便攜式演示實(shí)驗(yàn)在應(yīng)用型本科《自動(dòng)控制原理》課程中的應(yīng)用

郭卉

摘要：針對(duì)目前自動(dòng)控制原理理論教學(xué)中存在的教師講解難、學(xué)生理解難、理論聯(lián)系實(shí)際難的問(wèn)題，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，基于COM3Lab便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將課程中的一些驗(yàn)證、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)引入理論教學(xué)中進(jìn)行演示，將抽象的理論知識(shí)具象化，加深學(xué)生對(duì)理論的理解同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，演示實(shí)驗(yàn)可有效提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度。

1.引言

《自動(dòng)控制原理》是自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性、工程性、綜合性、方法性及實(shí)踐性，知識(shí)容量多、理論極具抽象性。課程本身對(duì)于學(xué)生的預(yù)備知識(shí)的要求較高，教師講解時(shí)難度較大，學(xué)生難以掌握。演示實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生理解抽象概念的重要途徑，常用于物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)中，自動(dòng)控制原理等專業(yè)基礎(chǔ)課中則較少用到，本文從自動(dòng)控制原理理論教學(xué)現(xiàn)狀和問(wèn)題出發(fā)，介紹COM3Lab便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在自動(dòng)控制原理課程中的應(yīng)用。

2.應(yīng)用型人次培養(yǎng)目標(biāo)與自動(dòng)控制原理課程理論教學(xué)現(xiàn)狀的矛盾

我校是教育部批準(zhǔn)的第一所應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，自動(dòng)化專業(yè)是我校首批三個(gè)招收本科生的專業(yè)之一。主要面向裝備制造業(yè)及新能源產(chǎn)業(yè)，服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)需要，旨在培養(yǎng)能勝任現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化工程相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)改造、應(yīng)用轉(zhuǎn)化、運(yùn)行管理等工作的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化工程師。

自動(dòng)控制原理是學(xué)習(xí)學(xué)生控制理論的第一門(mén)課程，直接影響后續(xù)相關(guān)專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)效果，以及學(xué)生解決控制領(lǐng)域相關(guān)工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)，具有舉足輕重的地位。目前理論教學(xué)中，教師的教學(xué)重點(diǎn)往往為共性的理論知識(shí)，脫離了具體實(shí)際的應(yīng)用，無(wú)法達(dá)到提高學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的教學(xué)目標(biāo)。課上教師通常以完成教學(xué)任務(wù)為目標(biāo)，采用課堂講授輔以PPT、動(dòng)畫(huà)等信息化手段的授課方式，形式單一。學(xué)生無(wú)法理解基本概念，應(yīng)用更無(wú)從談起，課上大部分時(shí)間做筆記，與老師交流甚少。隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷推進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣逐漸衰減，學(xué)習(xí)動(dòng)力嚴(yán)重不足，直接影響了最終的學(xué)習(xí)效果，與我校應(yīng)用型現(xiàn)場(chǎng)工程師的培養(yǎng)目標(biāo)相悖，亟待尋求有效的方式方法解決學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解不足，興趣寡淡的問(wèn)題。

3.COM3Lab便攜式實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)課堂的理論教學(xué)實(shí)踐嘗試

基于以上問(wèn)題，我們走訪國(guó)內(nèi)外多所應(yīng)用型高校，對(duì)學(xué)校相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、理論基礎(chǔ)課程的教學(xué)大綱、授課方式展開(kāi)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)課堂演示實(shí)驗(yàn)在新知識(shí)點(diǎn)的授課過(guò)程中能夠有效加深學(xué)生的理解度。因此在我校18級(jí)自動(dòng)化專業(yè)自動(dòng)控制原理的理論課中開(kāi)展了演示性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐改革，選用德國(guó)萊寶公司的COM3Lab便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

COM3Lab實(shí)驗(yàn)箱由實(shí)驗(yàn)電子板、主單元及交互學(xué)習(xí)軟件三部分組成。驗(yàn)電子板為不同的學(xué)習(xí)領(lǐng)域提供清晰的結(jié)構(gòu)化課程，面板上既有現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)元件，也有可視化的原理圖，幫助學(xué)生建立起理論與實(shí)際之間的聯(lián)系。主單元兼容所有的實(shí)驗(yàn)電子板，為其提供電源、儀器儀表及通訊接口等。交互式學(xué)習(xí)軟件中包含理論學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，方便學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前的理論知識(shí)儲(chǔ)備。課上教師可在電腦上安裝交互式學(xué)習(xí)軟件，投屏進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)規(guī)律，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

3.1 演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

課程根據(jù)教學(xué)大綱以及實(shí)驗(yàn)箱中的模塊，為突破教學(xué)中理論學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)，共設(shè)計(jì)了3個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)共計(jì)8個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)是學(xué)生理解被控對(duì)象自身特性的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了燈光控制系統(tǒng)、積分環(huán)節(jié)、一階及二階系統(tǒng)的輸入輸出特性分析四個(gè)演示實(shí)驗(yàn);穩(wěn)態(tài)性能分析知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了0型、I型及II型系統(tǒng)輸入輸出特性分析實(shí)驗(yàn);PID控制作為連續(xù)控制中應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，選取溫度、速度、光強(qiáng)三種負(fù)反饋控制系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓學(xué)生自己通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)規(guī)律，并與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，幫助學(xué)生搭建起理論與實(shí)踐的橋梁。

3.2 燈光控制系統(tǒng)輸入輸出特性分析演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程

比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化。它的微分方程可總結(jié)為：

（1）

式中，c（t）是環(huán)節(jié)的輸出量;r（t）是環(huán)節(jié)的輸人量;K為常數(shù)，稱為比例系數(shù)或增益。比例環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線為一條幅值為k的直線。

隨堂教學(xué)中，教師需要進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將實(shí)驗(yàn)箱立于講臺(tái)，給學(xué)生指明需要用到的實(shí)驗(yàn)?zāi)K位置，模塊中包含被控對(duì)象LED燈以及檢測(cè)元件光敏二極管。將安裝有交互軟件的電腦連接至投影儀，教師根據(jù)接線圖接線，運(yùn)行得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。過(guò)程中，教師讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并總結(jié)出該系統(tǒng)中被控對(duì)象輸入輸出之間關(guān)系近似比例的結(jié)論，從而讓學(xué)生將理論與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的求知欲。課后，感興趣的同學(xué)也可以進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，在教師指導(dǎo)下操作實(shí)驗(yàn)箱，開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面。

3.3 教學(xué)效果

我們將18級(jí)自動(dòng)化期末考試中涉及演示性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的題目得分情況與17級(jí)自動(dòng)化學(xué)生進(jìn)行了對(duì)比，理論教學(xué)中加入演示實(shí)驗(yàn)后，涉及的各知識(shí)點(diǎn)學(xué)生平均分均有所提高，典型環(huán)節(jié)輸入輸出特性知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生平均成績(jī)提高了16%;穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生平均成績(jī)提高了19%;PID控制規(guī)律知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生平均分提高了30%，效果比較顯著。

4.結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用型人才培養(yǎng)過(guò)程中，理論教學(xué)如何更好的促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力提升直接影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。這要求我們?cè)谶M(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮理論教學(xué)的實(shí)用性，還要考慮如何提升理論教學(xué)的效果。便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)課堂無(wú)疑是解決理論教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)的有效途徑之一，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，理論教學(xué)中開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趯W(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)及時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到鞏固，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升內(nèi)驅(qū)力，培養(yǎng)學(xué)生的分析應(yīng)用等高階能力。

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天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目：《自動(dòng)控制原理》，項(xiàng)目編號(hào)：ZDKC2020-B1202