《控制理論》課程柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探討

王偉

摘要：本文主要討論在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。論文分析了《控制理論》課程的教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)和經(jīng)典控制實(shí)驗(yàn)的過程特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和實(shí)施目標(biāo)中引入一定的柔性設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明這種嘗試發(fā)揮了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提高了學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）14-0259-03

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新的歷史階段，高校的人才培養(yǎng)要符合創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。為此，很多教育工作者都做出了不懈的努力[1-3]。本文討論的是本校電類專業(yè)試點(diǎn)班《控制理論》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。試點(diǎn)班學(xué)生的特點(diǎn)是素質(zhì)高、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)。試點(diǎn)班學(xué)生培養(yǎng)的宗旨是培養(yǎng)高水平的科學(xué)家和工程師，在培養(yǎng)過程中崇尚“做中學(xué)、探中學(xué)”的教育理念和“交叉·融合·體驗(yàn)·自主”的指導(dǎo)思想。根據(jù)試點(diǎn)班學(xué)生的培養(yǎng)宗旨和教育理念及指導(dǎo)思想，《控制理論》課程教學(xué)的特點(diǎn)是：理論課程強(qiáng)度大、實(shí)驗(yàn)教學(xué)占比高，對(duì)學(xué)生掌握和運(yùn)用課程知識(shí)的要求高。在實(shí)驗(yàn)占比高的高素質(zhì)學(xué)生課程教學(xué)中，如何充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)中的作用，是本論文探討的主要問題。

一、課程教學(xué)的總體安排

該課程共64學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容分經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制兩個(gè)部分，分別為34和30學(xué)時(shí)。課程的經(jīng)典控制教學(xué)部分由理論教學(xué)、示范實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)部分組成，這三部分學(xué)時(shí)占比分別為56%、17%和28%。在經(jīng)典控制教學(xué)中，總的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占比高達(dá)44.5%，而在普通班的經(jīng)典控制教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占比一般為總課時(shí)的9.4%-12.5%。從上述數(shù)據(jù)可以看出：試點(diǎn)班的《控制理論》課程特點(diǎn)是單位學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)習(xí)內(nèi)容強(qiáng)度大、實(shí)驗(yàn)占比高，更加注重學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，充分體現(xiàn)了“做中學(xué)”的教育理念。

二、隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)和要求。本文討論的隨動(dòng)系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)為《控制理論》課程中經(jīng)典控制教學(xué)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，旨在通過該實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練使學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論的分析和設(shè)計(jì)方法，并能將這些方法應(yīng)用到實(shí)際控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和性能調(diào)試中。對(duì)應(yīng)經(jīng)典控制理論教學(xué)，該隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求是學(xué)生能夠運(yùn)用經(jīng)典控制理論分析和設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)際隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模、性能測(cè)試和分析，然后根據(jù)隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合適的校正裝置，使得校正后的隨動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到隨動(dòng)性能的要求。與普通班實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求相比，該實(shí)驗(yàn)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力和解決實(shí)際控制系統(tǒng)問題的能力。普通班的實(shí)驗(yàn)由于時(shí)間上的限制，一般強(qiáng)調(diào)的是對(duì)局部知識(shí)的驗(yàn)證和掌握。本實(shí)驗(yàn)則是研究一個(gè)整體的控制系統(tǒng)，大跨度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、通過測(cè)試各環(huán)節(jié)輸入輸出特性獲得數(shù)學(xué)模型的參數(shù)；（2）通過測(cè)量不同系統(tǒng)參數(shù)下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，來分析系統(tǒng)的特性；（3）設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)，通過電阻電容和運(yùn)算放大器來物理實(shí)現(xiàn)校正環(huán)節(jié)，經(jīng)過理論設(shè)計(jì)和在線調(diào)試的迭代過程，使得整個(gè)反饋系統(tǒng)滿足隨動(dòng)性能要求。該實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中有很強(qiáng)的系統(tǒng)觀念。作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的隨動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)際的模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)模型只能在一定程度上描述真實(shí)系統(tǒng)，也就是說學(xué)生面臨的控制對(duì)象不再是理論學(xué)習(xí)中由數(shù)學(xué)模型方程描述的理想線性系統(tǒng)，而是一個(gè)具有死區(qū)和飽和等現(xiàn)象的真實(shí)物理系統(tǒng)。校正環(huán)節(jié)的RC網(wǎng)絡(luò)物理實(shí)現(xiàn)，也只能在有限的電阻值和電容值中選擇。如何正確認(rèn)識(shí)理想系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)的差異，在現(xiàn)實(shí)約束條件下，成功實(shí)現(xiàn)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的校正控制，是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需要有比較強(qiáng)的系統(tǒng)觀念和分析處理實(shí)際控制系統(tǒng)問題的綜合能力。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充。

2.柔性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。一般在普通班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由教師設(shè)計(jì)好具體的實(shí)驗(yàn)步驟和要填的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班地執(zhí)行實(shí)驗(yàn)、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)結(jié)論并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告?？紤]到試點(diǎn)班學(xué)生素質(zhì)高、自學(xué)和主動(dòng)工作能力強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排是設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，具體實(shí)驗(yàn)過程、測(cè)試手段和校正方案設(shè)計(jì)可以一定程度上由學(xué)生自主選擇或者設(shè)計(jì)。例如，校正方案中采用哪種校正網(wǎng)絡(luò)、PID校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定使用哪種方法可以由學(xué)生自主決定。具體實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量方法，學(xué)生可以采用指導(dǎo)書上的方案，也可以使用自己設(shè)計(jì)的測(cè)量方案；仿真輔助設(shè)計(jì)采用的軟件和方案也可由學(xué)生自主選擇。指導(dǎo)老師給出實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)的大致過程，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力來選擇系統(tǒng)建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)過程方案，也就說在滿足實(shí)驗(yàn)最基本的要求下，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和工作量是柔性的。這樣的柔性實(shí)驗(yàn)安排，可以給有興趣并且能力較強(qiáng)的學(xué)生充分的自由發(fā)揮空間，最基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求保證學(xué)生完成最基本的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3.柔性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由以下幾個(gè)部分組成：

（1）理解系統(tǒng)各模塊的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量系統(tǒng)各模塊的輸入輸出特性，確定模塊數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，最終獲得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。其中對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、模型參數(shù)擬合，學(xué)生們可以自己選擇軟件工具，如可以選MATLAB或者Origin軟件。要求學(xué)生們能夠分析出數(shù)學(xué)模型的大致適用范圍。學(xué)生也可以自己設(shè)計(jì)測(cè)量方法完成各環(huán)節(jié)輸入-輸出特性的測(cè)量。例如對(duì)于電機(jī)速度的測(cè)量，學(xué)生可以選擇或自主設(shè)計(jì)測(cè)量方法。

（2）調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)值，測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，理解系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為后續(xù)的系統(tǒng)校正參數(shù)調(diào)試打下基礎(chǔ)。通過性能測(cè)試讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)對(duì)象的電路特點(diǎn)，理解性能測(cè)量方法原理和測(cè)量波形的形狀。學(xué)生可以通過調(diào)試參數(shù)了解系統(tǒng)的性能，如臨界穩(wěn)定狀態(tài)、臨界阻尼狀態(tài)等，學(xué)生也可以根據(jù)自己的設(shè)想，驗(yàn)證在理論課所學(xué)的線性系統(tǒng)原理。

（3）進(jìn)行校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)和在線調(diào)試，使系統(tǒng)達(dá)到隨動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。要求學(xué)生必做的是超前校正和PID校正的設(shè)計(jì)與調(diào)試。在校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，學(xué)生可以用理論課所學(xué)的計(jì)算方法、仿真軟件輔助設(shè)計(jì)方法或者參考文獻(xiàn)上學(xué)習(xí)的任何方法來確定系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在線調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)的策略也可以自己選定和設(shè)計(jì)。

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫。學(xué)生在查閱文獻(xiàn)、獨(dú)立思考和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施的基礎(chǔ)上，闡述實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)過程、歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)報(bào)告沒有統(tǒng)一的格式要求，學(xué)生可以根據(jù)自己的獨(dú)立思考，撰寫有特色的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

從上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求看，任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都有學(xué)生必做的基本部分，也有學(xué)生可以按興趣做的擴(kuò)充部分，體現(xiàn)了柔性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。學(xué)生可以根據(jù)自己的可用時(shí)間、興趣、能力，做自己設(shè)想的實(shí)驗(yàn)，撰寫具有特色的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。任何自主提出的實(shí)驗(yàn)想法和實(shí)施方法，都會(huì)在實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)估中有加分。

4.柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方式。柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式采用課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)和自學(xué)相結(jié)合的方式。課堂教學(xué)主要是用多媒體技術(shù)講解隨動(dòng)系統(tǒng)的組成、原理，給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)的總體目標(biāo)、課程實(shí)驗(yàn)的大致步驟和要求，以及可以深入研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各種可能性。教師還為學(xué)生提供課外參考學(xué)習(xí)文獻(xiàn)，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)和思考問題的范圍，為提高學(xué)生思維的系統(tǒng)性提供基礎(chǔ)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，查閱并自學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)資料以及相關(guān)仿真軟件工具的使用，研討隨動(dòng)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)則要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)的所有操作，如測(cè)試系統(tǒng)性能測(cè)試，校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)、在線調(diào)試和性能測(cè)試。為了更好地支持有興趣的學(xué)生嘗試新的實(shí)驗(yàn)方案，除了按照傳統(tǒng)方式為學(xué)生安排課時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室還為學(xué)生提供開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間，只要學(xué)生預(yù)約，學(xué)生可以在課時(shí)外的時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。

5.實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)估。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)評(píng)估通常是檢查學(xué)生完成固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的程度。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，在柔性實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和能力的不同，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和深度可以有所不同，成績(jī)?cè)u(píng)估方式更具有開放性。柔性實(shí)驗(yàn)的評(píng)估方式包括二個(gè)方面，一是評(píng)估學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本目標(biāo)的完成情況，如傳遞性能基本測(cè)試、系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)性能的基本測(cè)試和校正網(wǎng)絡(luò)的基本設(shè)計(jì)和調(diào)試；二是評(píng)估學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的自主設(shè)計(jì)和工作主動(dòng)性，主要是看學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性理解認(rèn)識(shí)，評(píng)估學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)能力及實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新能力。

三、柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析與思考

經(jīng)過三屆試點(diǎn)班實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐，結(jié)果表明：上述柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力。比如，有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中提出了自己的確定校正電路參數(shù)的計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)過程，也有學(xué)生提出了自己的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方案。這種柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)一定程度培養(yǎng)了學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

在本文討論的教學(xué)對(duì)象范圍內(nèi)，學(xué)生的基本狀態(tài)是求知欲強(qiáng)、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、認(rèn)真預(yù)習(xí)，努力實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)要求。學(xué)生的能力和興趣差異決定了學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)的不同狀態(tài)，一部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)非常主動(dòng)、努力，一部分學(xué)生由于興趣方向和對(duì)自己職業(yè)方向設(shè)計(jì)的不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)精力的投入有限；試點(diǎn)班學(xué)生是差異化的，高素質(zhì)學(xué)生各具特點(diǎn)，在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程實(shí)踐的興趣、盡量挖掘?qū)W生的潛能同時(shí)，包容學(xué)生有不同節(jié)奏的認(rèn)知發(fā)展過程和對(duì)培養(yǎng)領(lǐng)域的不同學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)造寬松、柔性的學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)于培養(yǎng)人格健全的高素質(zhì)人才也是不可缺少的。最基本的實(shí)驗(yàn)要求，是對(duì)由于各種原因?qū)?shí)驗(yàn)投入精力有限的學(xué)生的包容。雖然實(shí)驗(yàn)沒有提供非常剛性的要求，但大部分同學(xué)都對(duì)實(shí)驗(yàn)做了認(rèn)真、積極主動(dòng)的實(shí)踐努力，體現(xiàn)了試點(diǎn)班學(xué)生學(xué)習(xí)的潛能和主動(dòng)性。特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣高、能力比較強(qiáng)的學(xué)生，柔性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式為他們提供了自由發(fā)揮的空間。這些學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)和學(xué)習(xí)使用相關(guān)軟件工具，嘗試了課堂教學(xué)范圍以外的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。學(xué)生們提出的好的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法可以在下一屆實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)主體由參與教學(xué)的老師和學(xué)生共同組成。

試點(diǎn)班的柔性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新的教學(xué)理念的實(shí)踐，試點(diǎn)班學(xué)生的高強(qiáng)度重實(shí)踐的教學(xué)模式的形成是教學(xué)過程和學(xué)生學(xué)習(xí)需求的一種不斷磨合過程。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要求學(xué)生表述自己的實(shí)驗(yàn)收獲和感想，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式和實(shí)驗(yàn)安排提出反饋和改進(jìn)意見。實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法會(huì)根據(jù)學(xué)生的反饋不斷調(diào)整。每屆學(xué)生的選課情況都會(huì)有所變化，適時(shí)收集學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)安排的反饋意見，是適配學(xué)生學(xué)習(xí)需求的保證措施。

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