夏 靜 萍

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

0 引 言

2010年6月教育部正式啟動(dòng)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，旨在培養(yǎng)具備良好工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才，為國(guó)家工業(yè)化、信息化和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)提供強(qiáng)有力的工程技術(shù)人才支撐[1-5]。我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)積極申報(bào)并于2013年入選教育部卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，其核心是通過(guò)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程意識(shí)。

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程，也是首批國(guó)家精品課程和國(guó)家精品資源課程自動(dòng)控制原理的配套實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。卓越工程師培養(yǎng)是個(gè)系統(tǒng)的大工程[6]。因此，立足專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的背景，將卓越工程師的目標(biāo)聚焦為培養(yǎng)具備“自主學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力和工程意識(shí)”的設(shè)計(jì)型工程師，并以此為目標(biāo)，全面推動(dòng)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

1 引入具有工程背景的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)主要利用模擬學(xué)習(xí)機(jī)(見(jiàn)圖1)開(kāi)展模擬仿真實(shí)驗(yàn)[7]。該設(shè)備由運(yùn)放、電阻、電容等構(gòu)成，具有較高的線性度，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的一致性，便于進(jìn)行基礎(chǔ)理論驗(yàn)證。但也存在一定的問(wèn)題，這種基礎(chǔ)仿真教學(xué)設(shè)備，與實(shí)際控制系統(tǒng)有一定差距，學(xué)生較難通過(guò)“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”對(duì)控制系統(tǒng)建立直觀認(rèn)知和系統(tǒng)性的概念。而且模擬學(xué)習(xí)機(jī)也不能對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中常見(jiàn)的工程性問(wèn)題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。因此，僅依靠“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”開(kāi)展實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生工程意識(shí)和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

圖1 模擬學(xué)習(xí)機(jī)

本文對(duì)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行了改革，依據(jù)一線實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，自主設(shè)計(jì)并研制了物理系統(tǒng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖2)。該控制系統(tǒng)是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)，具有快速跟蹤和準(zhǔn)確定位兩大特點(diǎn)。由于電機(jī)伺服控制系統(tǒng)既具有工程背景，又貼合理論教學(xué)，故也是高校較為認(rèn)可的實(shí)物型教學(xué)設(shè)備[8-11]。

圖2 電機(jī)伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

“電機(jī)伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)”主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件部分由臺(tái)體、電動(dòng)機(jī)及負(fù)載、光電編碼器等組成，軟件部分由下位機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件和上位機(jī)軟件構(gòu)成。開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較為豐富，主要針對(duì)系統(tǒng)的速度回路和位置回路進(jìn)行時(shí)域法和頻域法設(shè)計(jì)和校正[12]。為了適應(yīng)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化處理，將綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分解，選取有代表性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)內(nèi)容，使有限的課時(shí)也能勝任物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入物理系統(tǒng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，為學(xué)生提供解決工程性問(wèn)題的平臺(tái)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)、探究并解決典型的工程性問(wèn)題，達(dá)到建立工程意識(shí)、提升解決工程問(wèn)題能力的目的。

2 開(kāi)展分層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對(duì)已開(kāi)設(shè)的基于“Matlab軟件”的數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)和基于“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”的模擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合和優(yōu)化，精選必做的驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并加入基于物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如圖3所示。

圖3 分層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Matlab軟件是自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一款軟件[13-14]。利用該軟件開(kāi)設(shè)數(shù)字仿真類(lèi)實(shí)驗(yàn)，能夠有效地幫助學(xué)生掌握控制系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法，為學(xué)生以后從事相關(guān)研究設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作為數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)向物理系統(tǒng)的過(guò)渡，本文精選了2個(gè)基于“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”開(kāi)設(shè)的模擬仿真實(shí)驗(yàn)。在模擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)需要使用Matlab軟件對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步強(qiáng)化了數(shù)字化能力；在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，通過(guò)在模擬學(xué)習(xí)機(jī)上動(dòng)手搭建模擬電路，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，在鞏固時(shí)域和頻域的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力[15-16]。此外，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和使用的器件非理想器件，存在噪聲、飽和、負(fù)載效應(yīng)等現(xiàn)象，有助于學(xué)生初步萌發(fā)工程意識(shí)。

基于“電機(jī)伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)”開(kāi)設(shè)的物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，遵循由淺入深的原則。首先開(kāi)設(shè)了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該類(lèi)實(shí)驗(yàn)，一方面讓學(xué)生掌握控制系統(tǒng)常用的實(shí)驗(yàn)建模方法；另一方面，獲取較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型便于學(xué)生利用Matlab仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真研究，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)中的控制律和控制參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)”，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生設(shè)計(jì)速度控制回路和位置控制回路的PID控制器。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制器的設(shè)計(jì)方法；在學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有了較為系統(tǒng)的認(rèn)知后，提高實(shí)驗(yàn)難度，開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)“控制系統(tǒng)的串聯(lián)頻域校正”，該實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合物理系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)展開(kāi)設(shè)計(jì)。

通過(guò)開(kāi)展分層次遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)、模擬仿真實(shí)驗(yàn)和物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生逐步加深對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)知，從簡(jiǎn)單的抽象數(shù)學(xué)模型逐步上升到復(fù)雜的具體物理系統(tǒng)；并逐步地掌握數(shù)字仿真、模擬仿真和物理系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法；做到循序漸進(jìn)地建立和提升學(xué)生設(shè)計(jì)能力和工程意識(shí)。

3 探索自主探究式教學(xué)方法

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生按照既定步驟，按部就班即可完成實(shí)驗(yàn)。這種傳授型教學(xué)模式存在兩個(gè)弊端：①讓學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和實(shí)驗(yàn)積極性，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)；②完全依賴(lài)課內(nèi)學(xué)時(shí)，不利于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的拓展。

為此，探索了“以學(xué)生為主體，實(shí)驗(yàn)問(wèn)題為導(dǎo)向，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為配套”的自主探究式教學(xué)法，如圖4所示。在該教學(xué)模式中，教師是實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)者，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題，提供網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)討論、實(shí)驗(yàn)操作并及時(shí)地進(jìn)行教學(xué)反饋、完善教學(xué)資源等；學(xué)生則需要充分調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，成為實(shí)驗(yàn)的主舵手。在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中要利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資料，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行初步吸收和內(nèi)化，并結(jié)合參考文獻(xiàn)、理論設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)軟件輔助分析和設(shè)計(jì)等手段對(duì)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行初步探究；對(duì)這些問(wèn)題有了一定的見(jiàn)解后，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中進(jìn)一步開(kāi)展課堂討論，深入實(shí)驗(yàn)的理解；并通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)對(duì)自己的想法和實(shí)驗(yàn)問(wèn)題加以驗(yàn)證、解決，并最終獲取正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖4 自主探究式教學(xué)方法

通過(guò)問(wèn)題引領(lǐng)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源配套的方式，引導(dǎo)學(xué)生自主探究并解決實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題和典型工程問(wèn)題，使學(xué)生真正成為實(shí)驗(yàn)的主體，實(shí)現(xiàn)自主式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，以培養(yǎng)設(shè)計(jì)型工程師為具體目標(biāo)，開(kāi)展了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐。通過(guò)引入具有工程背景的教學(xué)設(shè)備“電機(jī)伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，有效地幫助學(xué)生建立和提升工程意識(shí)；開(kāi)發(fā)層次豐富、遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)能力循序漸進(jìn)地提升和強(qiáng)化；采用“以學(xué)生為主體，實(shí)驗(yàn)問(wèn)題為導(dǎo)向，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為配套”的探究式教學(xué)法，顯著地提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)探究精神。

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的卓越工程師班進(jìn)行了探索和實(shí)踐，并獲得良好的教學(xué)效果。未來(lái)要進(jìn)一步推廣到普通班，全面提升自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

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