以工程應(yīng)用貫穿教學(xué)全過程的創(chuàng)新教學(xué)新模式-“控制系統(tǒng)仿真”本科課程教學(xué)改革實踐

“控制系統(tǒng)仿真”本科課程是一門理論與工程實踐聯(lián)系非常緊密的技術(shù)基礎(chǔ)課，以培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力為指導(dǎo)原則，以學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的仿真技術(shù)與手段、培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)為目的［1］。通過對“控制系統(tǒng)仿真”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠比較深入、系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)仿真的基本概念、基本理論、基本方法；對復(fù)雜系統(tǒng)分析、設(shè)計和研究中應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)的一般過程、方法和關(guān)鍵技術(shù)，有較好的理解和認識；初步具有應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)進行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和研究的能力；具有應(yīng)用仿真理論去分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的能力，綜合集成解決實際系統(tǒng)問題的能力。“控制系統(tǒng)仿真”課程的現(xiàn)行教學(xué)模式上存在一定的問題。首先，就教學(xué)方法而言，該課程的教學(xué)目前停留在傳統(tǒng)的教學(xué)理念上，教學(xué)方法和手段相對單一。這種情況沒有緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展的腳步，也沒有跟上教學(xué)改革的時代潮流［2］。其次，系統(tǒng)仿真是一門具有很強實踐性的綜合性新興學(xué)科，“控制系統(tǒng)仿真”課程作為其主要核心課程，自然也應(yīng)該非常強調(diào)實踐環(huán)節(jié)的鍛煉，但該課程目前的教學(xué)模式依然嚴重缺乏這方面的實踐內(nèi)容［3］。最后，與現(xiàn)行教學(xué)模式配套的幾個實踐環(huán)節(jié)都是獨立的、沒有任何聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型，使得學(xué)生“只見樹木，不見森林”，無法從整體上把握該門課程。一、教學(xué)改革的創(chuàng)新思路在“控制系統(tǒng)仿真”課程的多年教學(xué)實踐中，我們逐步意識到：該課程的教學(xué)應(yīng)該更加強調(diào)與真實控制系統(tǒng)的具體結(jié)合；應(yīng)該把課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、項目設(shè)計（Project）作為三個同等重要的教學(xué)環(huán)節(jié)來對待；應(yīng)該在教材與教學(xué)輔助資料建設(shè)、實驗室建設(shè)和計算機輔助教學(xué)軟件的開發(fā)等三個方面協(xié)調(diào)規(guī)劃、共同推進。（一）強調(diào)與“控制系統(tǒng)”的緊密結(jié)合，增強對研究對象的認識“控制系統(tǒng)仿真”課程應(yīng)該強調(diào)教學(xué)內(nèi)容與研究對象的緊密結(jié)合，讓學(xué)生明白到底什么是控制系統(tǒng)，我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷目刂葡到y(tǒng)是什么樣子的。為了增強對研究對象的感性認識，筆者增設(shè)了有關(guān)章節(jié)內(nèi)容，對典型控制系統(tǒng)進行了詳細介紹。（二）將實驗教學(xué)與理論教學(xué)融為一體，加強實踐環(huán)節(jié)的鍛煉從培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的目標(biāo)出發(fā)，把理論教學(xué)與實驗教學(xué)緊密結(jié)合，加強對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和解決實際問題的訓(xùn)練［4］。實踐教學(xué)要從改變傳統(tǒng)的教學(xué)理念出發(fā)，要強調(diào)懂得工程問題的能力，要把運用各種現(xiàn)代工具針對實際問題建立和校核模型的能力、設(shè)計和進行實驗的能力、分析和檢驗數(shù)據(jù)的能力等都作為重要的培養(yǎng)目標(biāo)來實現(xiàn)［5］。（三）結(jié)合具體的應(yīng)用實例和科研項目，突出軍事應(yīng)用的特色眾所周知，榜樣的力量是無窮的，因此，我們結(jié)合科研項目的實例來開展教學(xué)［6］。讓學(xué)生從這些科研實例中感受仿真技術(shù)的巨大作用。從軍事應(yīng)用角度出發(fā)，進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。（四）嘗試以一個典型工程應(yīng)用為例子，貫穿課程教學(xué)全過程嘗試以一個脫密的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，對它進行改進和完善，將“控制系統(tǒng)仿真”課程的各章內(nèi)容、知識點、實驗環(huán)節(jié)有效連接和貫通，使課程實踐活動貫穿課程教學(xué)全過程，加強實踐環(huán)節(jié)的鍛煉，集中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［7］。二、教學(xué)改革的實施方案（一）以典型導(dǎo)彈系統(tǒng)工程應(yīng)用為背景，構(gòu)建創(chuàng)新的教學(xué)模式“控制系統(tǒng)仿真”的主要內(nèi)容包括七個章節(jié)的內(nèi)容：《緒論》《模型處理技術(shù)》《連續(xù)系統(tǒng)數(shù)值積分仿真方法》《連續(xù)系統(tǒng)模型的離散化處理方法》《面向結(jié)構(gòu)圖的仿真方法和仿真軟件》《采樣控制系統(tǒng)仿真》《實時半實物仿真》等。其中，《緒論》部分主要介紹仿真的一些基本概念；《模型處理技術(shù)》部分主要介紹控制系統(tǒng)模型之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；《實時半實物仿真》部分主要介紹半實物仿真的基本概念和半實物仿真系統(tǒng)的組成、主要設(shè)備、實時特性等。其余四章是本課程的主要內(nèi)容和知識點。筆者嘗試以一個脫密的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，在此基礎(chǔ)上對它進行改進，將教學(xué)方案中“控制系統(tǒng)仿真”課程的其余四章內(nèi)容、各個知識點、各個實驗環(huán)節(jié)有效連接和貫通，加強實踐環(huán)節(jié)的鍛煉，集中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。具體來說，把這個導(dǎo)彈控制系統(tǒng)作為一個Project（項目設(shè)計）環(huán)節(jié)來規(guī)劃，在課程的最后由學(xué)生進行實踐?？紤]到一個Project一次性實現(xiàn)的難度較大，可從中分離出四個獨立的小實驗，分別對應(yīng)各章的教學(xué)內(nèi)容。這四個小實驗都歸屬于這個Project，是其有效的一部分，可與教學(xué)內(nèi)容同步進行。實驗環(huán)節(jié)與教學(xué)內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。課后的Project環(huán)節(jié)，可作為大作業(yè)來實現(xiàn)，它是一個全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真實驗，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，將各章內(nèi)容有效連接。圖1導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的實例Project與各章實驗之間的關(guān)系（二）立足各類教學(xué)和科研的試驗條件，建立完善的試驗體系具體依托學(xué)院現(xiàn)有的精確制導(dǎo)方向的半實物仿真實驗室和控制技術(shù)與工程實驗室，并新建部分配套試驗環(huán)境，形成完善的試驗體系。其中，新建部分配套試驗環(huán)境需要開發(fā)如下的4項共性投資試驗環(huán)節(jié)，它們主要是通用導(dǎo)彈實例的設(shè)計內(nèi)容，具體見表1。相應(yīng)地，需要開發(fā)試驗環(huán)節(jié)原理樣機共5套，具體見表2。表1導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實例開發(fā)的共性投資試驗環(huán)節(jié)表2導(dǎo)彈控制系統(tǒng)實例試驗環(huán)節(jié)原理樣機考慮到建設(shè)成本的限制，“控制系統(tǒng)仿真”課程最后的集成仿真環(huán)境不考慮半實物仿真的形式，而是建設(shè)成純數(shù)學(xué)仿真的形式，這樣可以節(jié)約三軸轉(zhuǎn)臺等半實物仿真設(shè)備的大額開支。針對“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)試驗環(huán)節(jié)配備了20套左右的獨立試驗單元，可以提供20人同時進行小班試驗環(huán)節(jié)的教學(xué)。項目建設(shè)內(nèi)容全面覆蓋教學(xué)方案中“控制系統(tǒng)仿真”課程的試驗環(huán)節(jié)。該綜合試驗環(huán)境建設(shè)完成后，能完全針對教學(xué)方案中“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)試驗環(huán)節(jié)，這些教學(xué)試驗環(huán)節(jié)都是一個脫密并改進的完整的某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的一部分。當(dāng)該課程全部學(xué)習(xí)完畢后，再經(jīng)過該脫密并改進的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的全系統(tǒng)純數(shù)學(xué)仿真試驗的集中鍛煉，可將各知識內(nèi)容有效連接和貫通。（三）開展課堂演示和例證的討論環(huán)節(jié)，實施互動式教學(xué)改革在教學(xué)方法上，實施互動式課堂教學(xué)方法改革，設(shè)立課堂的討論環(huán)節(jié)［8］。對于學(xué)生有一定認識的問題，我們以問題做引導(dǎo)，開展ClassroomDemonstration環(huán)節(jié)，使學(xué)生展開討論，加強師生互動交流，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，催生學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而提高其對問題的理解和重視程度，避免枯燥的講述［9］。（四）自編系統(tǒng)的專用教材和輔助資料，引進國外先進的教材自編系統(tǒng)的、更有針對性的“控制系統(tǒng)仿真”專用教材，在其中增設(shè)《各類控制系統(tǒng)》一章。制作配套的計算機輔助教學(xué)軟件，幫助學(xué)生快速掌握相關(guān)知識內(nèi)容。引進原版經(jīng)典英文教材TheoryofModelingandSimulation等作為參考書。編寫《控制系統(tǒng)仿真典型實驗指導(dǎo)書》《控制系統(tǒng)仿真Project設(shè)計》等一系列輔助教學(xué)資料。（五）積極跟蹤當(dāng)前學(xué)術(shù)發(fā)展前沿進展，嘗試進行雙語教學(xué)準備嘗試進行雙語教學(xué)。在課程講授過程中，緊密結(jié)合仿真技術(shù)的發(fā)展前沿，介紹有關(guān)仿真技術(shù)方面的技術(shù)熱點；收集最新的外文技術(shù)資料，并把部分特別重要的外文資料布置成學(xué)生的翻譯作業(yè)［10］。（六）關(guān)注學(xué)生實際動手能力的培養(yǎng)，改革課程考核的方式在考核上，采取課堂研討、上機實驗、平時作業(yè)、Project設(shè)計、期末考試等相結(jié)合的綜合評價手段。具體的課程考核評分標(biāo)準見表3。表3課程考核評分標(biāo)準（七）增設(shè)去外協(xié)單位的參觀學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，增強學(xué)生的感性認識由于與市內(nèi)外協(xié)單位進行科研合作已有二十多年，一直參與該單位項目實驗區(qū)的總體論證、項目申請、設(shè)計評審等相關(guān)工作，因此與該單位有著良好的合作關(guān)系，也非常了解該單位實驗區(qū)仿真環(huán)境的技術(shù)狀態(tài)。所以，在教學(xué)過程中可以分步驟落實去該單位實驗區(qū)參觀學(xué)習(xí)的具