任務驅動的計算機仿真課程教學改革論文
摘要：《控制系統計算機仿真》是自動化相關專業開設的一門專業基礎課程，旨在通過學習，掌握基于計算機軟件的控制系統建模、仿真、分析和設計等任務。針對目前課程開設中存在的教學環節設計問題，探討以任務為驅動的教學模式改革，通過分階段、分層次地設置具體的仿真任務，提高學生的積極性和參與度，并有針對性地講解任務所涉及的知識點，加深理解，學以致用。實踐表明，這可以有效地提高教學質量。
關鍵詞：控制系統；計算機仿真；任務驅動；教學改革
一、課程簡介
《控制系統計算機仿真》是自動化相關專業的一門重要專業基礎課，是指以數字計算機為主要工具，編寫并且運行反映真實的自動控制系統運行狀況的程序，對計算機輸出的信息進行分析和研究，從而對系統性能進行評價[1]。它旨在通過學習使學生掌握利用MATLAB軟件對自動控制系統分析及其設計進行數字仿真的技術。自動控制系統仿真已經成為從事控制領域以及相關行業的工程技術及科研人員所必須掌握的一門技術。課程內容主要包含以下7個模塊。除上述學習模塊外，課程還包含4次上機實驗課及為期一周的課程設計，旨在通過上述內容學習，使學生能夠對復雜系統進行計算機仿真，掌握可用于計算機仿真的相關方法，熟練掌握基于Simulink的控制系統仿真方法，借助參考資料可以使用1—2種工具箱進行計算機仿真設計。盡管計算機仿真課程在專業課程學習中發揮著越來越重要的作用，但是實際教學過程中仍然存在著一些無法忽略的問題，如課程內容選擇、教學環節設置、考核評價等。為了豐富和完善現有教學手段和模式，培養學生的創新能力，文獻[2]主張將計算機仿真與自動化專業課程相結合。文獻[3]針對目前單片機實驗教學中存在的問題，提出一種將單片機硬件與計算機仿真軟件相結合，利用計算機仿真技術進行單片機實驗教學的方法，提高教學質量。為了提高學生的創造能力、分析和解決問題的能力，文獻[4]有機地結合理論和實踐部分的內容，并對實踐環節和考核方式等方面進行了改革和實踐。文獻[5]針對計算機仿真技術實驗課程在教學中存在的問題，探討了教學內容、教學體系、教學方法等方面的改革方案。針對傳統的實驗教學模式，文獻[6]提出了基于計算機仿真的基礎理論到仿真模型的探索階段、仿真模型到實際電路的磨合階段、基礎實驗到創新實驗的升華階段的“三段式”實驗教學模式。文獻[7]指出計算機仿真基礎課程教學內容與自動化專業其他課程之間的聯系，結合自動化工程背景設置實驗教學內容。目前，市面上已有大量的計算機仿真相關教材/資料可供選擇，因此針對教材建設問題，無法也無需編寫一本通用、全面的教材，授課教師可以根據各個專業的側重點選取合適的知識點和內容加以應用。加之，多元化的考核方式已經在較多課程中加以運用。所以，本文將針對教學環節設計問題，結合實際授課情況，探討基于任務驅動的控制系統計算機仿真課程的教學改革。
二、基于任務驅動的教學環節設計
“任務驅動”教學法是一種以解決問題為導向的教學方法，最根本的特點就是“以任務為主線、教師為主導、學生為主體”，改變“教師講，學生聽”的被動教學模式，以達到激發學生學習興趣、培養學生分析問題和解決問題的能力、提高學生自主學習及與他人協作的能力的目的。目前，任務驅動教學法已成為一個頗為重要的教學方法。結合《控制系統計算機仿真》課程的主要內容，可以這樣設計：模塊1—3為計算機仿真的基礎知識，模塊4的Simulink建模與仿真是核心，模塊5—7是在Simulink建模仿真的基礎上進行的控制系統分析、設計及工具箱應用。以控制系統Simulink建模仿真為例，設計基于任務驅動的教學環節，如圖1所示，其中包含課程內容設置的模塊1—4。在授課過程中，以《自動控制原理》教材中熟悉的水位控制系統為例，布置任務如下：基于水位控制系統建立Simulink仿真系統，要求：（1）分析系統的可控性及可觀性；（2）使用不同的控制系統模型描述方法，并驗證其仿真結果是否一致；（3）該控制系統以子模塊的形式完成并予以封裝；（4）編寫S函數實現控制系統的仿真；（5）基于系統的仿真結果繪制響應曲線。上述5個要求是遞進式、可調可控的，前者為后者的基礎，包含基于Simulink進行控制系統仿真的知識點，并且是一體的。因此，可以以此類推，根據專業相關特定知識點設置具體要求，以便更好地涵蓋需要掌握的內容和難易程度。《控制系統計算機仿真》課程是《Matlab語言及其應用》的延續課程，其中Matlab軟件的相關操作和編程是計算機仿真課程的基礎，若按照常規授課方式，先回顧Matlab的相關知識點，難免會給學生造成“又是Matlab編程”的錯覺，影響學習的興趣和積極性。實際上，計算機仿真課程是結合所學專業開展的借助計算機軟件完成的控制系統分析和設計的任務，而非簡單或普通意義上的計算機編程。若以任務為驅動，首先提出與專業緊密聯系的控制系統計算機仿真的具體要求，引起學生的關注；接下來，通過分析解決該問題所需要遵循的步驟以及涉及的相關知識點，并對新知識點進行重點闡述和講解，而對已知的知識點僅做簡單回顧；最后，通過一系列的分析和補充，達到完成仿真任務的目的。以任務為驅動的計算機仿真課程教學環節設置，可以兼顧不同層次學生的進度，避免過易過難情況的發生。此外，進行控制系統的計算機仿真實驗安排時，可根據學生的實際情況分組完成，這樣可以促進學生間的交流與協作，發揮各自長處，通過有益的交流和討論，加深對相關知識點的認識和理解，便于后續應用。
三、結語
《控制系統計算機仿真》課程是自動控制原理與計算機編程的緊密結合，旨在培養學生借助計算機軟件完成控制系統建模仿真及分析設計。它不僅有助于本科畢業設計的完成，還對學生后續工作及研究中的遇到的控制系統分析及設計都具有重要的現實意義。為了提高課程教學質量，本文探討了以任務為驅動的教學模式改革。以實際應用為導向，根據實際系統仿真任務設計教學環節，循序漸進地學習和掌握相關知識點，最終圓滿完成實驗任務。通過實際教學操作，不僅可以提高學生對仿真技術的理解和掌握，還能加深對控制系統分析設計的理解，提高學生的參與度及積極性，切實提高教學質量。
參考文獻：
[1]張曉江,黃云志.自動控制系統計算機仿真[M].機械工業出版社.2009.
[2]白銳,張健.計算機仿真技術在自動化專業教學過程中的應用研究[J].中國現代教育裝備,2012,(21):58-59.
[3]王自珍,殳國華,張士文.基于計算機仿真技術的MSP430單片機實驗教學實例[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):94-97.
[4]施彥,翁貽方,韓力群.《控制系統計算機仿真》課程教學改革與實踐[J].中國電力教育,2008,(9):74-75.
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