李彥江，譚沖，呂建婷，鞏誠(chéng)

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虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在研究生控制類(lèi)課程中的運(yùn)用

李彥江1，譚沖2，呂建婷1，鞏誠(chéng)1

（1. 黑龍江大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

針對(duì)控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的課堂演示教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，借助虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的有力補(bǔ)充和有效途徑．研究了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何在高校研究生控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮作用，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及師生互動(dòng)提供便利的條件，為運(yùn)籌學(xué)與控制論專(zhuān)業(yè)人才的能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)．

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；控制類(lèi)課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

控制理論作為控制科學(xué)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)課程[1]，主要講述系統(tǒng)控制科學(xué)中具有新觀念、新思想的理論研究成果．在各個(gè)領(lǐng)域中，特別是高科技領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要的作用．在研究生控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)中，培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，既掌握理論基礎(chǔ)知識(shí)，又具備實(shí)踐操作能力、工程素養(yǎng)及創(chuàng)新精神[2]．如何對(duì)傳統(tǒng)的理論教學(xué)進(jìn)行改革，融入新的教學(xué)手段，以提高教學(xué)質(zhì)量是非常重要的．近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)逐步被引入到教學(xué)環(huán)節(jié)中．虛擬仿真教學(xué)就是基于實(shí)際系統(tǒng)的模型，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬出真實(shí)工程場(chǎng)景，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究．這種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，占用課時(shí)多等弊端，從而可以節(jié)省大量耗材，有效降低成本[3]．并且，這種教學(xué)方法生動(dòng)形象，更貼近現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景和實(shí)際工程系統(tǒng)，有利于提高學(xué)生興趣，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)融入相應(yīng)工作場(chǎng)景，真實(shí)地體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制與操作的感覺(jué)，以達(dá)到更快掌握操作技能的目的[4]．本文主要論述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為一項(xiàng)新的教學(xué)手段在控制類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用以及在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)．

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在研究生控制類(lèi)課程教學(xué)中的應(yīng)用

研究生控制類(lèi)課程理論教學(xué)中所涉及到的多為先進(jìn)控制理論[5-8]，如最優(yōu)控制、網(wǎng)絡(luò)控制和智能控制理論等，分析與控制的對(duì)象主要為復(fù)雜系統(tǒng)．因此，在理論環(huán)節(jié)，學(xué)生很難僅僅通過(guò)教師的理論講解真正理解抽象復(fù)雜的系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計(jì)與實(shí)際操作過(guò)程，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解與實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)．與理論教學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是針對(duì)某類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)（如航天器、機(jī)器人編隊(duì)等），進(jìn)行系統(tǒng)性能分析與控制器的設(shè)計(jì)．一般來(lái)說(shuō)，很少有實(shí)驗(yàn)室具備這樣的實(shí)驗(yàn)條件．為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)．教師可以借助系統(tǒng)構(gòu)建虛擬的實(shí)際系統(tǒng)，利用系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)原理動(dòng)畫(huà)演示和實(shí)驗(yàn)操作視頻等更加形象具體地進(jìn)行課程講解與介紹，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)背景理論知識(shí)的理解，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計(jì)、實(shí)際操作被控系統(tǒng)的流程形成更加深刻的認(rèn)識(shí)．研究生根據(jù)控制類(lèi)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，通過(guò)理論分析，可以制定出詳細(xì)具體的實(shí)驗(yàn)步驟，從而有助于完成整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)．

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)這一先進(jìn)教學(xué)手段引入到研究生控制類(lèi)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，可以有效地克服傳統(tǒng)教學(xué)中枯燥講述的抽象難懂，并有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)踐動(dòng)手能力，降低實(shí)驗(yàn)成本．

對(duì)于某個(gè)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)作為指導(dǎo)材料，很難理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程（系統(tǒng)性能分析、控制器設(shè)計(jì)、實(shí)際操作被控系統(tǒng)）．而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提供系統(tǒng)直觀的視圖、操作視頻和人機(jī)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生可以直觀生動(dòng)地對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了解．另外，隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的日益成熟，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源整合，從而使學(xué)生更加方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．對(duì)于特別復(fù)雜的系統(tǒng)，可能由于各種原因?qū)е略谡n堂實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)失敗，沒(méi)有得到預(yù)期的結(jié)果．但是限于課堂時(shí)間有限，學(xué)生往往無(wú)法系統(tǒng)地完成分析失敗原因——重新設(shè)計(jì)控制器——再驗(yàn)證這一過(guò)程．而虛擬仿真平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為學(xué)生的課后實(shí)驗(yàn)提供了資源，學(xué)生可借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成分析失敗原因——重新設(shè)計(jì)控制器——再驗(yàn)證這一過(guò)程．這樣可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中獲得最大的收益，以提高其對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握，特別有助于提高其實(shí)踐動(dòng)手能力與獨(dú)立思考能力．

如在模糊控制課程中，對(duì)倒立擺進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)．可借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立倒立擺模型，根據(jù)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)倒立擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器．在虛擬仿真平臺(tái)上可以提供倒立擺系統(tǒng)直觀的視圖，可以直觀生動(dòng)地對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)中控制策略的執(zhí)行和系統(tǒng)性能的分析全面了解，有助于研究生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解及實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)．

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在研究生控制類(lèi)課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

由于研究生控制類(lèi)課程所涉及到的課程多為先進(jìn)控制理論，所針對(duì)的分析與設(shè)計(jì)對(duì)象多為復(fù)雜系統(tǒng)，如果在實(shí)驗(yàn)室搭建這類(lèi)系統(tǒng)的模型需要大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和元器件，教學(xué)成本非常高，并且無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)課．另一方面，受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)課只能開(kāi)設(shè)一些比較常規(guī)、典型的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際系統(tǒng)有一定的距離．使學(xué)生無(wú)法將課堂所學(xué)的理論知識(shí)與生產(chǎn)生活中的實(shí)際系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，導(dǎo)致理論與實(shí)際相脫節(jié)，無(wú)法獲得實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，從而使得實(shí)踐動(dòng)手能力較弱．

而無(wú)法常規(guī)展開(kāi)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如飛行器編隊(duì)等一些大規(guī)模、具有高復(fù)雜性的系統(tǒng)．學(xué)生可以借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，了解網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的原理及控制器設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的相關(guān)知識(shí)．通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行系統(tǒng)分析與控制器的設(shè)計(jì)，真實(shí)體驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與控制過(guò)程．將枯燥的理論學(xué)習(xí)過(guò)程變得真實(shí)、有趣，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并與實(shí)際系統(tǒng)緊密結(jié)合在了一起，可以充分鍛煉學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力．借助于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)耗材，也無(wú)需多名教師的反復(fù)指導(dǎo)，可以更好地完成教學(xué)目的．

3結(jié)論

根據(jù)控制類(lèi)學(xué)科研究生教學(xué)的特點(diǎn)，在教學(xué)中，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將理論學(xué)習(xí)與對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和控制相結(jié)合，做到虛實(shí)結(jié)合，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力．

[1] 王國(guó)軍，陳松喬．自動(dòng)控制理論發(fā)展綜述[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2000（6）：4-7

[2] 余雷，王富東，楊歆豪，等．控制類(lèi)課程工程化教學(xué)模式的探討[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（2）：7-8

[3] 李欣，鄭越．基于控制類(lèi)學(xué)科方向研究生核心能力培養(yǎng)的研究[C]//中國(guó)學(xué)位與研究生教育學(xué)會(huì)德育委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年 會(huì)論文集，2014

[4] 惲如偉．虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)應(yīng)用及簡(jiǎn)易虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)[D]．南京：南京師范大學(xué)，2005

[5] 韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等．仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（5）：63-65

[6] 劉春生，張紹杰，王晶．“最優(yōu)控制理論”研究生課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（3）：30-32

[7] 岳東．網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合[M]．北京：科學(xué)出版社，2007

[8] 劉濤，黃梓瑜．智能控制系統(tǒng)綜述[J]．信息通信，2014（8）：101-102

HLJ_2015056）；2015年黑龍江大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（GXM_YJS_2015008）

Application of virtual simulation experimental platform for postgraduate control courses

LI Yan-jiang1，TAN Chong2，Lü Jian-ting1，GONG Cheng1

（1. School of Mathematical Science，Heilongjiang University，Harbin 150080，China；2. School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

According to teaching characteristics of control courses，except of the traditional classroom teaching and experimental teaching，the virtual simulation teaching and learning environment built by virtual simulation technology，are a powerful supplement and effective way to improve students′ practical ability．Researched how the virtual simulation teaching play a role in postgraduate control courses is studied，which is convenient to experimental teaching and teacher-student interaction，and can lay a foundation of cultivating students′ practical ability in operational research and cybernetics specialty．

virtual simulation experimental platform；control course；experimental teaching

O23∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.013

2015-12-02

2014年黑龍江省高等學(xué)校教改工程資助項(xiàng)目（JG2014011142）；2015年黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JGXM_

李彥江（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和T-S模糊系統(tǒng)研究．E-mail：zottf@163.com