建筑类高校“控制系统仿真与CAD”课程教学改革探讨

贾巍　姬敬　杨清艳

摘要：近年来随着MATLAB等计算机辅助设计软件的快速发展，将仿真软件应用与基础理论知识结合已成为大学工科专业课程改革的趋势。该文针对“控制系统仿真与CAD” 课程教学过程中存在的问题，结合建筑类应用型本科院校的实际情况，对课程教学的改革进行了探索性研究，并应用于实际教学中，达到了良好的效果。

关键词：控制系统；MATLAB；仿真；CAD；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0146-02

Discussion on Teaching Reform of “Control System Simulation and CAD” Course in Architectural Undergraduate Colleges

JIA Wei， JI Jin， YANG Qing-yan

（College of Mechanical and Electrical engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of MATLAB and other computer aided design software， the combination of simulation software application and basic theoretical knowledge had become the trend of university engineering curriculum reform. This paper aimed at the problems existing in the course of “control system simulation and CAD”， combined with the actual situation of applied undergraduate colleges of architecture， made an exploratory study on the reform of curriculum teaching， also applied in practical teaching and achieved good results.

Key words： control system； MATLAB；simulation； computer aided design； educational reform

1 引言

“控制系統仿真与CAD”课程是工科自动化本科专业的一门专业基础课，其以“自动控制原理”、“现代控制理论”等课程为理论基础，以MATLAB编程软件为仿真平台，对控制系统的建模、时-频域分析、校正与设计等方面内容进行计算机辅助设计。由于是将自动化专业基础理论知识与仿真软件相结合，因此课程具有很强的工科应用背景，如何搭建理论与实际应用之间的桥梁，加深学生对专业知识的理解，同时提高分析问题和解决问题的实际动手能力是教师在教学过程中需要面对的一道难题。基于此，本文从课程教学过程中存在的问题入手，结合建筑类应用型本科院校的特点，对课程教学改革进行了深入研究，总结了一些经验办法用于日常教学中，取得了不错的效果。

2 教学中存在的问题

“控制系统仿真与CAD”课程在安徽建筑大学自动化专业讲授经历了十几年的发展过程，目前形成了比较完善的教学体系。自动化教研室结合专业培养方案，对课程教学大纲进行反复论证，明确了课程目标、教学内容、教学安排、教学方式和考核方式等课程教学相关内容。本课程的任课老师根据课程特点，采用将控制系统理论知识和实际仿真应用相结合的教学模式，重点培养学生借助仿真软件对控制系统的分析与设计能力，收到了较好的教学效果。但经过多年的教学实践，发现在教学过程中仍然存在一些问题亟待解决。

2.1 课程定位

“控制系统仿真与CAD”目前在大多数工科院校都定位为自动化本科专业的一门专业选修课【1】。相对于必修课而言，学生对选修课存在认知误区，从心理上觉得选修课并不重要，而且本课程被安排在大四上学期进行，正值学生考研复习或者就业找工作的关键时间，因此学生大多抱有混个及格、拿到学分即可的态度，很难投入大量热情到学习中去，这就给提高教学质量带来了难题。

2.2 与其他课程的衔接

“控制系统仿真与CAD”课程内容十分广泛，不仅仅包含“自动控制原理”“现代控制理论”等专业理论课的相关内容，还与“复变函数”“大学物理”“电路原理”“模拟电子技术”“信号与系统”“电机与拖动”等专业基础课的内容有关【2】，同时还需要具备MATLAB语言的编程技巧，因此对学生的基础知识储备要求很高。在本校此课程的开设时间是大四上学期，而前期的相关基础课大多在大二下学期或大三上学期开设，也就是说与其他课程的衔接时间过长，课程讲授难度大。

2.3 理论教学与实践教学

“控制系统仿真与CAD”课程目标是使学生掌握控制系统仿真与辅助设计的基本技能，如何提高学生实际仿真与设计的能力成为教学关键。但受限于教学条件，大部分理论教学都是在课堂进行，以教师讲授为主，学生以听为辅，难以提高实际动手操作能力。同时仅有的实验教学课程，由于学时有限，且受实验条件限制，只能完成3到4个相关验证性的实验题目，学生通过课堂学习所积累的知识内容，难以通过实验课程进行练习，从而提高学习效果。因此，如何充分扩展课堂教学内容，合理地将课堂理论教学与实验教学进行融合成为需要解决的问题。

2.4 与学校特色的结合

安徽建筑大学是一所以土建类学科专业为特色的多学科型大学，同时也是国家“卓越工程师教育培养计划”高校，在节能环保、城镇化与徽派建筑、地下工程、公共安全、先进建筑材料等重点学科具有较强的教学和科研优势【3】。而目前的教育体系中，建筑类与自动化类课程的教学内容基本是分开的，没有充分利用两者之间的学术联系，充分培养学生的综合能力。

因此，如果能将“控制系统仿真与CAD”课程的教学内容与学校的传统学科、研究方向相结合，充分发挥学校在建筑设备自动化、建筑电气控制技术、建筑电气工程设计等领域积攒的学术优势，引导学生对这几个建筑领域研究方向中的控制系统进行仿真分析与设计，将极大地提高学生的实际应用能力，有助于提升考研与就业的优势。

3 课程教学改革探讨

3.1 针对课程定位问题

本文作者在自动化专业中担任“专业导师”职务，其职责是根据本专业人才培养方案的要求指导学生根据自身情况，对选课、选专业方向以及专业辅修等进行具体指导，制定适合个性发展的学习计划。因此借由“专业导师”和“任课教师”的双重身份，在承担“控制系统仿真与CAD”课程的教学过程中，从多个角度向学生阐明本课程的特点以及重要性：（1）本课程与多门自动化专业课程内容相互交叉，既要求有较深的理论基础，同时又具有较强的工程应用背景，因此如能将此课程学好可以体现作为自动化专业学生的综合素质；（2）同时积极邀请往届的优秀毕业生返校跟在校学生进行交流，内容包括对于大学四年学习的感悟、研究生学习阶段的特点以及工作中的深刻体会，这样可以学长的亲身经历使在校生明确学习的目标和方向，学会运用计算机辅助设计手段进行自动化系统设计是在未来学习和工作中必备的能力，以充分调动学生学习的主动性和创造力。

经过一段时间的摸索和调查，学生的学习热情普遍有所提高。以“水箱液位控制系统仿真设计”为例，在实验课程中，学生会主动提出采用不同的调节规律对液位进行控制，同时对控制效果进行分析。如仅采用比例调节会增大系统的稳态误差，而采用比例积分调节可以消除误差，但如何对系统参数进行整定将影响响应速度。在这样的分析过程中不但提高了学习热情还加深了对知识的理解。

3.2 针对多课程内容交叉以及理论和实际相结合的问题

“控制系统仿真与CAD”课程内容与多门课程相互交叉，而总的课程学时只有32个，因此需要合理地对教学内容进行安排：（1）最初4个学时课程安排主要是对“自动控制原理”“现代控制理论”“电机学”和“MATLAB编程基础”等课程的内容进行复习回顾，考虑到这些课程的内容较多，如果全面覆盖一是时间不够，二是学生对大量知识的消化和吸收比较困难，因此采用基本理论知识和典型习题相结合的方式进行讲授，通过讲解综合性的例题带动学生理解比较抽象的概念和理论知识，以提高教学效果；（2）接下来的20个学时主要对“控制系统仿真与CAD”课程本身的内容进行讲解，这里通过讲解具体案例来帮助学生理解数字仿真的方法和过程，如讲解“一阶直线倒立摆的建模”时，首先通过牛顿力学定律建立各个环节的微分方程，然后消除中间变量并经过简化得到整个系统的微分方程，最终还可得到传递函数或状态方程等数学模型，在这个过程中让学生体会建模的整个流程，并和之前学过的控制理论的相关内容相结合，理论联系实际，提高学习效果；（3）最后8个学时的课程主要安排学生自己动手进行仿真实验，这里对实验内容的安排力求全面覆盖课堂所学内容，因此选择了“直流电机双闭环调速系统仿真设计”“一阶倒立摆控制系统仿真设计”“PWM整流器系统仿真设计”以及“建筑楼宇自动化系统仿真设计”4个实验，每个实验2个学时，2个学生1组进行，已验证课堂的学习效果，同时还可以提高学生学习的兴趣和自信心。

这样的教学安排分别在13级、14级两届学生的课堂上进行了探索性的试验，结果表明学生的学习的主动性有了很大提高，同时创新能力也有了大幅提升，有十多位学生组成了若干个兴趣小组申请了国家级或者省级的创新创业项目，把课堂学习的内容延伸到实践中，不但培养了学习能力，也提高了自身的水平。

3.3 针对与学校特色学科相结合的问题

安徽建筑大学是安徽省内唯一一所以土建类学科为特色的综合性大学，其土建类相关专业的考研率和就业率一直很高，学科优势明显。因此在“控制系统仿真与CAD”课程教学中，结合建筑类电气自动化方向的应用背景，相应地安排一些学时，以提高自动化专业学生在土建类方向的应用能力，对增强学生的考研和就业优势十分必要。

因此在课程内容安排上，把控制系统仿真与空调系统、供热系统、给排水系统、电气监控系统等建筑自动化设备和供配电、照明、防雷接地等建筑电气工程系统设计的内容结合起来，考虑到学生前期已学过相应的理论知识，因此在课程讲解时重点强调培养运用理论知识进行实际的能力；与此同时，利用学校以及校企合作的资源，安排若干次的现场生产实习教学，让学生走进相关的建筑电气类公司或培训基地，直接接触生产现场的同时进行学习，如在学校楼宇控制与节能优化实验示范中心进行智能照明系统的仿真设计研究，将课堂所学的理论知识和生产实践相结合，培养学生学习兴趣的同时加深学生对知识的理解和运用，更好地提高学生的综合素质。

4 结论

相关教学改革的措施在“控制系统仿真与CAD”课程教学中得到了应用，取得了不错的实际效果。学生的学习热情和精神面貌焕然一新，提高了教学质量。通过将控制系统仿真知识与建筑类学科的内容相结合，增强了学生的核心竞争力，每年建筑电气方向的考研率和就业率有了大幅提高。很多同学不单单在课堂上学习控制系统仿真的相关知识，还把对控制系统的建模、分析与设计等仿真研究运用到参加的大学生学科竞赛和创新创业等实际项目中，学而有所用，在提升学生工程技术能力的同时还培养了自主学习能力。

参考文献：

[1] 彭滔，张莲. 控制系统仿真课程教学改革[J]. 课程教育研究，2015，22（1）： 238-239.

[2] 王红梅，边敦新，邢雪宁，等.“控制系统仿真”课程教学研究与探索[J]. 电气电子教学学报， 2015， 37（4）： 48-50.

[3] 孙道胜，潘和平，丁仁船. 地方应用性高校卓越人才培养实施路径研究——以安徽建筑大學为例[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（4）： 25-29.