“船舶建模与控制”课程教学的实践探讨

任俊生，张显库，张秀风，孙霄峰

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连　116026)



“船舶建模与控制”课程教学的实践探讨

任俊生，张显库，张秀风，孙霄峰

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连116026)

摘要：结合教学实践，从“船舶建模与控制”课程的教材编写、课件制作和课堂讲授三个方面，探讨课程教学应以“凸显航海专业特色、紧密结合航海实践需要”为主线贯穿教学各个环节，做好普适的系统建模与控制知识的航海化，提高教学效率与效果。

关键词：航海专业；船舶运动控制；教材编写；课件制作；课堂教学；教学过程

一、引言

随着船舶的日益大型化、专业化、快速化和现代化，操船单凭经验和技术已经难以应付。2010年， STCW公约马尼拉修正案首次将“控制工程”纳入其适任标准规定的7项职能范围，充分体现了现代航海对控制的重视。这就要求现代船员必须掌握一些船舶建模与控制的理论知识。大连海事大学“船舶建模与控制”课程就是在这种形势下应运而生，并于2007年第一次为航海技术专业2005级本科生开设，共18学时，在国内航海类院校中亦属首开先河。课程教材先采用自编讲义，后对讲义内容进行改写与扩充，并于2014年正式出版作为正式教材使用；[1]授课形式也由最初的传统讲授到2014年起采用多媒体形式授课。

船舶运动控制内容丰富，新思路、新方法层出不穷，如何将最新的船舶运动控制知识与航海技术实践相结合，是保证教学实效的首要问题。“船舶建模与控制”课程与其他专业课相比逻辑性更强(公式比较多)，需要更多的预备知识(数学、大学物理、电工学等)，涵盖了领域内的最新研究成果。因此，该课程的教学方法和教学思路需要不断更新和调整。针对航海专业学生的知识结构及该专业毕业后工作实践的需要，以及“船舶建模与控制”的课程设置情况，在教材编写、多媒体课件制作、课堂教学等环节都充分考虑航海技术专业学生的特点，其中核心思路是凸显航海专业的特色，紧密结合航海实践需要，以期精炼教学内容、突出航海实践要求。

二、教材的编写

教材是教学基本工具，是学生学习课程时最为重要的参考资料。2007年新开课时，张显库教授根据其已出版的《控制系统建模与数字仿真》[2]《船舶运动控制》[3]《船舶运动智能与H∞鲁棒控制》[4]三本著作，并参考了胡寿松的专著《自动控制原理》[5]，撰写了《船舶建模与控制》讲义，2013年作为正式教材出版[1]。结合学生的知识基础与专业培养目标，本教材的编写力求把握以下三个原则。

1．阐述概念准确、清晰

对教材中的基本概念做出准确清晰的表述。例如，本课程属于建模与仿真知识在船舶领域的具体应用，系统、模型、建模、仿真等都属于本课程的基础概念，对这些概念能否正确掌握将对本课程的学习产生重要的影响，因此新编教材对这些基本概念进行了多角度说明。根据船舶运动控制领域的新发展，对原有的概念进行了扩充。例如，海洋机器人控制是船舶运动控制学科发展的新趋势，相关的新概念不断涌现，并且有些概念有重叠，新编教材对载人潜水器、遥控水下机器人、自主水下机器人的概念做了清晰的说明。教材中有些知识属于本学科的研究热点，囿于课时和教材篇幅，课堂上不可能做全面深入地讲解，只是点到为止，但是在编写教材时，对于所涉及的基本概念的表述力求准确、清晰。例如，在控制系统的建模方法一节中，系统辨识法、神经网络训练法和模糊优化法每一项内容的完整描述都需要开设专门的课程，因此在教材编写时，对系统辨识的概念给出了四种权威的定义，从不同的角度进行阐释。对神经网络的概念则采用图的形式给出基本概念以及在船舶自动舵设计中的应用实例；对模糊优化法则通过偏重阐释模糊理论中隶属度函数这一基本概念，阐述模糊优化法的基本思想。

2．教材结构逻辑性更强

从课程名称“船舶建模与控制”出发安排教材内容，即第一章偏重课程的意义介绍，第二章、第三章为建模方面的内容，第四章、第五章则为控制方面的内容。这样教材的内容布局与课程的名称保持一致，学生也能一目了然。对建模和控制这两部分内容的安排，也凸显其内在逻辑性：第二章是船舶运动数学模型，第三章则是一般控制系统的建模。这种安排是从具体到一般，让学生先看到具体的船舶运动数学模型过程和形式(第二章)，然后再到一般意义上的建模形式和方法(第三章)。第四章和第五章则是从一般到具体：第四章着重控制系统的分析方法(一般)，第五章则是船舶控制系统介绍(具体)。另外，由于课程内容中出现了较多的公式，在编写教材时，对重要结论和结果给出了详细的推导过程。例如，船舶线性模型的建立一节，包括了线性化概念的数学意义和物理意义的说明、船舶非线性模型线性化时的假设和化简步骤，这里线性化的概念借鉴了《高等数学》中近似计算的数学思路，便于学生理解该概念。传递函数的概念比较抽象，为便于理解，在教材编写时给出了从微分方程和传递函数联系。在时域分析一节对于欠阻尼系统动态过程分析的5个性能指标表达式，则依据性能指标的基本概念对5个表达式的来龙去脉做出详细的说明。这样的教材内容安排对于学生课后自学是十分有益的。

3．紧密结合航海实践

航海技术专业与航海实践联系紧密。船舶运动数学模型和船舶运动控制器设计的理论性较强，“船舶运动控制”在硕士研究生和博士研究生阶段都有专门的课程设置，理论性较强。突出航海专业特色和紧密联系航海实践是教材编写所遵循的另一个重要原则。因此编写教材时有意淡化理论性，强化航海实践的内容。例如，反馈是自动控制的一个基本概念，在介绍这一概念时，传统的举例是手臂抓取物体，强调手臂利用了眼睛所看到的位置和物体实际位置的距离偏差这一反馈原理。在编写该部分内容时，用航海技术专业学生熟悉的航向保持替代手臂抓取物体的例子。航海专业课中有多处涉及自动控制原理的内容，但一般介绍得比较笼统。在编写自动控制原理的内容时，注意较多地结合航海中的具体问题。例如，船舶操纵中的谐摇问题对船舶安全运营非常重要，专业课中使用共振的概念做了概述，但对为什么会共振则没有说明。在介绍控制系统的频域分析时，专门选取了二阶系统振荡环节的频率特性进行重点讲授，学生从幅频特性的函数表达式很容易分析出共振发生的条件，另外还使用图示的形式给出了幅频特性曲线，学生也能够从曲线图中看出共振产生的条件。再如，自动舵控制律包含积分项，这是航海专业所熟知的，但为什么需要积分项却没有说明。在编写教材时，选择了稳态误差的内容，从原理上分析了积分项的在自动舵设计中所起的作用。

三、多媒体课件的制作

为最大限度保证每位教师授课的同步和规范性，制作了一个示范课件，每位教师可以此为基础根据各自情况对课件进行适当修改。多媒体课件制作应注意以下几点。

1．甄选课件内容

课件内容不是教材的重复，不能面面俱到，应突出重点，强调最关键的内容。如结构图的简化法则有8条，根据其实用性，在课件制作时仅选择介绍其中3种，其他5种则在讲课时简单提及。对有些学生反映理解起来比较困难的内容，则适当进行精简。如在讲授传递函数时不可避免地要涉及拉氏变换。对于其他专业来说由于专门开设了“积分变换”课程，拉氏变换相对比较容易；而航海专业没有开设“积分变换”，学生对于拉氏变换的概念普遍感觉比较难理解，对拉氏变换表达式中的积分和无穷上界也难以领会。为便于学生尽快掌握教学内容，在制作课件时，放弃了具体而且严格的拉氏变换表达式及其条件说明，突出了拉氏变换变换前后的两个变化，即变量从时间变成频率，函数表达式发生了变化，并强调不需要去计算变换式，教材中已经给出了拉氏变换的表格。考虑到航海专业学生的特点与知识基础，在制作课件时尽量减少公式，仅给出重要的公式或公式的说明性文字。

2．充分利用多媒体优势

与传统教学方式相比，多媒体课件以其丰富多样的展示形式使教学内容更加生动活泼，信息量更大。充分利用幻灯片可以非常容易地重复内容的特点，在每个幻灯片上展示三级标题，使学生能够清晰地了解当前内容在该门课程中的位置；结合教学内容在课件中适当补充教材中没有的图片，以增强教学效果，拓展教学内容。此外，利用多媒体动画的形式可使教学内容更加直观生动，易于理解，也可以提高学习兴趣和充分调动学习积极性。如传统教学在演示电路网络建模法时，为了说明电路中的多个前向通道，不得不将通道上的节点和所经历的电子元器件一一列出；而使用多媒体动画，只需要设置动画从前向通道的始点出发，依次经过该前向通道上的节点和元器件就可一目了然，该通道所对应的表达式也就显而易见了。一些教材中出现的图也可以用动画在课件中进一步展示。如自动控制的反馈概念的流程图，可结合动画功能逐一展示方框和信号，不仅突出了系统中信号设定数值、控制输入、系统输出等的演变过程，而且强调了反馈的概念中输出信号返回到输入端这一重要思想。

四、教学内容与教学方法

1．恰当选取与整合概念

“船舶运动与控制”这门学科从经典理论到前沿方法和实践内容非常丰富，概念较多，而课时仅有18学时，从而容易造成授课时主题不突出，重要内容讲授不清晰、不深入，为此需要恰当选取概念。首先要精选概念。如与建模相关的概念非常多，教材中对这些概念均给出详细定义和解释，教师不可能在课堂上一一讲授，而是依次给出系统、建模、模型、仿真这四个概念，对其他相关概念则尽量避免提及。在选取概念时所遵循的一个重要原则是学以致用，对后续课程中不会涉及的概念尽量不讲，涉及较多的要精讲、多讲、反复讲。如自动控制系统中常用的典型输入信号有5种，课程讲授中用到的仅有单位阶跃信号和正弦信号，因此仅讲授这两种信号；在讲授阶跃信号时，直接讲单位阶跃信号，而不讲一般意义上的阶跃信号。有些重要概念在教材中的不同地方出现，若分开讲授，则由于间隔时间较长，再次涉及时难免要重复。为强化印象，对教材中不同地方的内容进行整合集中讲授，一气呵成，进行“定点爆破”。如“稳定性”是船舶运动控制中非常基础和重要的概念，在讲授控制系统要求和稳定性条件时都会涉及，在编写教材时这两部分的内容是分开描述的，而讲课时尝试在介绍控制系统的基本要求后给出稳定性概念的举例和稳定性的条件判定。

2．巧妙切入与解析概念

“船舶运动控制”中的许多基本概念都有非常严格的定义，若按照严格定义来讲授，对于数理基础较弱的航海专业学生来说，很难快速理解消化，也容易导致厌学情绪，因此在讲授时特别需要讲究教学方法，对需要涉及的概念不是避而不谈，而是要根据航海专业学生的知识结构进行“本土化”处理。如“线性”和“非线性”这一对概念。“线性代数”对于航海专业来说是选修课，很多学生没有选修这门基础课程，因此讲授线性运算概念所涉及的9条运算规律往往事倍功半。因此，课堂上对该概念突出了变量相加和常数变量的相乘运算，并从直线方程直观地说明为什么这个概念的名称是线性而不是其他，这样一来后面讲授船舶运动的线性模型和非线性模型时学生就较容易接受。有些概念不太重要，只在讲解其他概念时涉及，为了加深理解，采取不讲授其本来的概念，而只是讲授其相近概念的方式。如讲状态空间方程时不可避免地要提到“空间”概念，由此又会涉及其他相关概念(如封闭、非空、数乘等)，为此讲授时仅说明“空间”概念近似可认为等同于“集合”这个概念。“集合”概念学生在高中就接触过，因而由此及彼较容易掌握“空间”的意义。还有些概念即便给出清晰的定义，也很难理解。如“调节时间”这个概念的字面含义与其定义很难建立联系，在讲授时给出该概念的英文settling time，并解释settle一个含义是调节，另一含义是定居，学生由此明白了调节时间就是系统状态定居在误差带内的时间点。有的概念字面上非常抽象，较难理解，为此采用了形象化的方法。如“二阶系统阻尼系数”，可将阻尼近似等同于阻力，举出单摆在真空(无阻尼)、空气(欠阻尼)和蜂蜜(过阻尼)中震荡的三种情形，使学生较容易掌握阻尼的物理意义。

3．充分利用学生已有知识

本课程的授课时间为大四上学期，此时多数专业课程已经结束，并且已经参加认识实习；另外由于大四学生正处于大证备考期间，对学过的知识做了进一步复习巩固，因此具有比较宽广的眼界，在授课时可充分利用学生的知识储备和对船舶运动的实践经验来加强理解。航海专业开设的课程涉及的学科领域非常广泛，在授课时应有意识地利用这一有利条件。有些知识是航海专业学生已经了解的，本课程只是从另外一个角度给出新的定义，只要适当联系已有知识，学生很容易由此及彼、温故知新。如“稳定性”概念，若从扰动角度给出定义，就要介绍扰动前、扰动中和扰动后这三步，还要讲平衡点，并且在第三步提及把扰动拿掉后看系统的变化，更加抽象不易理解；而“稳定性”概念本身就是航海专业的核心概念，只是以横稳性和纵稳性的面目出现。因此可以采用如下方法：在课件上给出稳定性的扰动概念，但并不详细介绍，而重点回顾横稳性概念的意义，调动学生的知识储备和兴奋点，“稳定性”概念的内涵也就迎刃而解。在船舶运动建模中的野本方程与船舶运动控制中的PID控制律，是航海专业学生已经掌握的重要内容，与本课程的关系最为紧密，因此授课内容经常以野本方程和PID控制律作为桥梁引出，便于学生温故知新。如在讲结构图和信号流图时画出野本方程的结构图和信号流图；在讲电路建模法的意义时就以电容电阻串联电路模型数学形式上等效处理野本方程，在讲一阶线性系统响应时也可以结合野本方程航向对舵角的响应，等等；从PID控制律出发，可以引出自动控制的概念、控制系统的要求、稳态误差分析、先进控制理论在船舶运动领域的运用等。

五、结论与展望

从2007年至今，“船舶建模与控制”课程已经进行了8轮的授课。4位授课教师以教材编写、课件制作和授课过程三个环节为抓手，精益求精，认真总结，使课程教学逐渐成熟，取得了较好的效果。学生对本课程的认知程度也逐渐显示理性，每年选课人数稳定在300人左右。今后教学中需要在完善教学方法、调动学生的学习积极性等方面进一步研究提高。

参考文献：

[1] 张显库,任俊生,张秀风.船舶建模与控制[M].大连:大连海事大学出版社,2014.

[2]张显库，金一丞.控制系统建模与数字仿真[M].大连:大连海事大学出版社,2013.

[3]张显库.船舶运动控制[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4]贾欣乐，张显库.船舶运动智能与H∞鲁棒控制[M].大连:大连海事大学出版社,2002.

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2011.

中图分类号：U676.2

文献标识码：A

文章编号：1006-8724(2016)01-0051-04

作者简介：任俊生(1976-)，男，教授，博士，主要从事船舶运动与控制研究。

基金项目：国家“863计划”课题(2015AA016404)；国家自然科学基金项目(51109020)；交通运输部应用基础研究项目(2014329225370)；海洋公益性行业科研专项经费项目(201505017-4)

收稿日期：2015-10-07