軌道交通信號與控制專業(yè)《自動控制原理》課程實驗教學改革研究

劉桂濤

(湖北工程學院 計算機與信息科學學院，湖北 孝感 432000)

軌道交通信號與控制專業(yè)《自動控制原理》課程實驗教學改革研究

劉桂濤

(湖北工程學院 計算機與信息科學學院，湖北 孝感 432000)

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

自動控制原理；實驗教學；教學改革

1 引言

軌道交通信號與控制專業(yè)屬于自動化學科門類，《自動控制原理》是軌道交通信號與控制專業(yè)必修的專業(yè)主干課。本課程的特點是理論深奧，涉及知識點多，掌握重點內(nèi)容有一定難度[1]?！蹲詣涌刂圃怼穼嶒炚n是本課程教學中的重要一環(huán)，教好本課程的實驗課，對學生加深理解基本理論，掌握基本分析方法，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，以及使抽象的概念形象化、具體化，對增強學生的學習興趣有極大的好處。

2 課程實驗概況

目前，軌道交通信號與控制專業(yè)開設(shè)的《自動控制原理》課程共56學時，其中實驗學時有8學時，這樣就出現(xiàn)了理論內(nèi)容及實驗內(nèi)容多、總學時少的矛盾，教師要在培養(yǎng)計劃規(guī)定的學時內(nèi)完成理論教學和實驗教學，勢必使得《自動控制原理》這門課程的實驗只能用來驗證課程理論，沒有時間進行設(shè)計型實驗和綜合型實驗，從而不能提高學生分析和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。

軌道交通信號與控制專業(yè)是一個新興專業(yè)，專業(yè)知識在不斷更新，《自動控制原理》作為這個專業(yè)的專業(yè)主干課，理論內(nèi)容基本沒有改變，但其實驗內(nèi)容和實驗手段必須不斷更新，以適應(yīng)專業(yè)的發(fā)展趨勢。通過《自動控制原理》實驗教學，既要使課程理論知識和專業(yè)知識有機結(jié)合起來，又要提高學生分析與設(shè)計控制系統(tǒng)的能力，同時培養(yǎng)學生的工程意識和實踐能力。

3 實驗教學改革措施

3.1 調(diào)整實驗內(nèi)容，增加實驗學時

依據(jù)新的《自動控制原理》實驗課程教學大綱要求，對《自動控制原理》實驗教學內(nèi)容作了較大調(diào)整：大幅減少了驗證型實驗的內(nèi)容，增加了設(shè)計型實驗和綜合型實驗，注重實驗的應(yīng)用性，注重學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在實驗的體驗效果上也要注意吸引和激發(fā)學生，增加趣味性和邏輯性，形式新穎，靈活多樣，從簡到繁，循序漸進[2]。并且針對軌道交通信號與控制專業(yè)的特點，開設(shè)了與本專業(yè)相關(guān)的控制類實驗。

經(jīng)過對學生就業(yè)反饋信息分析，我校軌道交通信號與控制專業(yè)的學生畢業(yè)后主要從事軌道交通信號與控制，以及現(xiàn)有系統(tǒng)的維護或故障檢修工作，基本上沒有從事軌道交通信號與控制系統(tǒng)的設(shè)計工作，因此，《自動控制原理》教學目標重點不是要使學生掌握豐富的理論知識，而是要使學生在理解信號與控制系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)工程實踐能力。因此對軌道交通信號與控制專業(yè)的《自動控制原理》課程教學內(nèi)容進行了調(diào)整：加大實驗環(huán)節(jié)，實驗學時由原來的8學時增加到16學時；刪除了典型環(huán)節(jié)的電路模擬實驗和三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及穩(wěn)定性分析實驗。加深了如下實驗的內(nèi)容：系統(tǒng)頻率特性實驗、PID控制器的動態(tài)特性實驗、線性系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗。對實驗時間的安排也進行了調(diào)整：實驗時間不再統(tǒng)一安排在一學期的最后幾周，而是當一個重要的理論或知識點講授完后，馬上進行相應(yīng)的實驗，這樣能夠使學生將理論知識和實踐銜接起來，加深對知識的理解。

3.2 改變實驗形式，強化專業(yè)的工程應(yīng)用

軌道交通信號與控制專業(yè)屬于工科專業(yè)，對于應(yīng)用型本科院校，該專業(yè)的《自動控制原理》的理論教學不再注重理論的分析和定理證明，而是加強工程背景應(yīng)用，同樣，這門課程的實驗教學也應(yīng)強化軌道交通信號專業(yè)的工程背景應(yīng)用，使得專業(yè)知識和工程實踐緊密結(jié)合起來。

對學生來說，自動控制系統(tǒng)比較抽象，比如軌道岔道自動控制系統(tǒng)，若在課堂上講解其工作原理和工作過程，學生很難將理論知識和實際操作控制系統(tǒng)聯(lián)系起來。進行這部分內(nèi)容的實驗時，將學生帶到本市火車站車間練兵場，由火車站技術(shù)工作人員演示實際的軌道貧道控制系統(tǒng)工作過程，然后由帶隊老師講解其工作原理，這樣學生會對軌道岔道控制系統(tǒng)感覺十分真切，而且提高了學生的實驗學習興趣。3.3 改進實驗教學規(guī)則和方法，注重學生實踐能力的培養(yǎng)

進行《自動控制原理》實驗教學時，應(yīng)注重改進實驗教學規(guī)則和方法，培養(yǎng)學生動手能力，《自動控制原理》課程實驗教學可以有效地將理論知識和工程實踐結(jié)合起來，可以培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。培養(yǎng)學生動手能力，主要應(yīng)從兩個方面著手：一是實行單人實驗制，即每個實驗每個學生都要單獨完成，不能兩人一組或三人一組：二是實驗指導(dǎo)老師不參與實驗，只觀察學生做出來實驗結(jié)果是否正確或符合要求，如果學生的實驗結(jié)果不正確或不符合要求，則要求學生自己檢查原因，直至實驗結(jié)果正確或符合要求為止，這樣，學生就少了依賴思想，必須自己動手將實驗做出來。例如，在進行線性系統(tǒng)(二階系統(tǒng))串聯(lián)校正的電路模擬實驗時，學生按圖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或性能指標不滿足要求，則重新檢查實驗，直至觀察到圖2及性能指標符合要求為止。

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)

當未校正二階系統(tǒng)性能指標符合要求后，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分析計算得出系統(tǒng)校正后的性能指標是否滿足要求：超調(diào)量Mp≤20%，調(diào)節(jié)時間ts≤1s，靜態(tài)誤差系數(shù)KV≥25 1/s，若觀察不到圖4或性能指標不滿足要求，則重新檢查實驗，直至觀察到圖4及性能指標符合要求為止。

圖3 加入串聯(lián)校正裝置的系統(tǒng)模擬電路

4 實驗教學進一步改革措施

4.1 實驗教學與理論教學相統(tǒng)一

對于應(yīng)用型本科院校，實驗教學和理論教學相統(tǒng)一時能加強理論知識的應(yīng)用，要做到時理論教學與實驗教學相統(tǒng)一，可從以下三個方面著手：

(1)實驗教學教師和理論教學教師相統(tǒng)一。理論教學教師在多年的《自動控制原理》講授中，對這門課程的重點難點了然于胸，知道哪些理論知識需要通過實驗驗證，哪些理論知識需要通過實驗加深理解，哪些理論知識可以通過實驗拓展應(yīng)用。實驗教師和理論教師統(tǒng)一起來，可以使理論教學和實驗教學有機結(jié)合起來，取得完美的教學效果。

(2)實驗教學內(nèi)容與理論教學內(nèi)容相統(tǒng)一。實驗教學是理論教學的延伸和拓展，實驗教學內(nèi)容理應(yīng)與理論教學內(nèi)容相統(tǒng)一，實驗教學內(nèi)容與理論教學內(nèi)容統(tǒng)一時，既可以鞏固學生所學的理論知識，又可以提高學生的實踐創(chuàng)新能力。

(3)實驗教學時間與理論教學時間相統(tǒng)一。當某階段理論內(nèi)容講授完后，立即進行相應(yīng)的實驗教學，這樣既可以激發(fā)學生的學習興趣，又可以使學生理解理論知識間的聯(lián)系。

4.2 改革實驗考核內(nèi)容

在實際教學中，一般是輕實驗教學考核，重理論教學考核，根據(jù)《自動控制原理》實驗教學的特點，實驗教學考核與理論教學考核同等重要，其實驗教學考核主要應(yīng)從三個方面著手：

(1)實驗態(tài)度。這方面考核主要是考核學生的考勤和實驗預(yù)習報告，重點是看學生的預(yù)習實驗報告是否有實驗內(nèi)容、實驗步驟、實驗表格等。

(2)實驗結(jié)果。這方面考核主要是考核學生對實驗過程的分析、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結(jié)果分析[3]。

(3)實驗?zāi)芰?。這方面考核主要是考核學生的動手能力，考核的重點放在學生運用基本知識和基本技能解決工程實際問題的能力上。

這三個方面考核的百分比如表1。

表1 實驗成績構(gòu)成表

5 結(jié)束語

加強軌道交通信號與控制專業(yè)《自動控制原理》課程的實驗教學改革，可以使學生加深對理論知識的理解，提高學生的工程實踐能力，鍛煉學生的動手能力，充分調(diào)動學生的創(chuàng)新能力，使學生進一步加深對《自動控制原理》課程的認識和理解，同時激發(fā)了學生們對軌道交通信號與控制專業(yè)的深厚興趣。

[1]張慧．《自動控制原理》實驗教學研究[J]．實驗科學與技術(shù)，2014，(4)：141—143．

[2]孟穎，段潔，徐東明．自動控制原理實驗教學的探索與研究[J]．吉林省教育學院學報，2014，(12)：42—43．

[3]鄢圣茂，宋立忠．“自動控制原理”實驗教學研究與實踐[J]．中國電力教育，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，湖北云夢人，碩士，副教授，研究方向：計算機與信息科學。

湖北工程學院教學研究項目，項目編號：2015A34。