基于項目驅(qū)動的《系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)案例設(shè)計與實踐

1、基于項目驅(qū)動的系統(tǒng)仿真課程教學(xué)案例設(shè)計與實踐摘 要:針對目前研究生課程系統(tǒng)仿真教學(xué)過程中存在的理論知識偏多、教學(xué)模式單一、實踐性不足等問題，采用基于項目驅(qū)動 教學(xué)法。以研究生導(dǎo)師生產(chǎn)實踐、研究應(yīng)用為基礎(chǔ)搜集、整理素材,整合優(yōu)化資源，設(shè)計理論與實踐緊密結(jié)合的課程案例。學(xué)生在學(xué)習(xí)過 程中，針對具體案例進(jìn)行項目分析、數(shù)據(jù)處理、建模仿真、互動式討論最后形成項目報告。實踐結(jié)果表明教學(xué)改革取得了良好的效果，學(xué) 生的科研能力得到了明顯的提升。關(guān)鍵詞：控制科學(xué)與工程；系統(tǒng)仿真;項目驅(qū)動;教學(xué)案例Abstract: Based on the problems of the excess of theoretic

2、al 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 o

3、n 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 p

4、roject 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(tǒng)仿真是控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生的一門專 業(yè)選修課。該課程通過理論授

5、課與實踐教學(xué)相結(jié)合，使學(xué) 生建立系統(tǒng)仿真的基本概念，掌握常用的仿真方法和建模 技術(shù)，能夠通過計算機輔助分析對象并設(shè)計控制系統(tǒng)，為 研究生從事本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的研究與工作奠定基礎(chǔ)由 于該課程是一門多學(xué)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(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極 性，教學(xué)效果不夠理想項目驅(qū)動教學(xué)是指在教學(xué)過程中 預(yù)習(xí)布置與課程知識相關(guān)、工作量適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)，學(xué)生經(jīng)過 學(xué)習(xí)課本知識、查閱資料、實際操作、形成總結(jié)，最后教師 結(jié)合學(xué)生成果進(jìn)行理論知識教學(xué)、討論的一種互動式教學(xué) 方式凱建設(shè)研究與應(yīng)用結(jié)合、高質(zhì)量的案例庫是碩士生人才 培養(yǎng)模

6、式改革的必然，具有非常重要的意義乳近年來，國 內(nèi)一些高校的任課教師，將課程知識與社會生產(chǎn)實踐聯(lián) 系,并結(jié)合自己工程實踐的經(jīng)驗開展有針對性的教學(xué)叫部 分承擔(dān)工程碩士研究生課程教學(xué)的教師也逐步地認(rèn)識到 實踐能力培養(yǎng)對工程碩士培養(yǎng)的重要性，已經(jīng)開始有意識 地采用項目驅(qū)動式、案例討論式教學(xué)方法,并積極開發(fā)教 學(xué)案例，取得了不錯的成果國。但是，目前的教學(xué)案例庫建 設(shè)仍存在以下問題：案例設(shè)計不夠規(guī)范。案例庫中的每個案例都應(yīng)該是 一個相對完整的事件，包括教學(xué)目的與用途、相關(guān)課程知 識、與課程相關(guān)的工程背景、相關(guān)附件（圖表、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、附 錄等）、啟發(fā)思考問題、分析思路、關(guān)鍵技術(shù)以及教學(xué)方法 等,并且應(yīng)與培養(yǎng)計

7、劃和教學(xué)大綱緊密結(jié)合?，F(xiàn)有的案例 庫建設(shè)主要依靠任課教師在教學(xué)及工程應(yīng)用中的興趣與 愛好，案例的收集與設(shè)計也主要是個人行為，所建設(shè)案例 不夠完善，無法涵蓋。案例庫中與工程應(yīng)用結(jié)合不夠緊密?，F(xiàn)有的案例庫 中仿真型、示例型案例較多,與工業(yè)過程實際應(yīng)用相關(guān)的 案例缺乏,僅能夠滿足理論知識的教學(xué)，對學(xué)生實踐能力、 解決問題的能力提升不足。各章節(jié)的教學(xué)案例各自獨立，不夠系統(tǒng)。案例庫中 的不同案例僅針對單獨章節(jié)的內(nèi)容，互相之間的銜接不 夠，不能讓學(xué)生通過一個完整的案例理解各章節(jié)間的相互 關(guān)系,從而系統(tǒng)地學(xué)習(xí)、掌握本課程的知識。二、基于項目驅(qū)動的案例建設(shè)針對目前高校在研究生課程系統(tǒng)仿真案例庫建設(shè) 中存在的問

8、題，課程組主要進(jìn)行了以下工作：建立案例庫編寫標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。按照專業(yè)學(xué)位類別培 養(yǎng)方案設(shè)置的課程教學(xué)大綱進(jìn)行建設(shè),嚴(yán)格按照所在專業(yè)的碩士生教學(xué)指導(dǎo)委員會相關(guān)要求，制定案例庫編寫標(biāo)準(zhǔn) 與規(guī)范。每個案例都應(yīng)包含教學(xué)目的與用途、課程理論知 識、工程背景、相關(guān)附件、問題提出、解決方案、關(guān)鍵技術(shù)等 內(nèi)容,具有較高的完整性。本課程教學(xué)大綱各章節(jié)內(nèi)容及 學(xué)時分配如表1所示，理論講授與討論、論文、實驗、設(shè)計 等綜合課時比為20：12,教學(xué)內(nèi)容安排兼顧理論知識教學(xué) 與學(xué)生綜合能力鍛煉。表1系統(tǒng)仿真課程教學(xué)大綱章節(jié)內(nèi)容及學(xué)時分配早下內(nèi)容計劃 學(xué)時講授 課時討論、論文、 實驗、報告、 設(shè)計第一章控制系統(tǒng)與仿真基礎(chǔ)220

9、第二章MATLAB程序設(shè)計422第三章MATLAB數(shù)值分析422第四章仿真圖形繪制220第五章集成環(huán)境SIMULINK422第六章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型220第七章控制系統(tǒng)的分析方法422第八章線性系統(tǒng)狀態(tài)空間設(shè)計220第九章非線性系統(tǒng)422第十章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模422總計322012從實際出發(fā)，以研究生導(dǎo)師課題研究、生產(chǎn)實踐為 背景，搜集、整理教學(xué)素材,案例設(shè)計與工程應(yīng)用緊密結(jié) 合，能夠體現(xiàn)課程理論教學(xué)中的重點、難點問題，開發(fā)基于 真實情境且符合教學(xué)要求的高質(zhì)量教學(xué)案例。案例具有代 表性、典型性、實用性以及創(chuàng)新性。經(jīng)過一段時間的建設(shè)， 目前已建設(shè)教學(xué)案例有：（1）某鋼廠干熄焦工藝為背景的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動

10、的系統(tǒng) 建模與仿真；（2）某電廠脫硫工藝為背景的電機PID控制設(shè)計；（3）某空氣分離裝置氧氣濃度在線分析儀設(shè)計。已建設(shè)案例內(nèi)容、相關(guān)理論章節(jié)、教學(xué)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(jié)理論內(nèi)容，教學(xué)形式包括師生討論、仿真實驗、程 序及控制系統(tǒng)設(shè)計、PPT及口頭報告、論文等。教學(xué)課時安 排合理，內(nèi)容豐富，形式多樣，對學(xué)生課程知識的掌握、科案例庫整合與優(yōu)化。從實際案例中提取與課程理論 內(nèi)容相關(guān)工藝、數(shù)據(jù)、應(yīng)用對象。進(jìn)一步，圍繞教學(xué)內(nèi)容組 合優(yōu)化案例，與案例相關(guān)的不同章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行仿真、程序 測試，提升學(xué)生分析問題、綜合利用知識、解決問題的能 力。三、典型案例設(shè)計以

11、教師研究項目“某鋼廠干熄焦系統(tǒng)建模與控制優(yōu) 化”為典型案例。干熄焦技術(shù)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(tǒng)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(fēng)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(jīng)過熱交 換后的高溫惰性氣體除塵，并在鍋爐與水進(jìn)行熱交換，產(chǎn) 生蒸汽；再次冷卻后的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機重新吹入干熄 爐進(jìn)行下一次熱交換;系統(tǒng)產(chǎn)出的蒸汽可用來發(fā)電、集中 供暖等。該技術(shù)具有焦炭質(zhì)量高、有害物質(zhì)排放低、節(jié)能等 特點。同時，干熄焦工藝對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求 比較高，尤其是干熄焦鍋爐系統(tǒng)中蒸

12、汽溫度的控制，對整 個運行系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。吊車熱焦炭圖1干熄焦生產(chǎn)工藝圖內(nèi)容相關(guān)理論章節(jié)教學(xué)形式課時內(nèi)容相關(guān)理論章節(jié)教學(xué)形式課時案例1某鋼廠干熄焦三、四、六、討論、實驗、 設(shè)計、報告、 論文6控制系統(tǒng)建模九、十案例2脫硫工業(yè)電機二、五、六、七討論、實驗、4PID控制設(shè)計設(shè)計、報告案例3某空氣分離裝置 在線分析儀設(shè)計二、四、九、十討論、實驗2研能力的培養(yǎng)具有良好的促進(jìn)作用。表2系統(tǒng)仿真課程已建設(shè)案例計及仿真，最后制作PPT,做口頭報告并撰寫論文完成項 目內(nèi)容。本案例所涉及與課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容有：基于MATLAB的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。針對工 廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),利用聚類分析、特征選擇、最小

13、二乘回歸、相關(guān)性分析等技術(shù)，分析影響生產(chǎn)工 藝的關(guān)鍵變量及線性、非線性關(guān)系等。經(jīng)過對 10000筆歷史數(shù)據(jù)相關(guān)性分析可得,循環(huán)風(fēng)溫度 （TCGB）與蒸汽產(chǎn)量（MST）存在高度的線性相關(guān), 如圖2所示。因此,如何提高蒸汽產(chǎn)量可以轉(zhuǎn)化 為對循環(huán)風(fēng)溫度的控制。仿真圖形繪制及分析（MATLAB具有強大圖2循環(huán)風(fēng)溫度與蒸汽產(chǎn)量相關(guān)性仿真圖圖3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模預(yù)測值與真實值對比的圖形繪制功能，傳統(tǒng)的課程教學(xué)中，案例單一且應(yīng)用對 象簡單，對學(xué)生的根據(jù)圖形進(jìn)行分析能力鍛煉不夠。針對 本案例提供的工藝背景及數(shù)據(jù)，學(xué)生可以繪制各種變量的 直方圖、餅圖、3D分布圖等,并結(jié)合上部分內(nèi)容所講授的 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行綜合分析，

14、進(jìn)行項目的探究與討論。3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模及系統(tǒng)仿真。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在建模仿真、 時間序列預(yù)測、系統(tǒng)辨識、優(yōu)化控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng) 用。特別在復(fù)雜生產(chǎn)過程的控制中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠提供精 確的控制模型，是解決自動控制中控制器適應(yīng)能力的關(guān) 鍵。近年來，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習(xí)算法在工業(yè)控制中 的應(yīng)用也越來越廣泛。然而，目前教學(xué)中該部分內(nèi)容僅限 于理論講授，對實際工業(yè)案例涉及較少，教學(xué)方法陳舊。本 案例基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以循環(huán)風(fēng)溫度（TCGB）為目標(biāo)變量，以 其余變量作為輸入變量，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模，建模結(jié)果 如圖3所示。由圖3可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模預(yù)測值與真 實值非常接近，本案例所設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測 目

15、標(biāo)變量的變化，該結(jié)果能為控制器設(shè)計奠定堅實的基 礎(chǔ)。四、教學(xué)實踐結(jié)果2016-2018年，利用本研究所設(shè)計的案例，對本?？刂?科學(xué)與工程專業(yè)三屆碩士生進(jìn)行項目驅(qū)動式的教學(xué)實踐。 本課程為專業(yè)選修課，課程為32課時，分為16周授課。研 究生在每學(xué)期以專題報告的形式進(jìn)行2次項目報告。首先 以實際生產(chǎn)案例為研究對象，從案例庫中或?qū)熆蒲蓄}目 中自選題目，結(jié)合本課程理論知識，進(jìn)行項目分析、資料查 詢，提出問題;其次利用MATLAB工具箱進(jìn)行數(shù)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(jù)討論結(jié) 果進(jìn)一步改進(jìn)，完成一篇研究性論文作為本課程

16、大作業(yè)并 進(jìn)入考核體系。相應(yīng)的，期末考核體系也做了調(diào)整，加大了 學(xué)生科研能力在教學(xué)成績評價中的比例，期末考試、平時 作業(yè)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(xué)過程中,能夠通過項目報告及時了解 學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以及在理論教學(xué)中的問題，通過在教學(xué) 過程中獲得的反饋，教師可以隨時調(diào)節(jié)各章節(jié)教學(xué)的計 劃,改善教學(xué)方法。學(xué)生在整個學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、仿真建模能力、程序設(shè)計 能力、數(shù)據(jù)分析能力及寫作表達(dá)能力，研究生以本課程案 例為被研究背景的進(jìn)一步深入研究，發(fā)表科研論文5篇。 同時，教師在任課過程中也不斷的調(diào)整授課內(nèi)容,改進(jìn)案 例,適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力及科研需要,課程內(nèi)容安排也更