劉桂濤

(湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

劉桂濤

(湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

本文闡述了《自動(dòng)控制原理》課程開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性，提出了《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施。實(shí)施這些措施，不僅可以使學(xué)生鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，還可以使學(xué)生提高動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，取得理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

1 引言

軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)屬于自動(dòng)化學(xué)科門類，《自動(dòng)控制原理》是軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)必修的專業(yè)主干課。本課程的特點(diǎn)是理論深?yuàn)W，涉及知識(shí)點(diǎn)多，掌握重點(diǎn)內(nèi)容有一定難度[1]。《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)課是本課程教學(xué)中的重要一環(huán)，教好本課程的實(shí)驗(yàn)課，對(duì)學(xué)生加深理解基本理論，掌握基本分析方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，以及使抽象的概念形象化、具體化，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有極大的好處。

2 課程實(shí)驗(yàn)概況

目前，軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)開設(shè)的《自動(dòng)控制原理》課程共56學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有8學(xué)時(shí)，這樣就出現(xiàn)了理論內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、總學(xué)時(shí)少的矛盾，教師要在培養(yǎng)計(jì)劃規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)完成理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，勢(shì)必使得《自動(dòng)控制原理》這門課程的實(shí)驗(yàn)只能用來驗(yàn)證課程理論，沒有時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)，從而不能提高學(xué)生分析和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。

軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)是一個(gè)新興專業(yè)，專業(yè)知識(shí)在不斷更新，《自動(dòng)控制原理》作為這個(gè)專業(yè)的專業(yè)主干課，理論內(nèi)容基本沒有改變，但其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段必須不斷更新，以適應(yīng)專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。通過《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既要使課程理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，又要提高學(xué)生分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

3.1 調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)

依據(jù)新的《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱要求，對(duì)《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容作了較大調(diào)整：大幅減少了驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，增加了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)，注重實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用性，注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)效果上也要注意吸引和激發(fā)學(xué)生，增加趣味性和邏輯性，形式新穎，靈活多樣，從簡(jiǎn)到繁，循序漸進(jìn)[2]。并且針對(duì)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的特點(diǎn)，開設(shè)了與本專業(yè)相關(guān)的控制類實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過對(duì)學(xué)生就業(yè)反饋信息分析，我校軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后主要從事軌道交通信號(hào)與控制，以及現(xiàn)有系統(tǒng)的維護(hù)或故障檢修工作，基本上沒有從事軌道交通信號(hào)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，因此，《自動(dòng)控制原理》教學(xué)目標(biāo)重點(diǎn)不是要使學(xué)生掌握豐富的理論知識(shí)，而是要使學(xué)生在理解信號(hào)與控制系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力。因此對(duì)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整：加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)由原來的8學(xué)時(shí)增加到16學(xué)時(shí)；刪除了典型環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn)和三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)。加深了如下實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：系統(tǒng)頻率特性實(shí)驗(yàn)、PID控制器的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、線性系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的安排也進(jìn)行了調(diào)整：實(shí)驗(yàn)時(shí)間不再統(tǒng)一安排在一學(xué)期的最后幾周，而是當(dāng)一個(gè)重要的理論或知識(shí)點(diǎn)講授完后，馬上進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，這樣能夠使學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)踐銜接起來，加深對(duì)知識(shí)的理解。

3.2 改變實(shí)驗(yàn)形式，強(qiáng)化專業(yè)的工程應(yīng)用

軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)屬于工科專業(yè)，對(duì)于應(yīng)用型本科院校，該專業(yè)的《自動(dòng)控制原理》的理論教學(xué)不再注重理論的分析和定理證明，而是加強(qiáng)工程背景應(yīng)用，同樣，這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)強(qiáng)化軌道交通信號(hào)專業(yè)的工程背景應(yīng)用，使得專業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐緊密結(jié)合起來。

對(duì)學(xué)生來說，自動(dòng)控制系統(tǒng)比較抽象，比如軌道岔道自動(dòng)控制系統(tǒng)，若在課堂上講解其工作原理和工作過程，學(xué)生很難將理論知識(shí)和實(shí)際操作控制系統(tǒng)聯(lián)系起來。進(jìn)行這部分內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)時(shí)，將學(xué)生帶到本市火車站車間練兵場(chǎng)，由火車站技術(shù)工作人員演示實(shí)際的軌道貧道控制系統(tǒng)工作過程，然后由帶隊(duì)老師講解其工作原理，這樣學(xué)生會(huì)對(duì)軌道岔道控制系統(tǒng)感覺十分真切，而且提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣。3.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)則和方法，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)

進(jìn)行《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，應(yīng)注重改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)則和方法，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，《自動(dòng)控制原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效地將理論知識(shí)和工程實(shí)踐結(jié)合起來，可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，主要應(yīng)從兩個(gè)方面著手：一是實(shí)行單人實(shí)驗(yàn)制，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)每個(gè)學(xué)生都要單獨(dú)完成，不能兩人一組或三人一組：二是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師不參與實(shí)驗(yàn)，只觀察學(xué)生做出來實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確或符合要求，如果學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確或不符合要求，則要求學(xué)生自己檢查原因，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確或符合要求為止，這樣，學(xué)生就少了依賴思想，必須自己動(dòng)手將實(shí)驗(yàn)做出來。例如，在進(jìn)行線性系統(tǒng)(二階系統(tǒng))串聯(lián)校正的電路模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生按圖1所示電路圖接好模擬電路，然后用示波器觀察系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果，如圖2所示，再根據(jù)圖2分析計(jì)算出未校正二階系統(tǒng)的超調(diào)量Mp是否在63%左右，調(diào)節(jié)時(shí)間ts是否在4s左右，靜態(tài)誤差系數(shù)KV是否在25 1/s左右，若觀察不到圖2或性能指標(biāo)不滿足要求，則重新檢查實(shí)驗(yàn)，直至觀察到圖2及性能指標(biāo)符合要求為止。

圖1 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正電路

圖2 串聯(lián)校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

當(dāng)未校正二階系統(tǒng)性能指標(biāo)符合要求后，則按圖3接好已加入串聯(lián)校正裝置的系統(tǒng)模擬電路圖，然后用示波器觀察系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果，如圖4所示，再根據(jù)圖4分析計(jì)算得出系統(tǒng)校正后的性能指標(biāo)是否滿足要求：超調(diào)量Mp≤20%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts≤1s，靜態(tài)誤差系數(shù)KV≥25 1/s，若觀察不到圖4或性能指標(biāo)不滿足要求，則重新檢查實(shí)驗(yàn)，直至觀察到圖4及性能指標(biāo)符合要求為止。

圖3 加入串聯(lián)校正裝置的系統(tǒng)模擬電路

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步改革措施

4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相統(tǒng)一

對(duì)于應(yīng)用型本科院校，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相統(tǒng)一時(shí)能加強(qiáng)理論知識(shí)的應(yīng)用，要做到時(shí)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相統(tǒng)一，可從以下三個(gè)方面著手：

(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師和理論教學(xué)教師相統(tǒng)一。理論教學(xué)教師在多年的《自動(dòng)控制原理》講授中，對(duì)這門課程的重點(diǎn)難點(diǎn)了然于胸，知道哪些理論知識(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，哪些理論知識(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)加深理解，哪些理論知識(shí)可以通過實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)教師和理論教師統(tǒng)一起來，可以使理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，取得完美的教學(xué)效果。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容相統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的延伸和拓展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容理應(yīng)與理論教學(xué)內(nèi)容相統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容統(tǒng)一時(shí)，既可以鞏固學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，又可以提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間與理論教學(xué)時(shí)間相統(tǒng)一。當(dāng)某階段理論內(nèi)容講授完后，立即進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以使學(xué)生理解理論知識(shí)間的聯(lián)系。

4.2 改革實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容

在實(shí)際教學(xué)中，一般是輕實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核，重理論教學(xué)考核，根據(jù)《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核與理論教學(xué)考核同等重要，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核主要應(yīng)從三個(gè)方面著手：

(1)實(shí)驗(yàn)態(tài)度。這方面考核主要是考核學(xué)生的考勤和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，重點(diǎn)是看學(xué)生的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是否有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)表格等。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這方面考核主要是考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析[3]。

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。這方面考核主要是考核學(xué)生的動(dòng)手能力，考核的重點(diǎn)放在學(xué)生運(yùn)用基本知識(shí)和基本技能解決工程實(shí)際問題的能力上。

這三個(gè)方面考核的百分比如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)成績(jī)構(gòu)成表

5 結(jié)束語

加強(qiáng)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可以使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生們對(duì)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的深厚興趣。

[1]張慧．《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，(4)：141—143．

[2]孟穎，段潔，徐東明．自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與研究[J]．吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，(12)：42—43．

[3]鄢圣茂，宋立忠．“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[J]．中國(guó)電力教育，2011，(9)：137—139．

Research on the Experimental Teaching Reform of the Principle of Automatic Control for Specialty of Track Traffic Signal and Control

Liu Guitao
(Hubei Engineering University,Xiaogan 432000,Hubei)

This paper expounds the necessity to promote experimental teaching of the principle of automatic control,and puts forward the reform measures.The implementation of these measures can not only make the students consolidate what they have learned,but also improve students’practice ability,innovation ability and engineering practice ability,obtaining ideal experimental teaching effect.

principle of automatic;experimental teaching;teaching reform

TP13-4

A

1008-6609(2015)10-0040-03

劉桂濤，男，湖北云夢(mèng)人，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)。

湖北工程學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2015A34。