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文檔簡介

“控制系統仿真”本科課程是一門理論與工程實踐聯系非常緊密的技術基礎課,以培養學生的素質教育和創新能力為指導原則,以學生掌握控制系統的仿真技術與手段、培養學生的綜合素質為目的[1]。通過對“控制系統仿真”課程的學習,學生能夠比較深入、系統地掌握系統仿真的基本概念、基本理論、基本方法;對復雜系統分析、設計和研究中應用系統仿真技術的一般過程、方法和關鍵技術,有較好的理解和認識;初步具有應用系統仿真技術進行控制系統分析、設計和研究的能力;具有應用仿真理論去分析、設計控制系統的能力,綜合集成解決實際系統問題的能力。“控制系統仿真”課程的現行教學模式上存在一定的問題。首先,就教學方法而言,該課程的教學目前停留在傳統的教學理念上,教學方法和手段相對單一。這種情況沒有緊跟科學技術發展的腳步,也沒有跟上教學改革的時代潮流[2]。其次,系統仿真是一門具有很強實踐性的綜合性新興學科,“控制系統仿真”課程作為其主要核心課程,自然也應該非常強調實踐環節的鍛煉,但該課程目前的教學模式依然嚴重缺乏這方面的實踐內容[3]。最后,與現行教學模式配套的幾個實踐環節都是獨立的、沒有任何聯系的數學模型,使得學生“只見樹木,不見森林”,無法從整體上把握該門課程。一、教學改革的創新思路在“控制系統仿真”課程的多年教學實踐中,我們逐步意識到:該課程的教學應該更加強調與真實控制系統的具體結合;應該把課堂教學、實驗教學、項目設計(Project)作為三個同等重要的教學環節來對待;應該在教材與教學輔助資料建設、實驗室建設和計算機輔助教學軟件的開發等三個方面協調規劃、共同推進。(一)強調與“控制系統”的緊密結合,增強對研究對象的認識“控制系統仿真”課程應該強調教學內容與研究對象的緊密結合,讓學生明白到底什么是控制系統,我們日常生活中常見的控制系統是什么樣子的。為了增強對研究對象的感性認識,筆者增設了有關章節內容,對典型控制系統進行了詳細介紹。(二)將實驗教學與理論教學融為一體,加強實踐環節的鍛煉從培養學生實踐能力的目標出發,把理論教學與實驗教學緊密結合,加強對學生動手能力的培養和解決實際問題的訓練[4]。實踐教學要從改變傳統的教學理念出發,要強調懂得工程問題的能力,要把運用各種現代工具針對實際問題建立和校核模型的能力、設計和進行實驗的能力、分析和檢驗數據的能力等都作為重要的培養目標來實現[5]。(三)結合具體的應用實例和科研項目,突出軍事應用的特色眾所周知,榜樣的力量是無窮的,因此,我們結合科研項目的實例來開展教學[6]。讓學生從這些科研實例中感受仿真技術的巨大作用。從軍事應用角度出發,進一步激發學生的學習積極性。(四)嘗試以一個典型工程應用為例子,貫穿課程教學全過程嘗試以一個脫密的導彈武器系統為例,對它進行改進和完善,將“控制系統仿真”課程的各章內容、知識點、實驗環節有效連接和貫通,使課程實踐活動貫穿課程教學全過程,加強實踐環節的鍛煉,集中培養學生的創新能力[7]。二、教學改革的實施方案(一)以典型導彈系統工程應用為背景,構建創新的教學模式“控制系統仿真”的主要內容包括七個章節的內容:《緒論》《模型處理技術》《連續系統數值積分仿真方法》《連續系統模型的離散化處理方法》《面向結構圖的仿真方法和仿真軟件》《采樣控制系統仿真》《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》部分主要介紹控制系統模型之間的轉化關系;《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的組成、主要設備、實時特性等。其余四章是本課程的主要內容和知識點。筆者嘗試以一個脫密的導彈武器系統為例,在此基礎上對它進行改進,將教學方案中“控制系統仿真”課程的其余四章內容、各個知識點、各個實驗環節有效連接和貫通,加強實踐環節的鍛煉,集中培養學生的創新能力。具體來說,把這個導彈控制系統作為一個Project(項目設計)環節來規劃,在課程的最后由學生進行實踐。考慮到一個Project一次性實現的難度較大,可從中分離出四個獨立的小實驗,分別對應各章的教學內容。這四個小實驗都歸屬于這個Project,是其有效的一部分,可與教學內容同步進行。實驗環節與教學內容的對應關系如圖1所示。課后的Project環節,可作為大作業來實現,它是一個全系統的數學仿真實驗,在MATLAB/Simulink環境下,將各章內容有效連接。圖1導彈控制系統的實例Project與各章實驗之間的關系(二)立足各類教學和科研的試驗條件,建立完善的試驗體系具體依托學院現有的精確制導方向的半實物仿真實驗室和控制技術與工程實驗室,并新建部分配套試驗環境,形成完善的試驗體系。其中,新建部分配套試驗環境需要開發如下的4項共性投資試驗環節,它們主要是通用導彈實例的設計內容,具體見表1。相應地,需要開發試驗環節原理樣機共5套,具體見表2。表1導彈控制系統實例開發的共性投資試驗環節表2導彈控制系統實例試驗環節原理樣機考慮到建設成本的限制,“控制系統仿真”課程最后的集成仿真環境不考慮半實物仿真的形式,而是建設成純數學仿真的形式,這樣可以節約三軸轉臺等半實物仿真設備的大額開支。針對“控制系統仿真”課程的教學試驗環節配備了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節的教學。項目建設內容全面覆蓋教學方案中“控制系統仿真”課程的試驗環節。該綜合試驗環境建設完成后,能完全針對教學方案中“控制系統仿真”課程的教學試驗環節,這些教學試驗環節都是一個脫密并改進的完整的某型導彈武器系統的一部分。當該課程全部學習完畢后,再經過該脫密并改進的導彈武器系統的全系統純數學仿真試驗的集中鍛煉,可將各知識內容有效連接和貫通。(三)開展課堂演示和例證的討論環節,實施互動式教學改革在教學方法上,實施互動式課堂教學方法改革,設立課堂的討論環節[8]。對于學生有一定認識的問題,我們以問題做引導,開展ClassroomDemonstration環節,使學生展開討論,加強師生互動交流,激發學生的主觀能動性,催生學生的創新能力,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)自編系統的專用教材和輔助資料,引進國外先進的教材自編系統的、更有針對性的“控制系統仿真”專用教材,在其中增設《各類控制系統》一章。制作配套的計算機輔助教學軟件,幫助學生快速掌握相關知識內容。引進原版經典英文教材TheoryofModelingandSimulation等作為參考書。編寫《控制系統仿真典型實驗指導書》《控制系統仿真Project設計》等一系列輔助教學資料。(五)積極跟蹤當前學術發展前沿進展,嘗試進行雙語教學準備嘗試進行雙語教學。在課程講授過程中,緊密結合仿真技術的發展前沿,介紹有關仿真技術方面的技術熱點;收集最新的外文技術資料,并把部分特別重要的外文資料布置成學生的翻譯作業[10]。(六)關注學生實際動手能力的培養,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、Project設計、期末考試等相結合的綜合評價手段。具體的課程考核評分標準見表3。表3課程考核評分標準(七)增設去外協單位的參觀學習環節,增強學生的感性認識由于與市內外協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的總體論證、項目申請、設計評審等相關工作,因此與該單位有著良好的合作關系,也非常了解該單位實驗區仿真環境的技術狀態。所以,在教學過程中可以分步驟落實去該單位實驗區參觀學習的具

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