任务驱动的计算机仿真课程教学改革

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摘要：《控制系统计算机仿真》是自动化相关专业开设的一门专业基础课程，旨在通过学习，掌握基于计算机软件的控制系统建模、仿真、分析和设计等任务。针对目前课程开设中存在的教学环节设计问题，探讨以任务为驱动的教学模式改革，通过分阶段、分层次地设置具体的仿真任务，提高学生的积极性和参与度，并有针对性地讲解任务所涉及的知识点，加深理解，学以致用。实践表明，这可以有效地提高教学质量。

关键词：控制系统；计算机仿真；任务驱动；教学改革

一、课程简介

《控制系统计算机仿真》是自动化相关专业的一门重要专业基础课，是指以数字计算机为主要工具，编写并且运行反映真实的自动控制系统运行状况的程序，对计算机输出的信息进行分析和研究，从而对系统性能进行评价[1]。它旨在通过学习使学生掌握利用MATLAB软件对自动控制系统分析及其设计进行数字仿真的技术。自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的工程技术及科研人员所必须掌握的一门技术。课程内容主要包含以下7个模块。除上述学习模块外，课程还包含4次上机实验课及为期一周的课程设计，旨在通过上述内容学习，使学生能够对复杂系统进行计算机仿真，掌握可用于计算机仿真的相关方法，熟练掌握基于Simulink的控制系统仿真方法，借助参考资料可以使用1—2种工具箱进行计算机仿真设计。尽管计算机仿真课程在专业课程学习中发挥着越来越重要的作用，但是实际教学过程中仍然存在着一些无法忽略的问题，如课程内容选择、教学环节设置、考核评价等。为了丰富和完善现有教学手段和模式，培养学生的创新能力，文献[2]主张将计算机仿真与自动化专业课程相结合。文献[3]针对目前单片机实验教学中存在的问题，提出一种将单片机硬件与计算机仿真软件相结合，利用计算机仿真技术进行单片机实验教学的方法，提高教学质量。为了提高学生的创造能力、分析和解决问题的能力，文献[4]有机地结合理论和实践部分的内容，并对实践环节和考核方式等方面进行了改革和实践。文献[5]针对计算机仿真技术实验课程在教学中存在的问题，探讨了教学内容、教学体系、教学方法等方面的改革方案。针对传统的实验教学模式，文献[6]提出了基于计算机仿真的基础理论到仿真模型的探索阶段、仿真模型到实际电路的磨合阶段、基础实验到创新实验的升华阶段的“三段式”实验教学模式。文献[7]指出计算机仿真基础课程教学内容与自动化专业其他课程之间的联系，结合自动化工程背景设置实验教学内容。目前，市面上已有大量的计算机仿真相关教材/资料可供选择，因此针对教材建设问题，无法也无需编写一本通用、全面的教材，授课教师可以根据各个专业的侧重点选取合适的知识点和内容加以应用。加之，多元化的考核方式已经在较多课程中加以运用。所以，本文将针对教学环节设计问题，结合实际授课情况，探讨基于任务驱动的控制系统计算机仿真课程的教学改革。

二、基于任务驱动的教学环节设计

“任务驱动”教学法是一种以解决问题为导向的教学方法，最根本的特点就是“以任务为主线、教师为主导、学生为主体”，改变“教师讲，学生听”的被动教学模式，以达到激发学生学习兴趣、培养学生分析问题和解决问题的能力、提高学生自主学习及与他人协作的能力的目的。目前，任务驱动教学法已成为一个颇为重要的教学方法。结合《控制系统计算机仿真》课程的主要内容，可以这样设计：模块1—3为计算机仿真的基础知识，模块4的Simulink建模与仿真是核心，模块5—7是在Simulink建模仿真的基础上进行的控制系统分析、设计及工具箱应用。以控制系统Simulink建模仿真为例，设计基于任务驱动的教学环节，如图1所示，其中包含课程内容设置的模块1—4。在授课过程中，以《自动控制原理》教材中熟悉的水位控制系统为例，布置任务如下：基于水位控制系统建立Simulink仿真系统，要求：（1）分析系统的可控性及可观性；（2）使用不同的控制系统模型描述方法，并验证其仿真结果是否一致；（3）该控制系统以子模块的形式完成并予以封装；（4）编写S函数实现控制系统的仿真；（5）基于系统的仿真结果绘制响应曲线。上述5个要求是递进式、可调可控的，前者为后者的基础，包含基于Simulink进行控制系统仿真的知识点，并且是一体的。因此，可以以此类推，根据专业相关特定知识点设置具体要求，以便更好地涵盖需要掌握的内容和难易程度。《控制系统计算机仿真》课程是《Matlab语言及其应用》的延续课程，其中Matlab软件的相关操作和编程是计算机仿真课程的基础，若按照常规授课方式，先回顾Matlab的相关知识点，难免会给学生造成“又是Matlab编程”的错觉，影响学习的兴趣和积极性。实际上，计算机仿真课程是结合所学专业开展的借助计算机软件完成的控制系统分析和设计的任务，而非简单或普通意义上的计算机编程。若以任务为驱动，首先提出与专业紧密联系的控制系统计算机仿真的具体要求，引起学生的关注；接下来，通过分析解决该问题所需要遵循的步骤以及涉及的相关知识点，并对新知识点进行重点阐述和讲解，而对已知的知识点仅做简单回顾；最后，通过一系列的分析和补充，达到完成仿真任务的目的。以任务为驱动的计算机仿真课程教学环节设置，可以兼顾不同层次学生的进度，避免过易过难情况的发生。此外，进行控制系统的计算机仿真实验安排时，可根据学生的实际情况分组完成，这样可以促进学生间的交流与协作，发挥各自长处，通过有益的交流和讨论，加深对相关知识点的认识和理解，便于后续应用。

三、结语

《控制系统计算机仿真》课程是自动控制原理与计算机编程的紧密结合，旨在培养学生借助计算机软件完成控制系统建模仿真及分析设计。它不仅有助于本科毕业设计的完成，还对学生后续工作及研究中的遇到的控制系统分析及设计都具有重要的现实意义。为了提高课程教学质量，本文探讨了以任务为驱动的教学模式改革。以实际应用为导向，根据实际系统仿真任务设计教学环节，循序渐进地学习和掌握相关知识点，最终圆满完成实验任务。通过实际教学操作，不仅可以提高学生对仿真技术的理解和掌握，还能加深对控制系统分析设计的理解，提高学生的参与度及积极性，切实提高教学质量。

参考文献：

[1]张晓江,黄云志.自动控制系统计算机仿真[M].机械工业出版社.2009.

[2]白锐,张健.计算机仿真技术在自动化专业教学过程中的应用研究[J].中国现代教育装备,2012,(21):58-59.

[3]王自珍,殳国华,张士文.基于计算机仿真技术的MSP430单片机实验教学实例[J].实验室研究与探索,2013,32(9):94-97.

[4]施彦,翁贻方,韩力群.《控制系统计算机仿真》课程教学改革与实践[J].中国电力教育,2008,(9):74-75.

作者:戴丽珍 杨刚 单位:华东交通大学电气与自动化工程学院