《控制系统仿真课程设计》改革与实践

姜文娟 孟杰 顾大可 马乐

摘要：在新工科和工程认证背景下对我校自动化专业《控制系统仿真课程设计》进行改革，在2017级和2018级学生实践证明，改革后的课程设计内容具有更强的挑战度、高阶性和创新性，教学模式的改变有效地拓展了学生的设计时间，细致化的过程考核形成对课程目标强有力的支撑，培养了学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力和创新能力，符合新工科和工程认证背景下对人才的需求。

关键词：控制系统仿真;课程设计;新工科;工程认证

课程设计旨在加强学生对本课程及相关课程理论及专业知识的理解和掌握，训练并提高其在理论计算、结构设计、工程绘图、资料文献查阅、运用相关标准与规范及计算机应用等方面的能力;同时，为其他专业课程的学习和毕业设计（论文）奠定良好的基础。

《控制系统仿真课程设计》是我校自动化专业重要的专业课程设计，培养学生综合运用所学知识对电力等工业中的复杂工程问题进行建模，并能够对复杂工程问题进行分析和设计，能够对分析和计算结果进行评价，并理解其局限性。

随着新工科教育和工程教育认证的推进，各高校也尝试对课程设计进行改革。针对课程设计教学改革，早期研究主要集中在课程设计教学体系的建设、设计内容及教学方法等方面。华南理工大学能源与动力工程专业基于“新工科”理念对锅炉原理课程设计进行改革和探索，着重培養学生的创新能力;电子科技大学网络工程专业着重于多元化考核模式的改革;华北水利水电大学测控技术与仪器专业和企业合作，探索出校企合作完成课程设计的思路;武汉大学计算机学院对竞赛获奖案例进行逆向拆解，由教师整合成学生可实操的课程设计课题。

本文在分析我校自动化专业《控制系统仿真课程设计》存在问题的基础上，提出了相应的改革措施，并实施，做到持续改进，提高课程设计的质量，满足新工科和工程认证标准要求。

一、存在问题分析

我校自动化专业是国家一流专业建设点、国家级特色专业和吉林省品牌专业，通过了工程教育专业认证。自动化专业2018版培养方案的《控制系统仿真课程设计》源于2014版培养方案中的《专业方向课程设计》。2014版《专业方向课程设计》是自动化专业的重要的专业课程设计，安排在第七学期末，为时3周，主要包含四个方向：集散控制系统方向、过程控制方向、计算机控制系统方向和控制系统仿真方向，每个学生选择其中一个方向即可。在近几年的毕业设计指导过程中发现自动化专业学生的控制系统仿真部分欠缺，并考虑到集散控制系统、过程控制、计算机控制系统三个方向在对应的课程结束后均设置了相应的课程设计，因此在2018版培养方案中，自动化专业将《专业方向课程设计》更改为《控制系统仿真课程设计》，设计周数改为2周。原来的控制系统仿真方向主要依托《自动控制原理》《现代控制理论》和《控制系统CAD及计算机仿真》课程，利用Matlab软件进行仿真分析和设计，培养方案修订后《控制系统仿真课程设计》拟在原来控制系统仿真方向的基础上进行改革。

目前存在的主要问题有：

（一）选题陈旧、数量少

控制系统仿真方向提供6个题目供学生选择，题目多年来一直在使用，虽然中间有所调整，但已经不能满足时代发展的需求和对学生能力培养的需求;多个课程设计选题可通过网络查阅到大量的相关资料，只要按照参考资料上的步骤做，就能完成课程设计任务，学生的创新设计思维和能力得不到发挥，更不能体现学生的个性化和差异化设计;

（二）设计内容简单

课程设计内容缺乏针对复杂工程问题的设计，设计内容较为简单，不能有效提高学生解决复杂工程问题的能力;课程设计方案缺乏对非技术因素的考虑，不能有针对性地应用相关知识评价这些因素对设计方案的影响，学生的工程能力和职业素养得不到很好的培养;

（三）教学模式单一

由于上述（1）和（2）存在的问题，传统的单一设计模式下，学生课程设计集中在2周进行，学生自主探索和创新设计的时间少，抑制了学生自主学习能力和创新能力的培养;

（四）考核过程粗糙

课程设计考核过程简单，考核标准不细致，考核方式对课程目标和毕业要求的支撑不高，不能很好地反映学生的能力和水平。

针对上述存在的问题，课题组按照工程教育专业认证要求、遵循新工科的发展方向和需求、以市场和企业需求为导向，主要针对课程设计选题、课程设计内容、课程设计指导、课程设计评价等方面进行改革，提升教师的实践指导能力，推动实践教学环节质量的提高和学生能力的培养。

二、课程设计改革

（一）制定合理的课程目标

制定了合理的课程目标，课程目标对毕业要求的支撑程度更强。课程目标的评价项目更加细致，评价项目对课程目标形成强有力的支撑。

（二）丰富课程设计选题

拓宽选题范围，丰富选题内容。课程组教师均具有博士学位，具有丰富的工程实践经验，课程组鼓励老师将自己科研课题的部分内容作为课程设计选题。例如，教师的“电厂锅炉燃烧系统优化控制”等纵向课题或横向课题部分内容作为选题。

（三）深化课程设计内容

在新工科建设和工程教育专业认证背景下，加大课程设计的挑战度、高阶性和创新性，将课程设计建设成具有“两度一性”的“金课”，需要学生“跳一跳”才能够得着，培养多元化、创新型卓越工程人才。同时考虑社会、安全、法律等因素的影响，培养学生工程意识和职业道德。

（四）改革课程设计教学模式

探索培养学生解决复杂工程问题的能力的途径。改变以往课程设计集中2周进行的方式，提前将课程设计题目和要求发放给学生，提前进行资料的查阅、方案的设计等工作，提高学生自主学习能力，激发创新思维。

（五）完善课程设计考核方式

制定合理的考核方式，完善过程化考核和多元化考核。考核评价环节贯穿课程设计全过程，多元化考核全面反映学生能力。

三、课程设计实施

2017级《控制系统仿真课程设计》共2周，经课程组讨论，从知识、素质和能力3个方面制定了课程设计目标，撰写了课程设计内容和设计要求，完善了课程目标与评价依据占比关系表、考核方式和评价要求等相关内容。

针对原来的控制系统仿真方向的6个题目（串联校正装置的设计、利用双线性变换求其离散传递函数、恒温箱温度PID控制器的设计、线性定常系统能控能观和稳定性分析、线性定常系统状态响应及输出响应的测量、线性定常系统状态反馈及状态观测器设计）存在的问题，要求教师根据教学大纲结合自身科研项目拟定课程题目，设计内容能培养学生利用学过的《自动控制原理》《现代控制理论》等相关知识分析复杂工程问题的能力，同时设计内容应具有一定的挑战度、高阶性和创新性。经教师拟定提交课程组审核后，确定8个题目作为2017级《控制系统仿真课程设计》题目，完善了课程设计任务书和指导书，8个题目如下：典型伺服系統PID控制器设计及仿真、直流电机控制器的设计及仿真、双容水箱液位PID控制器的设计及仿真、循环流化床锅炉床温PID控制器的设计（工况1）、锅炉温度数据驱动建模及仿真、循环流化床锅炉床温PID控制器的设计（工况2）、单容水箱液位控制系统建模与仿真、倒立摆控制系统的设计与仿真。

2017级《控制系统仿真课程设计》每个题目突出了复杂工程问题的建模、系统分析和控制器设计等知识，能够支撑课程目标和毕业要求的达成。课程设计题目在正式设计的前一周周三发给学生，并向学生说明每个题目的任务和要求，激发了学生学习的热情;合理安排了中期检查和答疑时间，学生的课程设计顺利完成，达成了课程设计目标和毕业要求。

2017级课程设计结束后，课程组进行总结，凸显问题，保持优势：（1）部分课程设计题目在网上能找到比较详细的参考资料，影响了学生的创新能力的培养;（2）在进行课程目标达成性评价时，发现课程目标评价环节还不够细致，评价环节对课程目标的支撑力度不够;（3）教学模式的改革能更有效地促进学生的学习积极性，激发学生创新性。

针对上述问题，课程组对2018级《控制系统仿真课程设计》进行持续改进：（1）题目在2017级的基础上，课程组老师结合自己科研项目进行更新，或者题目不变加深课程设计内容。更新题目为题目2：中央空调冷冻水循环系统的专家PID控制、题目3：锅炉蒸汽压力控制系统串级PID控制器设计、题目6：基于时间最优控制的起重机防摆控制的设计，题目4加深了设计内容，更新率达到50%，更能激发学生的学习潜能和创新思维。（2）进一步细化了课程设计过程化考核的评价项目，明确了对非技术性指标的评价，更充分的支撑课程目标的达成。（3）课程设计提前一周动员，题目提前一周发给学生，有效地拓展了课程设计时间，充分调动广大学生学习的热情，激发学生的创新性思维。

四、结语

在新工科和工程认证背景下，以我校自动化专业《控制系统仿真课程设计》为例，对其进行改革，明确了课程目标、丰富了设计选题、深化了设计内容、改进了教学模式、细化了考核环节。实践证明改革后的课程设计能够培养学生解决复杂工程问题能力、创新能力，符合新工科和工程认证背景下对人才的需求。

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