基于项目驱动的《系统仿真》课程教学案例设计与实践

孙凯 张芳芳 马凤英

（齐鲁工业大学（山东省科学院） 电气工程与自动化学院，山东 济南 250353）

摘  要：针对目前研究生课程《系统仿真》教学过程中存在的理论知识偏多、教学模式单一、实践性不足等问题，采用基于项目驱动教学法。以研究生导师生产实践、研究应用为基础搜集、整理素材，整合优化资源，设计理论与实践紧密结合的课程案例。学生在学习过程中，针对具体案例进行项目分析、数据处理、建模仿真、互动式讨论最后形成项目报告。实践结果表明教学改革取得了良好的效果，学生的科研能力得到了明显的提升。

关键词：控制科学与工程;系统仿真;项目驱动;教学案例

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）21-0101-03

Abstract： Based on the problems of the excess of theoretical knowledge， the simplicity of teaching mode and the lack of practicality in the teaching process of the current graduate course "System Simulation"， this study put forward the project-driven teaching method. The relevant project cases with close combination of theory and practice is designed based on the teaching materials from production practice and research application of tutors， teaching resources integrated and optimized. During the learning process， postgraduates conduct project analysis， data processing， modeling and simulation， and interactive discussions for specific cases to form a project report. The results of practice show effectiveness of the teaching reforms and the ability of students' scientific research has been significantly improved.

Keywords： control science and engineering; system simulation; project driven; teaching case library

一、概述

《系統仿真》是控制科学与工程专业研究生的一门专业选修课。该课程通过理论授课与实践教学相结合，使学生建立系统仿真的基本概念，掌握常用的仿真方法和建模技术，能够通过计算机辅助分析对象并设计控制系统，为研究生从事本专业相关领域的研究与工作奠定基础[1]。由于该课程是一门多学科综合交叉的课程，所涉及理论、工程知识较多，且对研究生的编程能力要求较高，如果只是按照课本讲解理论知识，很难充分调动学生的学习积极性，教学效果不够理想[2]。项目驱动教学是指在教学过程中预习布置与课程知识相关、工作量适当的任务，学生经过学习课本知识、查阅资料、实际操作、形成总结，最后教师结合学生成果进行理论知识教学、讨论的一种互动式教学方式[3]。

建设研究与应用结合、高质量的案例库是硕士生人才培养模式改革的必然，具有非常重要的意义[4]。近年来，国内一些高校的任课教师，将课程知识与社会生产实践联系，并结合自己工程实践的经验开展有针对性的教学[5]。部分承担工程硕士研究生课程教学的教师也逐步地认识到实践能力培养对工程硕士培养的重要性，已经开始有意识地采用项目驱动式、案例讨论式教学方法，并积极开发教学案例，取得了不错的成果[6-8]。但是，目前的教学案例库建设仍存在以下问题：

1. 案例设计不够规范。案例库中的每个案例都应该是一个相对完整的事件，包括教学目的与用途、相关课程知识、与课程相关的工程背景、相关附件（图表、生产数据、附录等）、启发思考问题、分析思路、关键技术以及教学方法等，并且应与培养计划和教学大纲紧密结合。现有的案例库建设主要依靠任课教师在教学及工程应用中的兴趣与爱好，案例的收集与设计也主要是个人行为，所建设案例不够完善，无法涵盖。

2. 案例库中与工程应用结合不够紧密。现有的案例库中仿真型、示例型案例较多，与工业过程实际应用相关的案例缺乏，仅能够满足理论知识的教学，对学生实践能力、解决问题的能力提升不足。

3. 各章节的教学案例各自独立，不够系统。案例库中的不同案例仅针对单独章节的内容，互相之间的衔接不够，不能让学生通过一个完整的案例理解各章节间的相互关系，从而系统地学习、掌握本课程的知识。

二、基于项目驱动的案例建设

针对目前高校在研究生课程《系统仿真》案例库建设中存在的问题，课程组主要进行了以下工作：

1. 建立案例库编写标准与规范。按照专业学位类别培养方案设置的课程教学大纲进行建设，严格按照所在专业的硕士生教学指导委员会相关要求，制定案例库编写标准与规范。每个案例都应包含教学目的与用途、课程理论知识、工程背景、相关附件、问题提出、解决方案、关键技术等内容，具有较高的完整性。本课程教学大纲各章节内容及学时分配如表1所示，理论讲授与讨论、论文、实验、设计等综合课时比为20：12，教学内容安排兼顾理论知识教学与学生综合能力锻炼。

表1 《系统仿真》课程教学大纲章节内容及学时分配

2. 从实际出发，以研究生导师课题研究、生产实践为背景，搜集、整理教学素材，案例设计与工程应用紧密结合，能够体现课程理论教学中的重点、难点问题，开发基于真实情境且符合教学要求的高质量教学案例。案例具有代表性、典型性、实用性以及创新性。经过一段时间的建设，目前已建设教学案例有：

（1）某钢厂干熄焦工艺为背景的基于数据驱动的系统建模与仿真;

（2）某电厂脱硫工艺为背景的电机PID控制设计;

（3）某空气分离装置氧气浓度在线分析仪设计。

已建设案例内容、相关理论章节、教学形式及课时分配如表2所示。由表2可知，这些案例能够基本覆盖本课程各章节理论内容，教学形式包括师生讨论、仿真实验、程序及控制系统设计、PPT及口头报告、论文等。教学课时安排合理，内容丰富，形式多样，对学生课程知识的掌握、科研能力的培养具有良好的促进作用。

3. 案例库整合与优化。从实际案例中提取与课程理论内容相关工艺、数据、应用对象。进一步，围绕教学内容组合优化案例，与案例相关的不同章节内容进行仿真、程序测试，提升学生分析问题、综合利用知识、解决问题的能力。

三、典型案例设计

以教师研究项目“某钢厂干熄焦系统建模与控制优化”为典型案例。干熄焦技术主要是利用惰性气体吸收焦炭的热量，将红焦降温冷却的一种工艺方法。典型的干熄焦系统如图1所示，吊车将红焦炭从干熄炉顶部倒入;低温的惰性气体被鼓风机吹入干熄炉冷却段，吸收红焦炭里面的显热，冷却后的焦炭从干熄炉的底部排出;经过热交换后的高温惰性气体除尘，并在锅炉与水进行热交换，产生蒸汽;再次冷却后的惰性气体由循环风机重新吹入干熄炉进行下一次热交换;系统产出的蒸汽可用来发电、集中供暖等。该技术具有焦炭质量高、有害物质排放低、节能等特点。同时，干熄焦工艺对控制系统的稳定性、可靠性要求比较高，尤其是干熄焦锅炉系统中蒸汽温度的控制，对整个运行系统的安全性和经济性有着重要影响。

图1 干熄焦生产工艺图

本案例以干熄焦生产工艺出发，利用历史生产数据、整理素材，严格按照案例库编写标准与规范，围绕本课程理论知识，设计符合课程教学大纲的案例，教学中采用启发式、讨论式及项目探究式等各种教学方法，引导学生分析、研究，使用本课程的工具进行工业数据分析、控制器设计及仿真，最后制作PPT，做口头报告并撰写论文完成项目内容。本案例所涉及与课程相关教学内容有：

1. 基于MATLAB的数据挖掘技术。针对工厂实际生产数据，利用聚类分析、特征选择、最小二乘回归、相关性分析等技术，分析影响生产工艺的关键变量及线性、非线性关系等。经过对10000笔历史数据相关性分析可得，循环风温度（TCGB）与蒸汽产量（MST）存在高度的线性相关，如图2所示。因此，如何提高蒸汽产量可以转化为对循环风温度的控制。

2. 仿真图形绘制及分析。MATLAB具有强大的图形绘制功能，传统的课程教学中，案例单一且应用对象简单，对学生的根据图形进行分析能力锻炼不够。针对本案例提供的工艺背景及数据，学生可以绘制各种变量的直方图、饼图、3D分布图等，并结合上部分内容所讲授的数据挖掘技术进行综合分析，进行项目的探究与讨论。

3. 神经网络建模及系统仿真。神经网络在建模仿真、时间序列预测、系统辨识、优化控制等领域有着广泛的应用。特别在复杂生产过程的控制中，神经网络能够提供精确的控制模型，是解决自动控制中控制器适应能力的关键。近年来，基于神经网络的机器学习算法在工业控制中的应用也越来越广泛。然而，目前教学中该部分内容仅限于理论讲授，对实际工业案例涉及较少，教学方法陈旧。本案例基于神经网络，以循环风温度（TCGB）为目标变量，以其余变量作为输入变量，进行数据驱动的建模，建模结果如图3所示。由图3可以看出，神经网络建模预测值与真实值非常接近，本案例所设计的神经网络能够准确地预测目标变量的变化，该结果能为控制器设计奠定坚实的基础。

四、教学实践结果

2016-2018年，利用本研究所设计的案例，对本校控制科学与工程专业三届硕士生进行项目驱动式的教学实践。本课程为专业选修课，课程为32课时，分为16周授课。研究生在每学期以专题报告的形式进行2次项目报告。首先以实际生产案例为研究对象，從案例库中或导师科研题目中自选题目，结合本课程理论知识，进行项目分析、资料查询，提出问题;其次利用MATLAB工具箱进行数值分析、建模仿真、图形绘制等;最后制作PPT并做专题报告，师生参与讨论并给出针对性意见。另外，研究生还要根据讨论结果进一步改进，完成一篇研究性论文作为本课程大作业并进入考核体系。相应的，期末考核体系也做了调整，加大了学生科研能力在教学成绩评价中的比例，期末考试、平时作业及出勤、科研能力的形成性评价所占比例分别为50%、20%、30%。

任课教师在教学过程中，能够通过项目报告及时了解学生的学习情况，以及在理论教学中的问题，通过在教学过程中获得的反馈，教师可以随时调节各章节教学的计划，改善教学方法。学生在整个学习过程中，主观能动性更强，课堂气氛更活跃，与教师的讨论、互动明显增多，学生的期末考试也取得了满意的成绩。在案例项目的研究过程中，锻炼了学生的文献检索能力、仿真建模能力、程序设计能力、数据分析能力及写作表达能力，研究生以本课程案例为被研究背景的进一步深入研究，发表科研论文5篇。同时，教师在任课过程中也不断的调整授课内容，改进案例，适应学生学习能力及科研需要，课程内容安排也更加合理。

五、结束语

本论文针对高等院校控制科学与工程硕士研究生《系统仿真》课程教学中存在的课堂教授内容较多、学生积极性不够、教学效果不理想等现状，建设基于项目驱动的教学案例库。项目案例严格按照专业学位类别培养方案设置的课程大纲进行设计，内容全面涵盖课程理论知识、工程背景、相关附件、问题提出、解决方案、关键技术等。案例具有代表性、典型性、实用性以及创新性，能够锻炼本专业硕士研究生工程思维，提高学生文献检索能力、仿真建模能力、程序设计能力、数据分析能力及写作表达能力，为研究生进一步科研奠定了基础。

参考文献：

[1]王红梅，边敦新，邢雪宁.“控制系统仿真”课程教学研究与探索[J].电气电子教学学报，2015，37（04）：48-50.

[2]王书斌，左信，罗雄麟，等.研究生课程“控制系统仿真”的教学改革[J].电气电子教学学报，2011，33（04）：21-22.

[3]李艳.基于项目驱动的研究生实践创新能力培养体系[J].南京理工大学学报（社会科学版），2018，31（06）：50-53.

[4]刘海燕，王雅轩，陈恒.基于项目案例驱动的《软件工程》实践教学研究[J].科技创新导报，2015，12（14）：142-143.

[5]王晓峰，王洪珂，苏盈盈.《数学建模与系统仿真》研究生课程改革与实践[J].高教学刊，2018（05）：138-140.

[6]古巧珍，刘海斌，苏美琼，等.专业学位研究生课程案例库建设与探索——以西北农林科技大学为例[J].高教学刊，2018（16）：61-63.

[7]王应密，张乐平.全日制工程硕士案例教学资源库建设探析[J].高等工程教育研究，2013（04）：166-171.

[8]孙建渊，涂坤凯.专业学位研究生案例库全过程建设研究[J].教育探索，2016（12）：76-79.

*基金项目：2018年山东省专业学位研究生教学案例库项目“‘故障诊断与预测’案例库”（编号：SDYAL18088）;山东省省级教改项目“专业认证背景下运动控制系统教学改革与实践”（编号：M2018X078）;齐鲁工业大学教研项目“传统文化与理工科专业教育的融合研究”（编号：041201034121）

作者简介：孙凯（1979-），男，汉族，山东鱼台人，博士，副教授，研究方向：复杂系统建模、神经网络、过程控制;张芳芳（1982-），女，汉族，山东菏泽人，博士，副教授，研究方向：混沌控制、神经网络;马凤英（1971-），女，汉族，山东德州人，博士，教授，研究方向：故障诊断、工业过程检测。