《控制系统数字仿真》网络课程的建设与探索

王娜

[摘要]针对“控制系统数字仿真”课程传统教学中存在的教学内容抽象，理论性强及课时量有限、师生互相沟通不方便等不足，对其网络课程建设进行有效探索与实践，从网络课程的必要性及课程的建设情况进行多方面阐述，最后对“控制系统数字仿真”网络课程建设的体会进行了总结。

[關键词]控制系统数字仿真  网络课程  建设实践

[中图法分类号]G642.0            [文献标识码]A

《控制系统数字仿真》是一门讲授仿真的基本原理、算法，并以计算机仿真技术为基本工具，对控制系统及工程中的实际问题进行设计和仿真的课程，是自动化、电气及信息类专业课程体系中重要的专业课[1]。通过MATLAB等仿真工具对于经典或现代控制理论下控制系统的设计与实现，体现从控制理论到实践应用的实现过程，使学生充分掌握控制理论和仿真手段，着力培养学生分析控制系统和解决控制问题的能力[2]。

目前，在实际教学中，该课程通常安排为30学时左右，其中理论教学一般约为22学时，实践教学占8学时左右。从目前的情况看，仍存在以下问题[3，4]：

一、理论学习与实践环节缺乏衔接。

现有的课程内容以课堂讲授为主，更适合于纯数学理论如数值积分方法的学习，不适合于Matlab的实现，基于Matlab的控制系统分析与设计等实践性较强的内容。而实验讲授一般滞后理论学习，导致理论与实践的脱节，不利于学生深入理解所学知识。

二、实践性环节较少，缺乏综合性、针对性

原课程实验多为验证性实验，内容上缺少前后连贯性以及从建模到控制的综合性内容。还缺乏与工程实践相关的针对性实验内容。不利于学生正确认识实际工程和理论知识的综合应用能力的提高。

三、不能及时反映前沿，缺乏创新性。

目前课程中的仿真技术业已成熟，但难以体现更复杂、先进仿真功能的软件和最新仿真方法，影响学生的创新意识和创新能力的培养和训练。

由此可见，传统的授课模式使师生间缺乏有效的交流互动。因此如何激发学生学习热情，增强自主学习意识，进一步培养其自我分析、解决问题的能力，成为当前亟待解决的问题。与此同时，以Internet推动的网络课程是另一新兴趋势，其包括：按一定的教学目标、教学策略组织起来的教学内容和网络教学支撑环境[5]。但目前在其建设中仍存在以下问题：

在设计开发方面，首先，现有平台的交互性较差、更新较慢且缺乏协作学习。静态网页技术导致学习中缺少交互，不能在线提问，问题和观点不能及时提出，得到帮助和反馈;无法及时协商和对话。其次，缺乏便捷导航，熟悉总体架构需要大量时间，不适于自主学习。

在教学应用方面，有效资源不足，且利用率较低。网络内容仅是课堂内容的网络化，浏览模式呆板，内容安排无序，甚至导航混乱。评价和反馈机制缺失。此外，在网站的维护管理方面，存在着重开发、轻维护，后期管理不到位。不能随着课程改革、教学计划及时更新和维护。甚至易于感染病毒，严重危害信息安全。

上述问题，使得《控制系统数字仿真》课程难以充分发挥效用，故本文从教学设计的三个方面：教学目标分析、学习内容特征分析、学习任务设计三个角度对该课程进行了新的研究和探索。

1.教学目标分析

在按照重整体、轻细化来实现具体的教学目标，充分考虑学习者主体，确定了优化后的课程教学目标：

①了解仿真与数字仿真的概念，并熟练掌握数字仿真平台Matlab的基本操作方法;

②熟练掌握基本控制系统数学模型，如传递函数、零极点模型、状态方程模型等;

③了解控制系统的结构及其拓扑描述，熟悉和掌握其主要数值积分法，如欧拉法、梯形法和四阶龙格—库塔法等;

④熟悉Simulink动态仿真集成环境，并掌握控制系统的时域（含基于状态空间的）和频域计算机辅助分析方法，从而对一般的控制系统具有综合设计和仿真的能力。

2.学习者与学习内容特征分析

针对使用对象为大三学生，已先修过《自动控制原理》等课程，在教学设计中通过设计适合学生个性的情景问题、增加学生自主学习资源库，如重点难点、经典例题等、增加课程学习的总体进度和单元进度，包括学习目标、建议、进度、重点难点等，来强化知识点间的联系与区别，刺激学习兴趣，实现自主学习。并根据不同知识类型，将学习内容嵌入不同学习情境要素中，如陈述性知识可以通过学习资源的方式提供，而策略性的知识，则可通过设计自主学习活动来体现并展开。所优化后的教学内容如下：

第1章：仿真软件matlab;

第2章：数学模型及转换;

第3章：连续系统数字仿真;

第4章：动态仿真集成环境—Simulink;

第5章：控制系统的计算机辅助分析及设计。

3.学习任务设计

（1） 超链接知识单元网络

如图1所示，将学习任务以知识点形式展开、超文本方式组织，最终形成了树状知识单元超链接网状体系。

（2）确保教学资源的系统性、便捷性与安全性

在便利性上，针对反馈信息，对学生因材施教，讲授重点，收集和整理适宜学习的网络素材，如PPT课件，WORD文档，VC，c++及matlab源程序，FLASH 动画演示等。安全性方面，避免使用来历不明的软件和文档;定期查杀病毒，更新病毒库;尽量使用绿色软件;重要的资源及时备份;为不同类型用户设置不同用户操作类型和访问权限，设定访问的最大用户数量、上传/下载速率及用户线程数。

图1：控制系统仿真课程的超链接知识单元网络

（3） 添加最新资源，反映学科进展

采取的措施包括：结合现有仿真新技术，更新和完善已有内容;实时跟踪、了解前沿仿真技术：不同版本MATLAB仿真软件，新增仿真工具箱，先进控制方法的仿真结构框架等。并利用教学团队成员充分调研、探讨与改进新的教学内容;与实验教师充分沟通，在实验教材中突出与当前新技术的结合点。

四、结语

通过以上教学目标分析、学习内容特征分析、学习任务设计等手段的综合运用，必会促进该课程的进一步发展，引领教学内容和教学方法改革，提高该网络课程的建设质量和实施效果，从而加快教学信息化和网络化的进程。

[参考文献]

[1]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]李克东，教育技术学研究方法[M]，北京师范大学出版社，2003.

[3]潘峰，薛定宇，陈大力，MATLAB语言课程在电气信息类专业教学中的应用[J]，电气电子教学学报，2009（31）：57-59.

[4]戴先中，自动化学科的知识结构与知识体系浅析[J].中国大学教育，2005（2）：19-21.

[5]李克东，谢幼如，高校网络课程建设与应用的质性研究[J].开放教育研究，2011（11），15-21.

（作者单位：天津工业大学 电气工程与自动化学院自动化系， 天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室）