龚建兴，白圣建，李兴玮，郑永斌

（国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410073）

引言

“控制系统仿真”本科课程是一门理论与工程实践联系非常紧密的技术基础课，以培养学生的素质教育和创新能力为指导原则，以学生掌握控制系统的仿真技术与手段、培养学生的综合素质为目的［1］。通过对“控制系统仿真”课程的学习，学生能够比较深入、系统地掌握系统仿真的基本概念、基本理论、基本方法；对复杂系统分析、设计和研究中应用系统仿真技术的一般过程、方法和关键技术，有较好的理解和认识；初步具有应用系统仿真技术进行控制系统分析、设计和研究的能力；具有应用仿真理论去分析、设计控制系统的能力，综合集成解决实际系统问题的能力。

“控制系统仿真”课程的现行教学模式上存在一定的问题。首先，就教学方法而言，该课程的教学目前停留在传统的教学理念上，教学方法和手段相对单一。这种情况没有紧跟科学技术发展的脚步，也没有跟上教学改革的时代潮流［2］。其次，系统仿真是一门具有很强实践性的综合性新兴学科，“控制系统仿真”课程作为其主要核心课程，自然也应该非常强调实践环节的锻炼，但该课程目前的教学模式依然严重缺乏这方面的实践内容［3］。最后，与现行教学模式配套的几个实践环节都是独立的、没有任何联系的数学模型，使得学生“只见树木，不见森林”，无法从整体上把握该门课程。

一、教学改革的创新思路

在“控制系统仿真”课程的多年教学实践中，我们逐步意识到：该课程的教学应该更加强调与真实控制系统的具体结合；应该把课堂教学、实验教学、项目设计（Project）作为三个同等重要的教学环节来对待；应该在教材与教学辅助资料建设、实验室建设和计算机辅助教学软件的开发等三个方面协调规划、共同推进。

（一）强调与“控制系统”的紧密结合，增强对研究对象的认识

“控制系统仿真”课程应该强调教学内容与研究对象的紧密结合，让学生明白到底什么是控制系统，我们日常生活中常见的控制系统是什么样子的。为了增强对研究对象的感性认识，笔者增设了有关章节内容，对典型控制系统进行了详细介绍。

（二）将实验教学与理论教学融为一体，加强实践环节的锻炼

从培养学生实践能力的目标出发，把理论教学与实验教学紧密结合，加强对学生动手能力的培养和解决实际问题的训练［4］。实践教学要从改变传统的教学理念出发，要强调懂得工程问题的能力，要把运用各种现代工具针对实际问题建立和校核模型的能力、设计和进行实验的能力、分析和检验数据的能力等都作为重要的培养目标来实现［5］。

（三）结合具体的应用实例和科研项目，突出军事应用的特色

众所周知，榜样的力量是无穷的，因此，我们结合科研项目的实例来开展教学［6］。让学生从这些科研实例中感受仿真技术的巨大作用。从军事应用角度出发，进一步激发学生的学习积极性。

（四）尝试以一个典型工程应用为例子，贯穿课程教学全过程

尝试以一个脱密的导弹武器系统为例，对它进行改进和完善，将“控制系统仿真”课程的各章内容、知识点、实验环节有效连接和贯通，使课程实践活动贯穿课程教学全过程，加强实践环节的锻炼，集中培养学生的创新能力［7］。

二、教学改革的实施方案

（一）以典型导弹系统工程应用为背景，构建创新的教学模式

“控制系统仿真”的主要内容包括七个章节的内容：《绪论》《模型处理技术》《连续系统数值积分仿真方法》《连续系统模型的离散化处理方法》《面向结构图的仿真方法和仿真软件》《采样控制系统仿真》《实时半实物仿真》等。其中，《绪论》部分主要介绍仿真的一些基本概念；《模型处理技术》部分主要介绍控制系统模型之间的转化关系；《实时半实物仿真》部分主要介绍半实物仿真的基本概念和半实物仿真系统的组成、主要设备、实时特性等。其余四章是本课程的主要内容和知识点。

笔者尝试以一个脱密的导弹武器系统为例，在此基础上对它进行改进，将教学方案中“控制系统仿真”课程的其余四章内容、各个知识点、各个实验环节有效连接和贯通，加强实践环节的锻炼，集中培养学生的创新能力。

具体来说，把这个导弹控制系统作为一个Project（项目设计）环节来规划，在课程的最后由学生进行实践。考虑到一个Project一次性实现的难度较大，可从中分离出四个独立的小实验，分别对应各章的教学内容。这四个小实验都归属于这个Project，是其有效的一部分，可与教学内容同步进行。实验环节与教学内容的对应关系如图1所示。课后的Project环节，可作为大作业来实现，它是一个全系统的数学仿真实验，在MATLAB/Simulink环境下，将各章内容有效连接。

图1 导弹控制系统的实例Project与各章实验之间的关系

（二）立足各类教学和科研的试验条件，建立完善的试验体系

具体依托学院现有的精确制导方向的半实物仿真实验室和控制技术与工程实验室，并新建部分配套试验环境，形成完善的试验体系。其中，新建部分配套试验环境需要开发如下的4项共性投资试验环节，它们主要是通用导弹实例的设计内容，具体见表1。相应地，需要开发试验环节原理样机共5套，具体见表2。

表1 导弹控制系统实例开发的共性投资试验环节

表2 导弹控制系统实例试验环节原理样机

考虑到建设成本的限制，“控制系统仿真”课程最后的集成仿真环境不考虑半实物仿真的形式，而是建设成纯数学仿真的形式，这样可以节约三轴转台等半实物仿真设备的大额开支。针对“控制系统仿真”课程的教学试验环节配备了20套左右的独立试验单元，可以提供20人同时进行小班试验环节的教学。

项目建设内容全面覆盖教学方案中“控制系统仿真”课程的试验环节。该综合试验环境建设完成后，能完全针对教学方案中“控制系统仿真”课程的教学试验环节，这些教学试验环节都是一个脱密并改进的完整的某型导弹武器系统的一部分。当该课程全部学习完毕后，再经过该脱密并改进的导弹武器系统的全系统纯数学仿真试验的集中锻炼，可将各知识内容有效连接和贯通。

（三）开展课堂演示和例证的讨论环节，实施互动式教学改革

在教学方法上，实施互动式课堂教学方法改革，设立课堂的讨论环节［8］。对于学生有一定认识的问题，我们以问题做引导，开展Classroom Demonstration环节，使学生展开讨论，加强师生互动交流，激发学生的主观能动性，催生学生的创新能力，从而提高其对问题的理解和重视程度，避免枯燥的讲述［9］。

（四）自编系统的专用教材和辅助资料，引进国外先进的教材

自编系统的、更有针对性的“控制系统仿真”专用教材，在其中增设《各类控制系统》一章。制作配套的计算机辅助教学软件，帮助学生快速掌握相关知识内容。引进原版经典英文教材Theory of Modeling and Simulation等作为参考书。编写《控制系统仿真典型实验指导书》《控制系统仿真Project设计》等一系列辅助教学资料。

（五）积极跟踪当前学术发展前沿进展，尝试进行双语教学

准备尝试进行双语教学。在课程讲授过程中，紧密结合仿真技术的发展前沿，介绍有关仿真技术方面的技术热点；收集最新的外文技术资料，并把部分特别重要的外文资料布置成学生的翻译作业［10］。

（六）关注学生实际动手能力的培养，改革课程考核的方式

在考核上，采取课堂研讨、上机实验、平时作业、Project设计、期末考试等相结合的综合评价手段。具体的课程考核评分标准见表3。

表3 课程考核评分标准

（七）增设去外协单位的参观学习环节，增强学生的感性认识

由于与市内外协单位进行科研合作已有二十多年，一直参与该单位项目实验区的总体论证、项目申请、设计评审等相关工作，因此与该单位有着良好的合作关系，也非常了解该单位实验区仿真环境的技术状态。所以，在教学过程中可以分步骤落实去该单位实验区参观学习的具体事宜。

结语

以上是我们在教学工作中摸索和总结出来的一些想法和改革措施，笔者已经尝试多年，并在继续细化和探索中。应该说，这种通过一个典型工程应用的例子，将一门课程中所学到的知识进行全面的运用、复习、总结的举措对于学生从全局角度把握这门课程、培养学生的创新思维、提高学生的综合运用能力具有不可估量的影响，其效益是长期的、深远的。