文/姜文娟　張茂川　黃俊峰

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以《自動控制原理》實驗改革入手，構(gòu)建“1234”實踐教學(xué)體系

文/姜文娟張茂川黃俊峰

摘要:針對我院《自動控制原理》實驗課程存在的問題，從實驗內(nèi)容、實驗方式、實驗考核等方面進行改革，并以此為契機，構(gòu)建了課程的“1234”實踐教學(xué)體系，提高了學(xué)生實踐能力的同時，加強《自動控制原理》與其他控制類課程之間的“小綜合”應(yīng)用能力，為后續(xù)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、科技活動等“大綜合”應(yīng)用能力打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:自動控制原理;實驗改革;實踐教學(xué)體系

一、引言

《自動控制原理》課程是自動化專業(yè)和相近專業(yè)的核心課程，我院的《自動控制原理》課程為省級精品課程，本課程組承擔(dān)著自動化專業(yè)、測控技術(shù)與儀器專業(yè)、熱能與動力工程專業(yè)、建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)、核電工程專業(yè)等的《自動控制原理》教學(xué)任務(wù)，每一學(xué)年，該門課程的講授班級可以達到20個以上。

《自動控制原理》實驗教學(xué)的主要任務(wù)是使學(xué)生通過實驗進一步理解和掌握自動控制原理的基本概念、基本原理和控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法，為從事控制工程的實踐打下良好的基礎(chǔ)。不僅如此該門課程的抽象理論多，只有通過實驗才能加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，減輕或消除學(xué)習(xí)困難，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力、實踐動手能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力，為實現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)提供保障。很多學(xué)校結(jié)合自身情況進行了實驗課程的改革，取得了顯著地效果［1－5］。

我院《自動控制原理》課程原有的實驗項目是在ACT－I自控實驗箱上開發(fā)完成，在實驗內(nèi)容、實驗方式、考核方式等影響了實驗教學(xué)的效果，制約著實驗教學(xué)的發(fā)展，不能適應(yīng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式［6－7］。同時為了積極響應(yīng)學(xué)校“272工程”提出的優(yōu)質(zhì)課程改革與建設(shè)工程實施方案，加強自動控制原理課程質(zhì)量，同時提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的探索意識和科研能力，增強學(xué)生的實踐動手能力，從實驗內(nèi)容、實驗方式、考核方式以及實驗教材的編寫等方面進行有針對性的改革，構(gòu)建了“1234”的實踐教學(xué)體系。

二、實驗教學(xué)改革

1、實驗內(nèi)容的改革

我院原來的實驗缺少根軌跡、離散系統(tǒng)和綜合性、設(shè)計性實驗。MATLAB作為先進的計算機仿真工具廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)的仿真中［4］，并考慮將實驗室現(xiàn)有的實驗設(shè)備如倒立擺、水箱等納入到新的實驗項目中，將原有的內(nèi)容進行整合和擴充，可以開設(shè)包括利用電子模擬實驗箱進行電子模擬和運用仿真軟件進行數(shù)字仿真的實驗項目。改革后的實驗內(nèi)容，覆蓋了《自動控制原理》課程的主要內(nèi)容，具體實驗項目如下:

實驗一(驗證性)典型環(huán)節(jié)和典型調(diào)節(jié)規(guī)律的模擬方法及動態(tài)特性

實驗二(設(shè)計性)典型二階系統(tǒng)的動態(tài)特性

實驗三(驗證性)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

實驗四(綜合性)基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析

實驗五(綜合性、設(shè)計性)控制系統(tǒng)的校正(設(shè)計了三個實驗，可以選作)

實驗六(綜合性)非線性控制系統(tǒng)分析(設(shè)計了三個實驗，可以選作)

實驗七(綜合性、設(shè)計性)離散控制系統(tǒng)分析

其中，實驗一將原來的實驗一和實驗二的內(nèi)容進行了整合;實驗四為新設(shè)置的實驗，涵蓋了時域分析、根軌跡分析的MATLAB仿真，讓學(xué)生從直觀上感受參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響;實驗五為新設(shè)置的綜合性和設(shè)計性的實驗項目，主要是針對系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)置的實驗，旨在提高學(xué)生的分析問題和設(shè)計系統(tǒng)的能力;實驗六增加了MATLAB進行相平面分析及描述函數(shù)法的實驗項目，實驗七為新設(shè)置的實驗項目，針對離散系統(tǒng)進行仿真的實驗項目。

調(diào)整后的實驗項目內(nèi)容上涵蓋了《自動控制原理》課程的全部內(nèi)容，使學(xué)生能夠更全面的掌握該課程的內(nèi)容。

2、對實驗方式的改革

《自動控制原理》的實驗方式從原先單一的基礎(chǔ)驗證性實驗轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)驗證性、設(shè)計性實驗、綜合性實驗項目、創(chuàng)新性實驗項目相結(jié)合的實驗體系;由原來的模擬實驗改為仿真實驗和模擬實驗相結(jié)合的形式。

其中實驗一、實驗二、實驗三、實驗五和實驗六的部分實驗在模擬實驗平臺上實現(xiàn)，實驗四、實驗七、實驗五和實驗六的部分實驗在仿真實驗平臺上實現(xiàn)。

實驗方式的改革，利用先進的仿真軟件實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的仿真，充分體現(xiàn)了實驗的時代性，更加激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3、對考核方式的改革

在考核方式上，適當(dāng)?shù)脑黾訉嶒灴己顺煽冋伎傉n程成績的比重，將原有的實驗成績僅僅占總成績的10%左右增加到20%。考核前，實驗教師和理論教師對每個實驗設(shè)計3－5個思考題;考核時，學(xué)生隨機抽題，在10分鐘內(nèi)答完、上交;最后由實驗教師給出實驗成績。將原來的出勤考核和提交實驗報告的考核方式改變?yōu)橐詫W(xué)生的考前預(yù)習(xí)、手動計算結(jié)果和計算機仿真結(jié)果、自我動手實踐能力多者相結(jié)合的考核標(biāo)準，提高了學(xué)生自主分析能力、綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，從根本上調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

4、編寫實驗教材

為配合實驗內(nèi)容和實驗方式的改革，根據(jù)我院的實際情況，由理論教師和實驗教師共同編寫了實驗指導(dǎo)書，指導(dǎo)學(xué)生實驗，并按照實驗指導(dǎo)書進行實驗預(yù)習(xí)，引發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生的主動性和積極性。

三、“1234”實踐教學(xué)體系的構(gòu)建

在學(xué)校“272”工程的指導(dǎo)下，以提高教學(xué)質(zhì)量為核心，以提高學(xué)生實踐能力為目標(biāo)，針對《自動控制原理》課程的實驗內(nèi)容、實驗方式、實驗考核方式和實驗教材等方面進行有針對性的改革，形成了“一整體、二平臺、三縱橫、四層次”的實踐教學(xué)體系，即以《自動控制原理》課程為專業(yè)基礎(chǔ)，以《現(xiàn)代控制理論》、《計算機控制系統(tǒng)》和《過程控制》為后續(xù)的控制類課程體系，運用模擬實驗和仿真實驗2個平臺，覆蓋連續(xù)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)(三縱)及時域分析法、頻域分析法、根軌跡分析法(三橫)內(nèi)容，形成基礎(chǔ)驗證性、綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性四個層次實驗。四個層次的實驗項目除了常規(guī)的課程實驗外，還包含以下環(huán)節(jié):

( 1)綜合性、設(shè)計性的課程設(shè)計:為提高學(xué)生的實踐能力，自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)完專業(yè)課程后，設(shè)置了專業(yè)方向課程設(shè)計，針對控制類課程設(shè)置了綜合性和設(shè)計性題目。其中設(shè)置了7個與《自動控制理論》相關(guān)的設(shè)計題目，4個計算機控制類題目，1個過程控制類題目，對控制類課程內(nèi)容進行了綜合，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

( 2)創(chuàng)新性實驗項目:依托校大學(xué)生“綜合性、設(shè)計性、研究性、自主開放型”實驗項目和省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目設(shè)置了創(chuàng)新性實驗項目，為進一步提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和實踐能力打下良好的基礎(chǔ)。

( 3)綜合性、創(chuàng)新性的畢業(yè)設(shè)計題目:先進PID控制及應(yīng)用等綜合性、創(chuàng)新性設(shè)計題目，豐富了畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，同時進一步加強了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

( 4)豐富多彩的科技競賽:以省級“大學(xué)生創(chuàng)新實踐基地”為平臺，以學(xué)院的“電子創(chuàng)新研究室”、“炎火工作室”、“機器人研究室”、“建模與仿真研究室”為依托，鼓勵學(xué)生參加各種級別的課外科技活動，將所學(xué)知識與實際系統(tǒng)融會貫通，實現(xiàn)了創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

這些內(nèi)容都是“自動控制原理”課程理論知識的延伸和綜合應(yīng)用，課題組老師還要繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生完成與課程內(nèi)容相關(guān)的題目，積累素材，豐富理論授課、實驗和課程設(shè)計的內(nèi)容，逐步形成“基礎(chǔ)驗證性、綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性”四個層次、“橫向覆蓋、縱向貫通”的實踐教學(xué)內(nèi)容。

四、結(jié)束語

通過對《自動控制原理》實驗課程改革，構(gòu)建了“一整體、二平臺、三縱橫、四層次”的實踐教學(xué)體系，營造了多樣化、多層次的實踐教學(xué)環(huán)境，將理論與實踐的有機結(jié)合，促進學(xué)生控制知識的內(nèi)化，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和實踐能力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。同時加強了《自動控制原理》與其他控制類課程之間的“小綜合”應(yīng)用能力，為后續(xù)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、科技活動等“大綜合”應(yīng)用能力打下堅實的基礎(chǔ)。

(作者單位:東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院)(作者單位:廊坊師范學(xué)院社會發(fā)展學(xué)院)

教改項目:吉林省高等教育教學(xué)研究課題: No．吉教字［2012］45

參考文獻:

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［6］王伯慶．工程專業(yè)生源及新生適應(yīng)性分析．高等工程教育研究，2013，( 6) : 33－39

［7］劉小河，馬潔，管萍，付興建，劉麗華．自動化專業(yè)“四位一體”的實踐教學(xué)體系構(gòu)建研究．實驗技術(shù)與管理，2014，31 ( 10) :27－30

作者簡介:姜文娟( 1979－)，女，講師，在讀博士，研究方向:控制理論及應(yīng)用。

中圖分類號:G642

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:2095－9214 ( 2015) 08－0095－02