以《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)改革入手，構(gòu)建“1234”實(shí)踐教學(xué)體系

文/姜文娟　張茂川　黃俊峰

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以《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)改革入手，構(gòu)建“1234”實(shí)踐教學(xué)體系

文/姜文娟張茂川黃俊峰

摘要:針對(duì)我院《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)考核等方面進(jìn)行改革，并以此為契機(jī)，構(gòu)建了課程的“1234”實(shí)踐教學(xué)體系，提高了學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，加強(qiáng)《自動(dòng)控制原理》與其他控制類課程之間的“小綜合”應(yīng)用能力，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技活動(dòng)等“大綜合”應(yīng)用能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)控制原理;實(shí)驗(yàn)改革;實(shí)踐教學(xué)體系

一、引言

《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化專業(yè)和相近專業(yè)的核心課程，我院的《自動(dòng)控制原理》課程為省級(jí)精品課程，本課程組承擔(dān)著自動(dòng)化專業(yè)、測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)、熱能與動(dòng)力工程專業(yè)、建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)、核電工程專業(yè)等的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)任務(wù)，每一學(xué)年，該門課程的講授班級(jí)可以達(dá)到20個(gè)以上。

《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)是使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解和掌握自動(dòng)控制原理的基本概念、基本原理和控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，為從事控制工程的實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。不僅如此該門課程的抽象理論多，只有通過實(shí)驗(yàn)才能加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，減輕或消除學(xué)習(xí)困難，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)提供保障。很多學(xué)校結(jié)合自身情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)課程的改革，取得了顯著地效果［1－5］。

我院《自動(dòng)控制原理》課程原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在ACT－I自控實(shí)驗(yàn)箱上開發(fā)完成，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式、考核方式等影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，制約著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，不能適應(yīng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式［6－7］。同時(shí)為了積極響應(yīng)學(xué)?！?72工程”提出的優(yōu)質(zhì)課程改革與建設(shè)工程實(shí)施方案，加強(qiáng)自動(dòng)控制原理課程質(zhì)量，同時(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的探索意識(shí)和科研能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式、考核方式以及實(shí)驗(yàn)教材的編寫等方面進(jìn)行有針對(duì)性的改革，構(gòu)建了“1234”的實(shí)踐教學(xué)體系。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

我院原來的實(shí)驗(yàn)缺少根軌跡、離散系統(tǒng)和綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。MATLAB作為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真工具廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)的仿真中［4］，并考慮將實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如倒立擺、水箱等納入到新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，將原有的內(nèi)容進(jìn)行整合和擴(kuò)充，可以開設(shè)包括利用電子模擬實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行電子模擬和運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行數(shù)字仿真的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，覆蓋了《自動(dòng)控制原理》課程的主要內(nèi)容，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下:

實(shí)驗(yàn)一(驗(yàn)證性)典型環(huán)節(jié)和典型調(diào)節(jié)規(guī)律的模擬方法及動(dòng)態(tài)特性

實(shí)驗(yàn)二(設(shè)計(jì)性)典型二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

實(shí)驗(yàn)三(驗(yàn)證性)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

實(shí)驗(yàn)四(綜合性)基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析

實(shí)驗(yàn)五(綜合性、設(shè)計(jì)性)控制系統(tǒng)的校正(設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以選作)

實(shí)驗(yàn)六(綜合性)非線性控制系統(tǒng)分析(設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以選作)

實(shí)驗(yàn)七(綜合性、設(shè)計(jì)性)離散控制系統(tǒng)分析

其中，實(shí)驗(yàn)一將原來的實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的內(nèi)容進(jìn)行了整合;實(shí)驗(yàn)四為新設(shè)置的實(shí)驗(yàn)，涵蓋了時(shí)域分析、根軌跡分析的MATLAB仿真，讓學(xué)生從直觀上感受參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響;實(shí)驗(yàn)五為新設(shè)置的綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要是針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生的分析問題和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力;實(shí)驗(yàn)六增加了MATLAB進(jìn)行相平面分析及描述函數(shù)法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)七為新設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容上涵蓋了《自動(dòng)控制原理》課程的全部?jī)?nèi)容，使學(xué)生能夠更全面的掌握該課程的內(nèi)容。

2、對(duì)實(shí)驗(yàn)方式的改革

《自動(dòng)控制原理》的實(shí)驗(yàn)方式從原先單一的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)體系;由原來的模擬實(shí)驗(yàn)改為仿真實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式。

其中實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)五和實(shí)驗(yàn)六的部分實(shí)驗(yàn)在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)七、實(shí)驗(yàn)五和實(shí)驗(yàn)六的部分實(shí)驗(yàn)在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)方式的改革，利用先進(jìn)的仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的仿真，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的時(shí)代性，更加激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3、對(duì)考核方式的改革

在考核方式上，適當(dāng)?shù)脑黾訉?shí)驗(yàn)考核成績(jī)占總課程成績(jī)的比重，將原有的實(shí)驗(yàn)成績(jī)僅僅占總成績(jī)的10%左右增加到20%?？己饲?，實(shí)驗(yàn)教師和理論教師對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3－5個(gè)思考題;考核時(shí)，學(xué)生隨機(jī)抽題，在10分鐘內(nèi)答完、上交;最后由實(shí)驗(yàn)教師給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。將原來的出勤考核和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核方式改變?yōu)橐詫W(xué)生的考前預(yù)習(xí)、手動(dòng)計(jì)算結(jié)果和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果、自我動(dòng)手實(shí)踐能力多者相結(jié)合的考核標(biāo)準(zhǔn)，提高了學(xué)生自主分析能力、綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，從根本上調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

4、編寫實(shí)驗(yàn)教材

為配合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式的改革，根據(jù)我院的實(shí)際情況，由理論教師和實(shí)驗(yàn)教師共同編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，引發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。

三、“1234”實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

在學(xué)?！?72”工程的指導(dǎo)下，以提高教學(xué)質(zhì)量為核心，以提高學(xué)生實(shí)踐能力為目標(biāo)，針對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)考核方式和實(shí)驗(yàn)教材等方面進(jìn)行有針對(duì)性的改革，形成了“一整體、二平臺(tái)、三縱橫、四層次”的實(shí)踐教學(xué)體系，即以《自動(dòng)控制原理》課程為專業(yè)基礎(chǔ)，以《現(xiàn)代控制理論》、《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》和《過程控制》為后續(xù)的控制類課程體系，運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)2個(gè)平臺(tái)，覆蓋連續(xù)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)(三縱)及時(shí)域分析法、頻域分析法、根軌跡分析法(三橫)內(nèi)容，形成基礎(chǔ)驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性四個(gè)層次實(shí)驗(yàn)。四個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目除了常規(guī)的課程實(shí)驗(yàn)外，還包含以下環(huán)節(jié):

( 1)綜合性、設(shè)計(jì)性的課程設(shè)計(jì):為提高學(xué)生的實(shí)踐能力，自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)完專業(yè)課程后，設(shè)置了專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)，針對(duì)控制類課程設(shè)置了綜合性和設(shè)計(jì)性題目。其中設(shè)置了7個(gè)與《自動(dòng)控制理論》相關(guān)的設(shè)計(jì)題目，4個(gè)計(jì)算機(jī)控制類題目，1個(gè)過程控制類題目，對(duì)控制類課程內(nèi)容進(jìn)行了綜合，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

( 2)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:依托校大學(xué)生“綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性、自主開放型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)置了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐能力打下良好的基礎(chǔ)。

( 3)綜合性、創(chuàng)新性的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目:先進(jìn)PID控制及應(yīng)用等綜合性、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)題目，豐富了畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

( 4)豐富多彩的科技競(jìng)賽:以省級(jí)“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地”為平臺(tái)，以學(xué)院的“電子創(chuàng)新研究室”、“炎火工作室”、“機(jī)器人研究室”、“建模與仿真研究室”為依托，鼓勵(lì)學(xué)生參加各種級(jí)別的課外科技活動(dòng)，將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際系統(tǒng)融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

這些內(nèi)容都是“自動(dòng)控制原理”課程理論知識(shí)的延伸和綜合應(yīng)用，課題組老師還要繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生完成與課程內(nèi)容相關(guān)的題目，積累素材，豐富理論授課、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，逐步形成“基礎(chǔ)驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性”四個(gè)層次、“橫向覆蓋、縱向貫通”的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)課程改革，構(gòu)建了“一整體、二平臺(tái)、三縱橫、四層次”的實(shí)踐教學(xué)體系，營(yíng)造了多樣化、多層次的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，將理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生控制知識(shí)的內(nèi)化，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和實(shí)踐能力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。同時(shí)加強(qiáng)了《自動(dòng)控制原理》與其他控制類課程之間的“小綜合”應(yīng)用能力，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技活動(dòng)等“大綜合”應(yīng)用能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(作者單位:東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院)(作者單位:廊坊師范學(xué)院社會(huì)發(fā)展學(xué)院)

教改項(xiàng)目:吉林省高等教育教學(xué)研究課題: No．吉教字［2012］45

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作者簡(jiǎn)介:姜文娟( 1979－)，女，講師，在讀博士，研究方向:控制理論及應(yīng)用。

中圖分類號(hào):G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－9214 ( 2015) 08－0095－02