以教為中心向以學為中心轉變；采用小組討論、發表觀點、答辯質疑等方式讓學生參與教學活動，訓練學生的問題解決能力和審辯式思維能力。其次，鼓勵學生參與教師的實際科研/工程項目、參加各種科技競賽，增強學生的獲得感。再次，實行全流程過程考核，學生課堂討論，進行小組互評；設置課堂測驗，將結果實時反饋給學生；撰寫控制系統設計方案報告，制作PPT、小視頻等進行講解，小組互評。最后，在過程中持續改進。根據上課過程中學生的意見和建議、過程性考核結果等，及時調整教學內容和授課方法，實現在過程中的持續改進。

針對容易混淆的數字孿生和計算機仿真內容，給學生布置課程報告，使其查閱資料、小組討論、制作PPT并進行課堂講解，小組之間相互提問打分，計入過程性考核成績。

（四）優質資源建設，夯實內涵式發展基礎

優質資源建設是一流課程建設中的重要一環。課程團隊從實體教材、線上資源和工程案例庫三方面進行建設，為學生提供優質的學習資源。

1.教材建設。教材作為承載知識的物質載體，是學生獲得知識的主要渠道，同時也是教師傳授知識的主要媒介。課程組于2003年出版課程的配套教材《控制系統的數字仿真與CAD》，之后進行三次改版，現為《計算機仿真技術與CAD——基于MATLAB的控制系統》，先后入選“十一五”和“十二五”國家級規劃教材，且于2012年被出版社評為精品教材和優秀暢銷書，先后22次印刷，共發行量63 100冊。目前有北京理工大學、深圳大學、南京工業大學等50余所高校選用該教材作為高年級本科生或研究生教材。

2.線上課程建設。自2009年將視頻教學資源上傳于校“網絡教學綜合平臺”以來，不斷進行在線資源優化，2016年入選電子工業出版社“信息技術專業內容資源庫建設”項目（慕課）；2019年被認定為山西省精品共享課程，在中國大學MOOC網運行；2020年起與超星合作進行課程的升級錄制工作。學生可以提前通過線上資源進行課程內容的預習，做到有重點地聽課，提高學習效率。

3.工程案例庫建設。與教師科研和地方產業發展相結合，進行工程案例庫建設，包括風光儲混合系統優化控制、風力發電系統的控制器設計、機器人協同控制等。學生可利用所學基礎理論知識解決實際工程問題，踐行知行合一。

（五）采用多種考評方式，實現反饋閉環

本課程以“多元化—重過程—考能力”為指導思想，從基礎知識、綜合能力和價值提升三方面進行考核，增強過程性評價和綜合能力評價。

過程性評價包括：網上學習與討論、在線測試、平時表現、課程作業、小組匯報等環節。課前預習和課堂討論通過課堂提問或小組講課的方式體現，要求各小組之間互相評價，提高學生的學習積極性和主觀能動性。課堂測驗及課后作業在慕課堂反映，采用“學生互評”的方式進行。布置課程報告，考查學生查閱資料和文獻綜述能力，培養其社會責任感。上機實驗從工程案例庫中選擇實際工程問題，如基于有機朗肯循環煙氣余熱利用系統的分析與設計，考核方式為學生分組討論，制定仿真方案，小組制作PPT，學生代表進行報告答辯的方式，綜合考查學生理論基礎掌握情況與分析解決問題的能力、思維能力與創造能力。通過開展過程性評價，增加了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛，且鍛煉了學生的綜合能力；任課教師也可及時掌握學生的學習情況，進而適當調整教學計劃。

結合本課程的特點，期末考試采用“開卷+機試”的方式，改變以往“死記硬背”的傳統考試模式，考題采用標準與非標準相結合、靈活與基礎相結合，增加“綜合性”“靈活性”題目的比例。題目類型多為主觀類題目，試題答案不唯一，激發學生的創新性。判卷完成后向學生反饋考試情況，并進行問卷調查，學生針對考題給出意見和建議，實現持續改進。

結合《太原理工大學自動化專業課程質量保障體系》的要求，建立了“控制系統仿真技術”課程評價與反饋機制。對教學質量采取學生打分、教師自評、同行互評、領導評教的方式。分階段讓學生反映自己上課的體會，對教師的建議及意見，在下一階段進行改進；教師對自己的教學效果進行反思并填寫自評表；教研室教師互相觀摩學習并填寫評價表；領導巡視聽課并填寫評價表。教師參考學生的反饋、課程達成度計算結果及同行和領導的課程評價，進行下一輪教學設計，完成持續改進。

結語

根據國家一流本科課程建設的具體要求，本文從教學理念、教學內容、教學方法和教學評價等方面闡述課程團隊對“控制系統仿真技術”進行的課程改革，實現了學生主體的轉變，根據學生應達到的能力及水平進行教學設計，實現持續改進。課程教學過程與工程實際緊密結合，把工程案例、科研問題的分析貫穿課程各個環節；把產業的前沿技術和實際工程問題帶入課堂，引導學生積極思考，激發其創新意識。課堂教學過程遵循“教師引導、學生討論并發表自己觀點、教師答疑”的模式進行。大力實施產教融合，圍繞企業的評價及學生校內考核結果，及時更新教學內容和方法，實現學生能力培養的持續改進。采用探究式、論文式、報告答辯式等多元化的過程性評價方法，終結性評價具有挑戰性，注重學生綜合能力的評價。通過課程改革，學生課程參與度增加，對實際復雜工程問題的建模、分析、設計能力大幅提升；教學團隊課程改革意識強烈，收集線上線下教學數據開展教學反思、教學研究和教學改進，在教學過程中不斷優化教學設計和實施方式；充分利用信息化手段開展討論式教學，提升課程的高階性和創新性，培養學生的綜合能力。

參考文獻

［1］闞秀，李媛媛，羅曉，等.MATLAB在控制系統教學中的應用探討［J］.科教導刊（中旬刊），2017（23）：99-100.

［2］褚菲，葉賓.對高校控制系統計算機仿真課程教學改革的思考［J］.才智，2017（9）：136.

［3］張悅，周建新，張瑞成，等.“控制系統仿真”課程改革與實踐［J］.電氣電子教學學報，2019，41（6）：61-65.

［4］裴惠琴，賴強.面向創新能力培養的《Matlab與控制系統仿真》課程教學改革探究［J］.教育教學論壇，2018（39）：105-106.

［5］梁皓瀾，葉春曉，劉波，等.提升“MATLAB與系統仿真”課程教學效果的探索［J］.科教導刊（上旬刊），2020（22）：124-125.

［6］李建強，蔡光明，柯貴珍，等.國家一流課程“紡織材料學”融入課程思政的教學改革及實踐［J］.服飾導刊，2021，10（2）：1-5.

［7］姜艷，王笑峰，孟凡香.水利類專業一流本科課程建設研究與實踐：以“結構力學”課程為例［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2022（2）：27-29.

［8］楊葉菊，程娟.“兩性一度”導向下的高校金課建設探索［J］.產業與科技論壇，2022，21（3）：97-98.

［9］盧慧，鞏政，趙俊峰.學生為中心的大學計算機混合式一流課程建設［J］.計算機教育，2022（4）：124-128.

Construction of Simulation Technology of Control System under the Background of the

First-class Course

REN Mi-feng， LI Guo-yong， YAN Gao-wei， FANG Ya-ling， CHENG Lan

（College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan，

Shanxi 030024， China）

Abstract：In order to solve the problems of “emphasizing intellectual education instead of moral education”， “valuing knowledge over ability”， “teacher-centered instead of student-centered” and “pay more attention to the results not the process”， a novel “four in one” educational idea is proposed based on the requirements of the first-class course. The content focuses on student development， aims for capacity cultivating， to enhance the course construction， and guarantee the continuous improvement. Discipline-specific knowledge， engineering knowledge， ability elements and ideological and political qualities are fused to realize the unity of knowledge transfer， value shaping and ability cultivation. The ideological education is infiltrated from various aspects such as promoting national pride， enhancing the sense of responsibility to serve the country through scientific research， and improving the recognition of professionalism. Topical engineering issues and cutting-edge developments in the discipline are integrated with course knowledge. Mathematical thinking is used to dig deeper into the principles behind knowledge to develop students?problem-solving skills. Course content and classroom organization form are adjusted to realize student-centered mode. By Increasing the proportion of process assessment， the accurate student-centered teaching has been achieved. Through the curriculum reform， the students advanced abilities have been effectively improved， and the curriculum and teaching team construction have achieved fruitful results.

Key words： first-class course; Simulation Technology of Control System; course construction; continuous improvement