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摘要：MATLAB与控制系统仿真已成为自动化及相关专业的重要课程，在理论和实验教学、科学研究和生产实践中都发挥着不可替代的重要作用。本文针对MATLAB与控制系统仿真的教学现状，提出采用项目驱动教学模式，探讨了该模式下教学项目的设计原则，分析了项目的实施过程，总结了项目实施过程应注意的事项。实践表明该成果的实施不仅提高了学生的学习兴趣、学习能力和实践能力，也对整个专业的改革与建设起到了积极的推动作用。
关键词：MATLAB；项目驱动；仿真；教学方法
中图分类号：G642.0 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2015）018-000-03
Exploration on the teaching methods for MATLAB and control system simulation based on project-driven
Wang Yan-fen， Cao Xu-jiao
（Hebei University of Engineering， Handan， 056038， Hebei， China）
Abstract：MATLAB， an important course in the automation and its correlative majors， plays an irreplaceable role on theory and experiment teaching， scientific research and production practice. In this paper， in view of the present situation of teaching in the course of MATLAB and control system simulation， the project-driven teaching method is adopted and the design principles of example projects are discussed， process of project implementation is analyzed， attentions in process of project implementation are summarized. The practice shows that it not only improves student"s interest， but also promotes the entire specialized reform and the construction.
Key words：MATLAB；project-driven；simulation； teaching methods
引言
MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，它是由美国MathWorks公司开发的大型数学计算软件，它除了具有数值计算、图形绘制等传统功能外，还可以完成系统建模、动态仿真和动态分析系统最优化设计。MATLAB与控制系统仿真是自动化专业本科学生一门必修的课程。设置该课程的目的在于掌握控制系统计算及仿真的MATLAB函数命令，并能用SIMULINK仿真工具对控制系统进行仿真、分析和调试。
一、MATLAB仿真教学现状
MATLAB是数学计算软件，它的内容很多很全面，它的应用范围也非常广泛。在授课过程中，若按照传统授课方式，就会在不知不觉中陷入为全面讲解而讲课的泥沼而不能自拔。为了改善这样情况，提出以项目驱动的MATLAB仿真课程的教学模式。项目驱动教学法是一种建立在建构主义教学理论基础上的新方法，是一种探究式教学方法。项目驱动式教学方法是以项目为核心的，在进行系统仿真课堂教学时，把学生的学习训练有效融入真实系统开发项目中。这样即解决了授课的问题，又进一步开阔了学生的视野，让学生切身体会到MATLAB解决控制系统相关问题的方法、过程和步骤。
基于项目学习的教学模式强调充分培养学生的自主性、创新精神、协作精神以及解决实际问题的能力。该模式符合国内高等工科教育改革的发展趋势，是国内高等工科院校在实施卓越计划时值得学习和借鉴的人才培养模式。
二、项目驱动的教学模式
项目驱动法教学是以实践应用为根本目标，学生为主体，教师为主导，围绕具体的项目构建教学内容体系，通过师生共同参与完成一个具体的项目而展开的教学活动[1]。基于项目的学习，就是学习者围绕一个具体的项目，探索创新、内化吸收的过程中，以团队为组织形式自主地获得较为完整而具体的知识，形成技能并获得发展的学习[2]。项目驱动教学法与传统教学法相比，区别主要表现在三个中心的转变，即以教师为中心转变为以学生为中心，以教材为中心转变为以项目为中心，以课堂为中心转变为以实际操作为中心。项目驱动教学法以开发项目为教学总目标，项目可划分为若干个典型案例，不同教学阶段的项目功能和难度都是不同的，可做到循序渐进，又可接触生产实际，使学生自然从课堂理论知识过渡到实践的具体操作。
基于项目驱动的MATLAB仿真的教学改革过程中，重点关注授课和实验环节的衔接。教学过程一般分为四个部分：一是课堂理论教学时借助MATLAB仿真平台及多媒体进行各个项目的讲解，让学生直观感受MATLAB仿真的魅力，激发学生学习的兴趣；二是课后学生利用个人电脑中的MATLAB软件进行课堂教学的内容实践练习；三是在平时布置一些开放性自选作业，让学生选择自己感兴趣的内容进行深入学习；四是进入实验室进行具体项目的仿真及调试运行[3]。
1.项目的选择原则
项目的设计是MATLAB仿真项目驱动法教学开展中的一个至关重要的环节和基础。创建现实的、有意义的、有代表性的项目情境，引导学生主动参与到项目中，是我们选择项目的原则。
项目内容要覆盖所学理论基础知识。提取项目所需要的知识点信息，做到难易适中，以适应学生的学习承受能力；将这些分割的内容进行有机的组合，突出教学内容的层次性和科学性。项目设计过程即是将相关知识如：概念、原理等融入到项目任务当中的过程，又是体验及感悟知识、概念、原理的过程。
项目要具有一定的开放性和前瞻性。项目与项目之间具有连续性，前一个项目是后继项目的基础，后继项目是前一个项目的提高和升华。项目的确定还应考虑到学生后续课程的学习，为相关课程学习打下坚实的基础。
项目要体现专业知识体系的连续性。要注意学生学习的几门课程之间的关联，科学合理进行项目规划。
MATLAB仿真中涉及的领域很广泛，如自动控制原理，现代控制理论，过程控制及运动控制等等。本文出现的只是其中比较典型，控制过程不太复杂的项目。要求每个项目既要体现自动化专业对MATLAB仿真的具体要求，还要能基本覆盖现阶段教学内容的相关理论知识点。
本文所涉及的项目内容及教学目标如表1所示。
表1 项目内容及教学目标
项目内容教学目标
初识MATLAB——从第一个M文件开始MATLAB语言及基本程序架构
连续系统的时域分析及频域分析掌握连续系统时域分析方法和频域分析方法，求解稳定性和稳态误差，初步了解SIMULINK，认识并掌握MATLAB绘图
离散系统性能分析掌握离散系统稳定性、稳态误差和动态性能
线性系统状态空间分析状态方程的建立，变换，极点配置及稳定性分析
PID参数设计PID调节的规律，作用及参数设计
转速负反馈闭环直流调速系统仿真PWM-M仿真，无差直流调速仿真
锅炉燃烧系统的数学建模及参数整定 建立数学模型，系统稳定性分析及参数整定
精馏控制系统的数学建模及参数整定建立数学模型，系统稳定性分析及参数整定
2.项目的实施
确定了项目，就要制定明确的设计任务、设计目标和所要体现的知识点。项目的实施过程一般分为课堂教学、基础项目、工程项目三个部分。不同教学阶段的项目功能和难度都是不同的，做到循序渐进，学生自然从课堂理论知识过渡到实践的具体操作。
（1）项目团队的建立
采取小组合作的形式完成综合性项目任务，强调师生、生生以及该项目活动的所有人员相互合作，通过小组成员的交流讨论，分析问题，解决问题，培养学生的协作精神和科研能力。充分给予自由选择的权利，无论是队友，还是设计思路及方向。
（2）组织课堂教学
在基础理论教学阶段，教师根据教学内容安排以及项目的需求，组织实施教学计划。教师根据授课计划，讲授精馏控制系统，突出重点，提纲挈领。在此过程中，要充分考虑各实验项目对课堂讲授内容的需求。
（3）基础项目实施
基础项目是MATLAB仿真的初级阶段，项目的内容比较基础，是用于分析、了解、掌握关键知识点的应用实例。一般由学生团队自己完成。锻炼学生独立胜任项目小组成员角色的能力，并能独挡一面地完成一个比较基础的项目任务。学生可以看到系统实际运行的结果，提升学生感性认识，增强参与项目的兴趣。在本文中，如初识MATLAB、连续系统的时域分析及频域分析、离散系统性能分析、线性系统状态空间分析等均属于基础项目。
（4）工程项目实施
工程项目往往使用目标明确的、综合性强的、经典的、具有一定难度的、大部分学生能够完成的项目。工程项目一般是基础项目的综合，几个基础项目进行组合、调整，得到一个相对复杂的工程项目。工程项目往往是相对比较完整的生产实际控制系统，在这一阶段，一般由老师引导，学生讨论，实际验证。在本文中，PID参数设计、转速负反馈闭环直流调速系统仿真、锅炉燃烧系统的数学建模及参数整定、精馏控制系统的数学建模及参数整定等均属于工程项目。
以下以精馏控制系统系统仿真为例。通过团队充分的讨论，提出了四种不同的精馏塔控制方案，并利用已学过的机理法，选择其中最适合的一种，建立该系统的数学模型。在分离混合物的精馏过程中，通过控制再沸器的加入蒸汽量来维持精馏塔气相的空间速度。在控制再沸器蒸汽流量的同时，需要对最大的蒸汽量加以限制。被调节变量可以取精馏塔的供料流量、塔压、精馏塔塔釜液位或冷凝液储槽液位[4]。
该系统广义被控对象（从再沸器至液储槽液位）数学模型为：
从再沸器至精馏塔内测量变送器的数学模型为：
被控系统数学模型如图1所示[4]。
图1 被控系统
在数学模型的基础上，讨论再沸器控制系统框图如图2所示：
图2 再沸器控制系统仿真框图
在此基础上，可得到该系统的仿真运行波形图，并可对该系统的参数设置进行修改并观察波形图结果引导学生进行分析讨论。
在这样的实际工程项目的实施过程中，提高了学生的独立工作能力，积累了深厚的相关知识，知识间的横向连接加深，为以后运用相关知识打下了坚实的基础。
3.项目实施的注意事项
（1）关注多学科的交叉融合
任何一个现代工程几乎都离不开控制，因此任何一个控制系统的实现都是控制与工程结合或交叉的产物。在项目中往往与其他领域如化工，机械等领域存在交集，项目将系统设计、建模仿真与生物学实验有机结合，需要控制科学、分子生物学等多学科知识与技能。项目分析的过程就是一个多学科交叉融合的过程。
（2）网络教学平台的建立
由于MATLAB包含了由各领域知名学者和计算机软件专家共同开发的MATLAB工具箱（Toolbox），可满足不同领域和专业的特殊要求，如控制系统工具箱（Control system）、信号处理工具箱（Signal processing）、图像处理工具箱 （Image processing）、通信工具箱（Communication）、金融（Financial）、统计（Statistics）和优化设计（Optimization）等，内容丰富，涉及面非常广泛，不可能只通过课堂教学来完成。建立MATLAB仿真网络教学平台，把教学资料包括教学项目和案例放在网络上，为学生提供了课程教学大纲、教师的电子课件、作业、模拟测试等资源。学生可以通过网络查看资料，也可以通过网络了解和演示项目和案例，并可对项目和案例进行修改、拓展，从而较好地掌握所学知识。
三、结论
项目驱动的MATLAB与控制系统仿真以项目覆盖知识面，以项目体系架构教学布局，采用项目拉动的启发式教学方式来组织教学内容，符合目前专业课教学的基本教学原则。
通过项目驱动教学模式的实施，证明所选项目具有覆盖面宽、针对性强、难度递增、适合教学等特点，使用效果良好，受到广大学生的欢迎。这一教学探索有效激发学生学习的原动力，提高学生的主动学习性及动手能力，从而锻炼学生的创新能力，提高教学水平。
参考文献：
[1]赵恒平，龙婷.研究型大学本科教学定位与质量提升的路径选择[J].华北电力大学学报（社会科学版），2008（2）：120-124.
[2]桂学文，徐稳，王凯.利用研究型教学模式，培养大学生的创新意识与科研能力——以“信息经济学”课程教学为例[J].高等教育与学研究，2008（8）：38-41.
[3]王京港，张翠平.基于项目驱动及Proteus仿真的单片机教学改革探索[J].中国电力教育，2013（22）：138-14.
[4]郭阳宽，王正林.过程控制工程及仿真——基于MATLAB/Simulink[M].北京：电子工业出版社，2009.
作者简介：王艳芬（1974-），女，硕士，副教授，研究方向：计算机控制。