逄　鵬　魏喜雯

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西 158100)

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“自動控制原理”實驗教學(xué)模式改革與探索

逄鵬魏喜雯

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西 158100)

摘要：針對“自動控制原理”實踐環(huán)節(jié)中存在的問題，探討實驗教學(xué)的改革措施，包括優(yōu)化實驗內(nèi)容、改革實驗手段和完善考評體系。在實驗內(nèi)容方面，引入Matlab仿真建立控制系統(tǒng)，參數(shù)易修改，可直觀得到實驗結(jié)果；在實驗手段上，將實驗分為三個層次，即驗證性、設(shè)計性、綜合性實驗，三層次實驗逐層遞進；在考評體系方面，詳細(xì)闡述各實驗層次的權(quán)重比例及分值分配，并將實驗成績納入最終期末總評。實踐表明，該實踐教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程意識，強化了學(xué)生對“自動控制原理”基礎(chǔ)知識的理解，提高了學(xué)生的分析設(shè)計控制系統(tǒng)能力。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；實驗教學(xué)；教學(xué)改革；實驗?zāi)Ｊ?/p>

“自動控制原理”是工業(yè)控制的核心理論基礎(chǔ)，是電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器、自動化、電子信息工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。課程具有內(nèi)容涵蓋領(lǐng)域?qū)挿骸⒗碚撔暂^強、概念抽象、不易掌握等特點?！白詣涌刂圃怼焙w對象建模、信息控制、系統(tǒng)工程等方面的內(nèi)容，與其存在緊密聯(lián)系的內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)通信、執(zhí)行驅(qū)動、傳感檢測、信息處理等。由于其理論性強、內(nèi)容抽象等特點，在學(xué)習(xí)過程中很容易造成理論脫離實際，所以在理論教學(xué)過程中，必須依靠相應(yīng)的實驗來支撐理論教學(xué)中的重點內(nèi)容[1]。學(xué)生可以通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，加深對控制理論的機理性理解，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高學(xué)習(xí)效能。

目前，高等學(xué)?！白詣涌刂圃怼睂嶒炌ǔ２捎媚M電路實驗箱完成，其內(nèi)部包含諸多模擬器件構(gòu)成的典型環(huán)節(jié)，最終通過示波器觀測系統(tǒng)的相應(yīng)曲線及各種性能指標(biāo)。這種經(jīng)典的實驗?zāi)Ｊ絻?nèi)容老化、形式單一，實驗設(shè)備高度集中，拓展性差，無法開展項目設(shè)計型實驗研究，實驗過程中學(xué)生缺乏對系統(tǒng)的本質(zhì)理解，被動地連接電路，無法調(diào)整參數(shù)。

針對上述實驗方法的不足之處，對實驗內(nèi)容及方式進行改革。一方面，利用Matlab仿真完成。Matlab仿真工具具有可視化建模和仿真模擬功能，將Matlab融入到“自動控制原理”的實踐環(huán)節(jié)，為“自動控制原理”實踐教學(xué)環(huán)節(jié)提供了有力保證。Matlab的自動控制原理實驗既滿足了學(xué)生對理論知識的深化，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和邏輯分析能力。另一方面，整合現(xiàn)有實驗室資源，設(shè)計綜合性實驗，提高學(xué)生分析設(shè)計控制系統(tǒng)的綜合實踐技能。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化實驗內(nèi)容，并將實驗分為三種梯度模式——實驗整體架構(gòu)由驗證性實驗過渡到設(shè)計性實驗，最后完成綜合性實驗，逐層遞進。此種舉措有效適應(yīng)了“自動控制原理”的課程特點，對“自動控制原理”的學(xué)習(xí)有極大的促進作用。

1優(yōu)化實驗內(nèi)容

實驗教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，又要兼顧思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實驗教學(xué)首先是對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，通過實驗，學(xué)生能夠掌握儀器、儀表的使用方法及注意事項，并通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)正確合理地獲取實驗數(shù)據(jù)。其次，通過實驗，驗證所學(xué)的理論，理解理論的深刻內(nèi)涵，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。再次，按照教學(xué)內(nèi)容完成設(shè)計性實驗，提出自己的新見解，進一步拓展思維，提高創(chuàng)新能力。最后，能夠綜合運用所學(xué)的專業(yè)知識，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為后續(xù)學(xué)習(xí)和將來工作培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。目前實驗教學(xué)過程中學(xué)生只關(guān)心實驗參數(shù)能否滿足要求的實驗結(jié)果，而不是實驗參數(shù)是否合理，實驗過程中很難建立基本的工程意識，實驗積極性不高，實驗效果一般。學(xué)生單純?yōu)榱送瓿山處熃o定的實驗任務(wù)，甚至抄襲他人結(jié)果，產(chǎn)生實驗挫敗感，失去實驗的興趣[2]。分析原因，實驗內(nèi)容不精練是主要原因之一，因此，優(yōu)化實驗內(nèi)容的改革勢在必行。

結(jié)合“自動控制原理”的課程屬性，把對實驗教學(xué)大綱的優(yōu)化轉(zhuǎn)變作為著力點，逐步精煉每一個實驗環(huán)節(jié)的內(nèi)容，在教學(xué)計劃制定中，進一步權(quán)衡知識的基礎(chǔ)性和實效性，重新考量傳統(tǒng)的實驗方案，實驗內(nèi)容進一步優(yōu)化，夯實基礎(chǔ)理論實驗步驟，加強設(shè)計性、綜合性實驗所占的比重，并且利用學(xué)校現(xiàn)有的開放實驗室設(shè)置開放性實驗。所有實驗都以課程教學(xué)大綱為指導(dǎo)，根據(jù)專業(yè)的差異性，教學(xué)大綱在重難點設(shè)置時應(yīng)有所傾向，對過去的實驗內(nèi)容要重新考量，堅決摒棄實效性不強的實驗內(nèi)容、方法和手段；加入實效性強、應(yīng)用價值高、社會效能大的前沿性實驗內(nèi)容[3]。設(shè)計性、綜合性實驗是以既定的實驗?zāi)康暮同F(xiàn)有的開放實驗室為基礎(chǔ)，讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，自主設(shè)計整個試驗流程方案并實施，通過實驗可以訓(xùn)練學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，充分提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2構(gòu)建多層次實驗?zāi)Ｊ?/p>

實驗教學(xué)不單純是驗證理論知識和鍛煉動手能力的過程，而是一個理論伴隨實踐升華的過程。其目的是在實踐過程中整合知識、體驗創(chuàng)造、發(fā)散思維，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。就此將自動控制原理實驗教學(xué)模式分為三個層次，三個層次重點內(nèi)容分布得當(dāng)，由驗證實驗到系統(tǒng)設(shè)計，再由系統(tǒng)設(shè)計到綜合提高，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遞進式實踐教學(xué)模式。遞進式實驗?zāi)Ｊ饺鐖D1所示。

2.1驗證性實驗

驗證性實驗是按著實驗指導(dǎo)書上的要求，逐步完成每一個實驗步驟，最終通過分析實驗結(jié)果，驗證實驗結(jié)果與理論知識的一致性。驗證性實驗使學(xué)生對抽象化的理論有更深層次的領(lǐng)會，同時強化了實驗的基本操作技能和實驗數(shù)據(jù)處理與分析的能力。驗證性實驗主要包括典型環(huán)節(jié)及階躍響應(yīng)實驗、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗、頻率特性實驗、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[4]；驗證性實驗主要通過實驗箱上的電阻、運算放大器、電容等模擬器件構(gòu)成增益、積分、微分、慣性等典型環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的。按照實驗指導(dǎo)書的實驗步驟接線，并通過示波器觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線和各種性能指標(biāo)。驗證性實驗簡單、直觀、容易實現(xiàn)，針對不同專業(yè)、不同授課計劃可從上述實驗中選做其中的部分實驗。

2.2設(shè)計性實驗

驗證性實驗僅是對抽象理論的驗證，實驗指導(dǎo)書中的步驟決定了驗證性實驗簡單易行，在實驗過程中學(xué)生缺乏自主設(shè)計環(huán)節(jié)，只要單純地按步驟接線都可獲得相應(yīng)的理想結(jié)果。為了彌補驗證性實驗的不足，補充設(shè)計性實驗。設(shè)計性實驗指給定實驗?zāi)康摹⒁蠛蛯嶒灜h(huán)境，學(xué)生自主設(shè)計實驗的每一個環(huán)節(jié)并能夠?qū)崿F(xiàn)。設(shè)計性實驗應(yīng)遵循基礎(chǔ)性、探索性、應(yīng)用性三個基本原則?；A(chǔ)性是指所設(shè)置的實驗內(nèi)容及其原理應(yīng)以學(xué)生現(xiàn)階段的基礎(chǔ)知識為核心；探索性是指在超出所學(xué)基礎(chǔ)知識的一定范圍內(nèi)，能夠充分根據(jù)設(shè)計性實驗的要求和目的主動探索實驗方法；應(yīng)用性是指學(xué)生能夠?qū)υO(shè)計性實驗在實際工程領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的了解，以實際應(yīng)用案例來鞭策學(xué)生的積極主動性，充分發(fā)揮自身潛能[5]。設(shè)計性實驗主要是完成控制系統(tǒng)設(shè)計與分析，如應(yīng)用根軌跡法、頻率響應(yīng)法完成實驗。以根軌跡法為例加以說明。

實驗?zāi)康暮鸵螅?/p>

(1)掌握Matlab繪制根軌跡的方法；

(2)觀察K值變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；

(3)掌握系統(tǒng)臨界穩(wěn)定情況下K值的求?。?/p>

(4)了解零點存在給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。

設(shè)計性實驗的各個環(huán)節(jié)，學(xué)生能根據(jù)所學(xué)的理論知識進行原理分析和系統(tǒng)設(shè)計，在實驗的各個環(huán)節(jié)都能充分彰顯學(xué)生的自主性，有效提高了實驗效能。

2.3綜合性實驗

綜合性實驗是結(jié)合實際工程背景建立在設(shè)計性實驗之上的一個實驗過程，被控對象通常選取應(yīng)用性較強的實物，實驗過程中需綜合運用自動控制原理的相關(guān)知識并能夠有效結(jié)合本專業(yè)的其他專業(yè)課程，完成自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。實驗設(shè)計過程中要求具備一定的自主性，學(xué)生自己選題，自己設(shè)計整個實驗方案，自主選擇實驗時間，并撰寫實驗成果報告，成果報告可以以小組討論形式匯報給大家。在實驗過程中，指導(dǎo)教師主要提供基礎(chǔ)理論的支持。綜合性實驗對實驗的建模方法、控制方式、控制裝置、實現(xiàn)手段都不予以限制約束。綜合性實驗不占實驗總學(xué)時，學(xué)生只要在理論課程的授課學(xué)期內(nèi)完成即可。根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有實驗設(shè)備情況，能實現(xiàn)的綜合性實驗項目包括：鍋爐溫度控制系統(tǒng)實驗、直流電機速度控制實驗、倒立擺控制系統(tǒng)實驗。學(xué)生可查閱自動檢測技術(shù)、運動控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、過程控制系統(tǒng)等相關(guān)資料完成綜合性實驗項目。綜合性實驗的設(shè)置能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨立的實驗思考能力。通過控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、調(diào)試等一系列環(huán)節(jié)，深化了實驗者對控制系統(tǒng)的理解，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識和自主創(chuàng)新能力。

3完善考核辦法

考核方式在教育模式中占據(jù)著重要地位?？己朔绞?jīng)Q定著教學(xué)方法。長期以來完全依靠期末一張考試卷評價學(xué)生存在著嚴(yán)重的缺陷，不能夠客觀地評價一個學(xué)生對知識的掌握程度[6]。在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的新形勢下，如何進一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及創(chuàng)新能力，不僅要在實驗內(nèi)容和實驗層次上改革，更需要建立科學(xué)合理的考評體系?？荚u體系應(yīng)當(dāng)能有效地促進學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮，有創(chuàng)造性就應(yīng)該提高評價等級。根據(jù)實驗的課時及課程的教學(xué)要求，我們建立了科學(xué)合理的考核辦法，將實驗成績最后納入自動控制原理的總成績。在這里，實驗成績以百分制核算，包括：(1)實驗預(yù)習(xí)10分：按要求預(yù)習(xí)，填寫實驗預(yù)習(xí)報告；(2)整個實驗過程的操作及規(guī)范程度50分：是否能獨立完成實驗，實驗步驟是否規(guī)范，儀器操作是否規(guī)范等；(3)成果報告40分：主要考察實驗報告的撰寫規(guī)范程度，實驗數(shù)據(jù)處理、誤差分析、成果分析等是否規(guī)范。三個層次的實驗，驗證性實驗占實驗總數(shù)的50%，設(shè)計性實驗占30%，綜合性實驗占20%。

4結(jié)論

為提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力，就“自動控制原理”課程目前存在的問題，從優(yōu)化實驗內(nèi)容、改革實驗手段和完善考評體系等方面進行探討，提出了相應(yīng)的改革措施和手段。逐層遞進的實驗?zāi)Ｊ礁母?，有效地提高了學(xué)生的分析問題、解決問題的能力，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有著很大的幫助，同時也為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實的基礎(chǔ)。教學(xué)實踐驗證了改革與研究的有效性，真正做到了理論教學(xué)和實踐教學(xué)的有機結(jié)合，收到了良好的教學(xué)效果。

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責(zé)任編輯：富春凱

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.03.038

收稿日期：2016-04-04

第一作者簡介：逄鵬(1989—)，男，碩士，助教。研究方向：檢測技術(shù)及智能裝置、機器視覺。

中圖分類號：G642.0

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-6341(2016)03-0092-02