基于自主学习的控制系统仿真教学研究

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【摘要】控制系统仿真是自动化专业的一门重要的专业课程。借助网络教学环境，实施自主学习是教学改革的一项新举措。控制系统仿真自主学习有助于增强学生的创新能力和分析、解决问题的能力。本文对控制系统仿真自主学习过程中的学习目标确定、学习方法选择、学习过程监督和学习结果评价等方面进行了研究。

【关键词】自主学习;控制系统仿真;教学研究

1.引言

《控制系统仿真》是自动化专业的一门重要专业课程，在专业培养方案中起加强学生对经典控制理论、现代控制理论和过程控制系统等理论学习的作用[1]。该课程以《计算机基础及C语言程序设计》、《自动控制原理》等课程为先修课程，也是《现代控制理论》、《过程控制系统》等后续课程的重要工具，其目标是增强学生在控制系统分析与设计和自主学习等方面的能力，具有很强的实践性。该课程的主要内容包括MATLAB语言的数值运算、MATLAB语言的符号运算、MATLAB语言的绘图、控制系统分析与综合、SIMULINK结构图控制系统仿真等。

《控制系统仿真》课程常采用以课堂教学为主，一定课时的实验为辅的传统教学方式。然而，该方式往往是“灌输式”教学，约束了学生的控制系统分析和综合能力和创新能力的培养。教学方法改革的一个重要方面就是学习方法的转变，即要求学生从被动、机械的学习方式转变成自主的、主动的学习方式。大学生自主学习，也称大学生自我调节的学习，是大学生自觉确定学习目标、选择学习方法、监督学习过程、评价学习结果的过程[2]。自主学习在学生的学习生活中占据越来越重要的位置。

本文对基于自主学习的控制系统仿真教学进行了探索和研究。借助于网络平台，结合控制系统仿真特点，实施自主学习的四个环节，教学结果表明该教学方法可调动学生学习的积极性，充分发挥学生学习潜能。

2.自主学习实施

控制系统仿真自主学习以“天空教室网络课堂”为教学平台，设计面向自主学习的网络课件和教学视频，设置网络讨论区、典型例题库和在线自测等，强调师生交互。控制系统仿真自主学习指导流程如图1所示。

2.1 学习目标确定

通过网络教学平台的课程介绍板块使学生清晰了解教学目标。自主学习与传授式教学的学习目标不同之处在于自主学习可更多的强调知识运用能力，减少死记硬背的内容。控制系统仿真自主学习的学习目标为熟悉MATLAB语言数值运算和符号运算中的常见函数、具有一定的数学建模能力（根据数学问题背景建立约束优化问题）、掌握一定的绘图能力、以MATLAB命令行方式对控制系统进行分析和综合和基于SIMULINK的结构图控制系统仿真[3]。

学习目标主要通过课程介绍、网络课件等内容让学生清晰各章节和本课程的目标。与课堂教学课件相同，网络课件要系统组织和呈现课程内容。此外，网络课件还要引导学生掌握课程内容和为相应能力的培养提供途径。因此，网络教学课件应注意以下几点：

（1）提供系统的学习内容，强调具体应用问题，使学生掌握课程的基本内容;

（2）课件要扩展学习资源，为掌握基础内容较好的学生提供进一步深入学习的途径;

（3）课件能够为学生学习提供指引;

（4）课件包含综合设计问题，有助学生对重点内容融会贯通[4]。

例如，在二维曲线作图的学习目标中，设置以控制对象数学模型的多方法求解的题型，该目标融合了二维曲线作图、插值算法和最小二乘法等方面的内容;在结构图控制系统仿真的目标中，设置专家PID控制器设计题型，该问题融合了专家知识理解、PID参数调整等问题。实践表明具备上述四个特点的网络资源可帮助学生清晰理解自主学习目标。

图1 控制系统仿真自主学习指导流程图

2.2 学习方法选择

学习方法指在学习过程中获取知识、技能的途径、方式、程序和手段，主要包含带题求解、同类比较、跟踪探寻等方法。带题求解与同类比较是本课程自主学习的主要方法。本课程具有很强的实践性，设置具有多种求解方法的、与实际贴近的仿真题目可提高学生的学习兴趣，更好的发挥主观能动性。给学生设置较多的综合性问题，可有助于学生根据学习内容特点和自身学习特点，及时调整学习方法[5]。丰富的网络资源、良好的操作界面和信息全面的帮助文件都为学生自主学习提供了便利。为求解某一问题，学生可借助于网络论坛、搜索引擎、软件自带的帮助文件和书籍资料等途径获取求解方法。帮助文件是学生解题的第一工具，然而对于无所适从的问题，学生可求助于搜索引擎和专题论坛。教学平台中的典型例题、数学建模竞赛试题（如调整气象观测站问题、维修线性流量阀时的内筒设计问题等）和控制系统分析综合仿真例题（如倒立摆仿真、解耦控制、直流电机调速系统的计算机辅助设计等）为具有基础能力不同的学生提供了学习资源。采用激励机制，鼓励学生多思考和求解较难的综合性问题。

2.3 学习过程监督

过程监督要求教师在某一时段内检查学生学习状况，并根据情况，为学生进一步学习提供意见，使学生及时调整学习方法和进度。学生学习情况可由在线习题完成情况、学习讨论区的讨论情况和阶段测试情况获取。在监督过程中，注意与学生“平等”，采用讨论的方法，与学生交流学习过程中问题，使学生充分发挥主观能动性。

多听取学生的解题思路，对错误及时指正，鼓励学生尝试不同解题方法并进行验证，引导学生从执行时间与所需内存空间两方面对多种解题方法进行比较。在指明学生错误时，师生间的“平等”可避免学生产生挫败感。在图1中的教师答疑和教师指导环节，通过基于网络在线实施，也通过与学生约定时间和地点在教室内以讨论的形式开展。

2.4 学习结果评价

学习结果评价是参考预定目标，对学生掌握情况进行评估。该课程采用等级成绩，每个等级建立相应的目标。在计算总评成绩时，在线练习与在线讨论的成绩占30%，在线测试占70%，解题方法的多样性与新颖性占在线测试成绩的30%。因此，在对学习结果进行评价时，同时考虑了定量指标和定性指标。在线练习题和测试题能涵盖教学大纲指明学生必须掌握的内容，也能包含用于能力扩展的附加题型（如遗传算法程序理解、系统函数设计等）。此外，在题型设计时，考虑后续课程的学习，如绘制过程控制系统中的串联管道调节阀工作特性曲线等。

在成绩评定时，强调在线练习和在线讨论，有利于学生认识自主学习不是独立自学，是在教师督导下的、有师生交互的和有学生间交互的自学，从而防止懒散现象的发生。因此，本课程学习结果评价也注意了自主学习的重过程性、合作性和集体互动性。

3.小结

基于网络教学平台，进行自动化专业的控制系统仿真自主学习实践，对课程实施框架和单元环节进行设计，组织教学实施。自主学习可提高学生对控制系统仿真的学习热情，获得了良好的教学效果。

参考文献

[1]孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京：北京工业大学出版社，2006.

[2]庞维国.自主学习―学与教的原理与策略[M].上海：华东师范大学出版社，2003.

[3]张鑫，刘.控制系统仿真课程内容改革与实践[J].考试周刊，2010，34：17-18.

[4]黄勇.面向自主学习的网络课件的教学设计[J].现代教育技术，2008，10（18）：80-84.

[5]樊泽恒.基于自主学习的网络教学策略设计[J].远程教育与网络教育，2005，225：42-45.