基于CDIO模式的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)改革探索

劉明華 王彩霞

西北民族大學(xué) 甘肅蘭州 730030

基于CDIO模式的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)改革探索

劉明華 王彩霞

西北民族大學(xué) 甘肅蘭州 730030

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，其培養(yǎng)大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式全面提高學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力。自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是連接控制理論與實(shí)際工程的橋梁。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入CDIO教育模式，通過設(shè)置以實(shí)際工程為對(duì)象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將不同的專業(yè)課程知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的整合，全面提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和溝通協(xié)調(diào)能力，為走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)改革；CDIO

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是運(yùn)動(dòng)控制、過程控制以及各種智能控制的理論基礎(chǔ)。隨著控制理論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空以及日常生活各方面的廣泛應(yīng)用，控制理論與各個(gè)行業(yè)的聯(lián)系也越來越緊密，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)自動(dòng)控制方面人才的需求也越來越大。實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)控制原理課程的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)搭建控制理論與實(shí)際工程之間的橋梁，在鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣。［1］

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工科畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。［2，3］在“自動(dòng)控制原理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入先進(jìn)的CDIO教育理念，以技術(shù)知識(shí)為核心、以人文社科知識(shí)為導(dǎo)向，培養(yǎng)具有較高專業(yè)素質(zhì)的綜合型自動(dòng)化技術(shù)人才。

1 目前“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

自動(dòng)控制原理課程主要是利用應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法來分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，涉及大量的數(shù)學(xué)知識(shí)的運(yùn)算和推導(dǎo)，以致很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺控制理論知識(shí)比較枯燥，學(xué)習(xí)積極性嚴(yán)重下降，這就需要用實(shí)驗(yàn)的方式來引導(dǎo)學(xué)生，將所學(xué)的理論應(yīng)用于實(shí)際的控制系統(tǒng)中，在鞏固控制理論知識(shí)的同時(shí)提高學(xué)習(xí)積極性。［4］

本校自動(dòng)化專業(yè)主要是面向工業(yè)控制，學(xué)生工作后面對(duì)的大多是實(shí)際的工程控制系統(tǒng)，因此需要在授課過程中要逐步培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的意識(shí)，形成系統(tǒng)的觀念。這個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不但要求在理論課堂引入工程系統(tǒng)的概念，更應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)來逐步培養(yǎng)和提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和合格的控制工程技術(shù)人才所具備的能力。

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)大多按照課堂講授順序?qū)碚摲椒ㄟM(jìn)行驗(yàn)證，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求按部就班地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式使學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和思考的過程，教學(xué)效果不理想，并且影響理論學(xué)習(xí)的積極性，導(dǎo)致理論和實(shí)踐脫節(jié)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及以后的工作中不能將專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)化的應(yīng)用到實(shí)際工程中。

2 在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中引入CDIO理念

進(jìn)行基于CDIO模式的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)改革，將會(huì)全面提高自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)工作能力以及工程系統(tǒng)能力。根據(jù)CDIO教育的大綱要求，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革可以從課程體系出發(fā)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)實(shí)際工程背景，實(shí)驗(yàn)形式突出學(xué)生能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問題解決問題的能力，全面提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

3 基于CDIO理念的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)改革探索

3.1 以工程項(xiàng)目為引導(dǎo)

近年來，控制理論研究取得了重要進(jìn)展，但這些先進(jìn)的控制理論在實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用卻受到限制，作為工業(yè)控制的專業(yè)人才，自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生必須能夠很好地將控制理論應(yīng)用于實(shí)際工程系統(tǒng)。因此，在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中需要及時(shí)將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際的控制系統(tǒng)相聯(lián)系，在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域的能力，同時(shí)將控制理論的思想和新的控制技術(shù)介紹給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生開闊眼界，從整體高度把握專業(yè)發(fā)展方向。

基于CDIO模式理念的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可以采用實(shí)際工程項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)模式，讓學(xué)生直觀地感受到控制理論在工程實(shí)際中的應(yīng)用，激發(fā)理論學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)積累工程基礎(chǔ)知識(shí)。

例如第一次實(shí)驗(yàn)課可以開設(shè)演示實(shí)驗(yàn)，以真實(shí)的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如電機(jī)控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。通過演示實(shí)驗(yàn)向?qū)W生介紹控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分、控制結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過程、控制性能、數(shù)學(xué)模型等，著重介紹模型參數(shù)的物理意義以及控制理論在系統(tǒng)中的應(yīng)用，使學(xué)生正確理解實(shí)際模型與抽象數(shù)學(xué)模型的聯(lián)系。通過演示實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)要介紹“自動(dòng)控制原理”理論知識(shí)的應(yīng)用及其重要性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程的學(xué)習(xí)興趣，提高理論學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 合理安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)度

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)的目的不僅僅是為了掌握一些測(cè)量?jī)x器和模擬設(shè)備的操作使用，更重要的是通過實(shí)驗(yàn)鞏固理論知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生的思維，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程系統(tǒng)意識(shí)。自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程可以根據(jù)理論課程的進(jìn)度安排，設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)形式。如演示型實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證型試驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等。綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)級(jí)別，可以讓學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和興趣愛好，進(jìn)行選擇。

在第一節(jié)實(shí)驗(yàn)課安排演示實(shí)驗(yàn)，演示實(shí)驗(yàn)課時(shí)設(shè)置2～4個(gè)課時(shí)，通過一個(gè)實(shí)際的工程系統(tǒng)，如直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)控制原理課程做系統(tǒng)的介紹：首先結(jié)合自控原理課本的前兩章內(nèi)容，介紹如何建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及用到的相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)；其次，結(jié)合課本后續(xù)的理論課程，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域、頻域和根軌跡分析做簡(jiǎn)單的講解；最后簡(jiǎn)單介紹系統(tǒng)的矯正方法以及系統(tǒng)的性能分析。這樣通過一個(gè)工程實(shí)驗(yàn)將自動(dòng)控制理論的理論知識(shí)串聯(lián)起來，讓學(xué)生從開始就重視理論課程，同時(shí)也建立了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的信心。［5］

根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)在自動(dòng)控制理論課程的進(jìn)度安排和實(shí)驗(yàn)大綱，結(jié)合其他工科院校自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)調(diào)研結(jié)果，初步設(shè)置在課程前期開設(shè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，如典型環(huán)節(jié)的電路模擬、時(shí)域響應(yīng)分析和穩(wěn)定性分析等，讓學(xué)生充分熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及簡(jiǎn)單故障的分析和處理。在課程中期開設(shè)仿真驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，如線性系統(tǒng)的根軌跡分析和頻域響應(yīng)分析等，讓學(xué)生熟悉典型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立和仿真，掌握MATLAB編程和SIMULINK建模。課程后期開設(shè)綜合型實(shí)驗(yàn)，如水箱控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)等，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中熟悉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試方法，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。課程的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置為以小組為單位的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生收集整理資料的能力，并進(jìn)一步提高動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.3 改進(jìn)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)不僅是對(duì)控制理論知識(shí)的驗(yàn)證，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)習(xí)基本的實(shí)驗(yàn)儀器儀表的使用和調(diào)試方法，初步培養(yǎng)學(xué)生基本的科研能力。自動(dòng)控制原理的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)典型環(huán)節(jié)時(shí)域響應(yīng)的驗(yàn)證，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有模擬實(shí)驗(yàn)箱及示波器等。在以往的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)占的比重比較大，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書搭建好模擬電路，按照要求記錄數(shù)據(jù)即可完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，時(shí)間大多用于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的抄寫，使得實(shí)驗(yàn)流于形式。

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的改革主要由以下幾部分組成：

（1）實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)。學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，書寫預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)報(bào)告主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)的分析，如放大倍數(shù)，時(shí)間常數(shù)等。

（2）靈活安排實(shí)驗(yàn)形式。CDIO培養(yǎng)大綱一個(gè)重要的指標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)人實(shí)踐能力。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要途徑。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)不僅僅是連接電路和記錄結(jié)果，同時(shí)還包括電路和測(cè)量?jī)x器儀表的調(diào)試，簡(jiǎn)單故障的診斷和排除等。Matlab等仿真軟件也是分析控制系統(tǒng)的重要工具。Matlab語言目前是國際控制界最流行的語言，擁有強(qiáng)大的科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、數(shù)值計(jì)算、系統(tǒng)建模和仿真等功能［6］。在自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中引入Matlab仿真更有助于學(xué)生學(xué)習(xí)控制理論知識(shí)，利用計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)，為綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

（3）簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重點(diǎn)應(yīng)該在于實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題的分析，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。針對(duì)不同類型的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式也應(yīng)該是多樣的，而不應(yīng)該籠統(tǒng)的抄寫實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程。

3.4 開設(shè)綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

在CDIO培養(yǎng)大綱中，除了要培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、提高個(gè)人能力外，團(tuán)隊(duì)合作能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)也是很重要的兩個(gè)指標(biāo)，在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中，主要通過開設(shè)綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)來達(dá)到這兩個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)的。

綜合型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具備一定的基本實(shí)驗(yàn)技能和專業(yè)課綜合知識(shí)，因此開設(shè)于自動(dòng)控制原理課程的后期。通過設(shè)置液位控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、爐溫控制系統(tǒng)等一些結(jié)合其他專業(yè)課程的綜合型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)將控制理論與檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來，在實(shí)驗(yàn)過程中了解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，利用仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試等。［7］通過這些綜合型實(shí)驗(yàn)，搭建控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際的控制工程之間的橋梁，使學(xué)生進(jìn)一步了解工程控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試方法，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

課程的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以采取課程設(shè)計(jì)的形式開設(shè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目可以參考?xì)v年的電子設(shè)計(jì)大賽的控制系統(tǒng)方向的題目，如旋轉(zhuǎn)倒立擺、智能小車等控制系統(tǒng)，也可以讓學(xué)生根據(jù)興趣以及特長(zhǎng)自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這些實(shí)驗(yàn)以團(tuán)隊(duì)小組的形式進(jìn)行，從資料查閱、了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、選取控制參數(shù)、建立數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行仿真分析到選擇元器件、搭建硬件電路、編寫控制程序，直到進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試等均由學(xué)生獨(dú)立完成，實(shí)驗(yàn)小組成員自主分配工作任務(wù)。通過這種實(shí)驗(yàn)形式既可以鍛煉學(xué)生的知識(shí)檢索及篩選能力、各科專業(yè)知識(shí)的整合能力，又能培養(yǎng)小組成員之間的協(xié)調(diào)合作能力，同時(shí)脫離了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，讓學(xué)生充分發(fā)揮自主能動(dòng)性，多方位多渠道拓展知識(shí)面。

4 結(jié)束語

CDIO教育理念在于培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才，與自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)相吻合。自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)的主線課程，實(shí)驗(yàn)是將控制理論與實(shí)際工程實(shí)踐相聯(lián)系的橋梁。因此在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用CDIO教育模式，不僅可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，還可以通過實(shí)驗(yàn)形式對(duì)各科專業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的整合，同時(shí)基于實(shí)際工程項(xiàng)目的綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)既培養(yǎng)了學(xué)生的工程系統(tǒng)能力，又進(jìn)一步開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，為國家和社會(huì)培養(yǎng)高質(zhì)量的自動(dòng)化專業(yè)人才。

［1］胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.第五版.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］顧佩華，包能勝，康全禮.CDIO在中國（上）［J］.高等工程教育研究，2006（3）：24-40.

［3］熊玲，李忠.新世紀(jì)我國高等工程人才需求調(diào)查報(bào)告［J］.現(xiàn)代教育管理，2010（7）：3-6.

［4］Edward F. Crawley et al.重新認(rèn)識(shí)工程教育—國際CDIO培養(yǎng)模式與方法［M］.顧佩華，沈民奮，陸小華譯.北京：高等教育出版社，2009.

［5］劉莫塵，劉曉松.提高“自動(dòng)控制原理”教學(xué)效果的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012（7）：103.

［6］李濤.基于Matlab自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.科技信息，2012（5）：264-265.

［7］夏靜萍，王瑛.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究—基于實(shí)物命題的遞進(jìn)式教學(xué)法［J］.實(shí)驗(yàn)室教學(xué)研究與探索.2013，32（12）：184-189.

［8］禹柳飛.CDIO模式下的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)改革實(shí)踐［J］.教育教學(xué)論壇，2014（9）：37-39.

Experimental Reform of Automatic Control Principle Based on CDIO Education Model

Liu Minghua， Wang Caixia
Northwest University for Nationalities， Lanzhou， 730030， China

CDIO engineering education model is the latest achievement of the interna-tional engineering education reform in recent years， and the principle requirements to improve the students' ability in a comprehensive way， such as engineering fundamentals knowledge， personal skills， teamwork skills， and engineering capability. Automatic Control Principle is the core course of the automation， and the experiment is the bridge between control theory and practical engineering. The introduce of CDIO education model to the experimental teaching of Automatic Control Principle will improve the professional quality of students comprehensively， by setting the actual engineering objects as experiment contents， integrating the different courses of professional knowledge， and foster innovation and communication skills of students，lay a solid foundation for the future work.

Automatic Control Principle； experimental reform； CDIO

2015-03-23

劉明華，碩士，講師。王彩霞，碩士，副教授。

本文受地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目：西北民族大學(xué)教改項(xiàng)目支持（編號(hào)：6146304）。