基于虚拟仿真与案例驱动的《控制工程基础》混合式教学模式研究

前言

随着教育信息化发展，虚拟仿真技术凭借低成本、高安全性、可重复性等优势，成为突破传统实验教学局限的重要手段；案例驱动教学则以真实工程案例为载体，能有效搭建理论与实践的桥梁，激发学生学习主动性。因此，将虚拟仿真与案例驱动融入混合式教学，构建适配《控制工程基础》课程特点的教学模式，对提升课程教学质量、培养高素质工程人才具有重要现实意义。

一、传统《控制工程基础》教学模式存在的问题

（一）理论教学抽象，学生理解困难

《控制工程基础》课程理论性强，包含Laplace变换、系统时域/频域分析、控制器设计等内容，涉及复杂数学模型与抽象概念。传统教学多采用“教师讲授 + 板书 /PPT 演示”模式，教师侧重理论推导与公式讲解，学生被动接受知识，难以理解抽象概念的工程内涵[1]。例如，在讲解“系统稳定性”时，学生虽能记忆劳斯稳定判据的计算步骤，但无法将其与实际控制系统（如电机调速系统、温度控制系统）的稳定性问题关联，导致“知其然，而不知其所以然”。

（二）实验教学局限，实践能力培养不足

传统实验教学以实验室真实设备为依托，存在明显局限：一是实验设备成本高、维护难度大，多数高校难以配备充足的多样化实验装置，导致实验内容单一，多为“按步骤操作”的验证性实验（如验证 PID 控制器对特定对象的控制效果），学生缺乏自主设计、参数优化与故障排查的实践机会；二是部分实验存在安全风险（如高压电机控制实验），教师为规避风险往往简化实验流程，限制学生探索性学习；三是实验课时有限，学生难以深入研究系统动态特性，无法充分理解控制理论在工程中的应用逻辑。

（三）教学模式单一，互动与反馈不足

传统教学以线下课堂讲授为主，教学模式固化：一方面，学生处于被动学习地位，缺乏主动思考与互动交流机会，课堂氛围沉闷，学习积极性难以调动；另一方面，教师难以实时掌握学生学习进度与知识薄弱点，课后作业批改反馈滞后，无法针对学生个体差异提供精准指导，导致教学效果参差不齐。此外，课程评价多以期末笔试为主，侧重理论知识考核，忽视对学生实践能力、创新能力的评价，难以全面反映学生综合素养。

二、基于虚拟仿真与案例驱动的混合式教学模式构建

（一）案例驱动的理论教学模块

以工程实际案例为核心，重构理论教学内容，将抽象理论与真实应用场景结合。案例选取遵循“贴合课程重点、贴近工程实际、难度梯度适配”原则，涵盖典型控制领域（如机械系统调速、工业过程温度 / 液位控制、机器人运动控制等）。例如，在“PID 控制器设计”章节，以“工业烤箱温度控制系统”为案例：首先，引入烤箱温度控制的工程需求（如温度精度 、响应时间 <5min ），引导学生思考“如何通过控制算法实现温度稳定控制”；其次，结合案例讲解 PID 控制原理（比例、积分、微分环节的作用），推导温度控制系统的数学模型（如传递函数）；最后，引导学生分析 PID 参数对系统性能的影响（如比例系数过大导致超调、积分环节消除静差），使理论知识具象化 [2]。同时，依托线上教学平台（如超星学习通、雨课堂），提前发布案例背景资料、预习任务（如观看案例相关工程视频、完成基础理论测试），引导学生课前自主学习；线下课堂采用“小组讨论 + 教师点拨”模式，组织学生围绕案例展开讨论（如“如何解决烤箱温度滞后问题”），教师针对讨论中的问题进行重点讲解，强化学生对理论知识的理解与应用。

（二）虚拟仿真的实验教学模块

依托虚拟仿真平台（如 MATLAB/Simulink、LabVIEW、工业控制虚拟仿真软件），构建覆盖“系统建模 - 动态分析 - 控制器设计 - 性能优化”全流程的虚拟实验体系，突破传统实验局限。虚拟实验设计分为三个层次：基础验证型实验：针对课程核心知识点设计验证性实验，如“一阶 / 二阶系统动态特性仿真”“劳斯稳定判据验证实验”，学生通过调整系统参数（如阻尼比、时间常数），实时观察系统阶跃响应曲线（超调量、调节时间、稳态误差），直观理解理论知识；综合设计型实验：结合案例驱动的理论教学，设计综合性实验，如“工业烤箱温度控制系统虚拟设计实验”，学生自主搭建系统模型（包括被控对象、传感器、PID 控制器），通过虚拟仿真优化PID 参数（如采用试凑法、Ziegler-Nichols 整定法），验证控制效果是否满足工程需求；创新探究型实验：设置开放性实验任务，如“基于模糊PID 的机器人关节控制仿真”，鼓励学生结合前沿控制算法（如模糊控制、自适应控制），设计改进型控制系统，探索不同控制策略的优劣，培养创新思维。虚拟实验过程中，学生可通过线上平台实时保存实验数据、生成仿真报告，教师在线查看学生实验进度，针对问题实时反馈指导；线下课堂组织实验成果交流，选取典型实验案例（如参数优化效果优秀或存在问题的案例）进行分析，深化学生对实验原理与工程应用的理解。

（三）虚实结合的实践教学模块

为实现“虚拟仿真”与“真实实践”的衔接，设计“虚拟预演- 真实操作-对比分析”的实践教学流程：首先，学生在虚拟仿真平台完成实验方案设计与预演（如确定电机调速系统的 PID 参数）；其次，在实验室利用真实设备（如直流电机控制实验台、温度控制实验装置）验证虚拟仿真结果，对比虚拟与真实系统的差异（如真实系统存在的噪声、参数摄动）；最后，引导学生分析差异原因，优化控制方案（如加入滤波环节、设计鲁棒控制器），实现“虚拟仿真指导真实实践，真实实践反哺理论理解”的闭环。例如，在“直流电机转速控制系统”实践中，学生先通过MATLAB/Simulink 搭建虚拟模型，优化 PID 参数，使转速控制误差 <2% ；再在真实实验台上搭建电路，接入电机与控制器，调整参数并测量实际转速响应，对比虚拟与真实系统的超调量、调节时间；最后，分析真实系统中摩擦阻力、电源噪声对控制效果的影响，改进控制方案，提升系统鲁棒性。

三、结束语

本文构建的基于虚拟仿真与案例驱动的《控制工程基础》混合式教学模式，通过案例驱动实现理论知识具象化，依托虚拟仿真突破实验教学局限，结合线上线下混合教学优化教学流程，有效解决了传统教学中理论抽象、实践不足、互动欠缺等问题。实践表明，该模式能显著提升学生学习兴趣与参与度，增强学生理论应用与工程实践能力，为《控制工程基础》及同类工科课程教学改革提供可行路径。

参考文献

1. 孙轶红 , 丁乔 . 基于云班课和云教材的工程制图课程混合式教学研究与实践 [J]. 高教学刊 ,2021,7(18):92-95.

2. 范丽婷 , 张阳 , 姜泊羽 . 基于云班课平台的混合式教学模式设计与实现——以《控制工程基础》课程为例 [J]. 智慧课堂 ,2023(04):23-24.

作者简介：张彧萌（1995-），女，人，硕士，讲师，研究方向：机械电子工程。