基于差异化策略的自动控制课程设计探索

邓晓刚，杨明辉，王树斌

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东青岛266580)

“自动控制原理”是高校自动化类专业中一门非常重要的专业基础课程，是学生学习后续专业课程的基础［1]。为了加强学生对自动控制理论知识的深入理解，很多高校都安排了自动控制课程设计这一实践环节，该环节对提高学生的理论分析和工程实践能力具有积极意义［2]。近年来，我校自动化专业在自动控制课程设计教学过程中积极开展了许多探索工作。我们深入分析课程设计环节的特点和存在的问题，提出了一种基于差异化教学策略的课程设计模式。该模式将差异化教学思想渗透到课程设计过程中，对实验内容、实验对象、实验手段和考核方法进行全面深入的改革。实践结果表明了该模式的有效性。

1 课程设计教学思路

传统的自动控制课程设计教学方案主要有两种形式:仿真研究型和实验分析型。仿真研究型课程设计针对某被控对象的数学模型，通过Matlab等仿真软件进行仿真实验，开展控制系统的分析与综合研究。实验分析型课程设计是针对具体的小型实验装置，如小型直流电机等，设计模拟控制器或者数字控制器，实现对被控对象的闭环控制。

我校自动控制课程设计的教学方案基于软件与硬件相结合的思想，采用了仿真研究与实验分析相结合的做法，其流程图如图1所示。首先，选择实验室A3000水箱装置作为被控对象，要求学生测试双容水箱的对象特性，利用实验建模方法得到被控对象的数学模型。然后，根据“相似系统”的原理，使用实验室的电路实验箱搭建二阶模拟电路，实现对双容水箱的物理模拟。最后，基于Matlab软件设计控制器，利用NI数据采集卡构成负反馈控制系统，研究控制器参数变化对系统性能的影响，讨论控制系统的分析综合方法。

图1 自动控制课程设计的总体思路

在多年的课程设计教学过程中，我们发现主要存在如下问题:①如果所有学生面对相同的实验任务、实验内容和实验对象，就会导致实验结果基本一致，部分学生存在实验过程参考借鉴过多甚至抄袭实验结果的现象;②较多学生的实验结果局限于有限的仿真曲线或者实验测试曲线，无法将所学的理论知识和实际实验问题联系起来。

2 差异化教学策略应用于课程设计

2.1 差异化教学思想

差异化教学策略是一种先进的教学模式［4]，为我们解决自动控制课程设计教学实践中出现的上述问题提供了有力帮助。美国著名教育学家汤姆林森指出，“差异教学方式将学生的个体差异视为教学的组成要素，教师根据学生的准备水平、学习兴趣和学习风格设计教学内容，以适应学生之间的个别差异，从而最终促进每个学生的成长与进步”［5]。差异教学以学生个体为中心，强调人的自主性、整体性和独特性，与我国传统的因材施教教学思想有相通之处。

针对自动控制课程设计教学中的问题，我们借鉴差异化教学思想，提出一种基于差异化教学策略的自动控制课程设计新模式。该模式不但使得课程设计任务和内容具有层次化差异化，满足学生个体差异发展的需要，提高学生参与课程设计的积极性和主动性;并且，结合课程设计本身的特点，我们对差异化教学策略进行拓展，采用差异化的实验对象和多样化的课程设计手段，提高学生课程设计中的独立性，增强学生理论联系实际的能力。

2.2 课程设计任务的差异化

在差异化教学策略的指导下，课程设计的具体任务和教学内容应该体现出明显的层次性，从而满足不同能力学生学习的需求。因此，我们把课程设计实验内容分为如下三个层次。

(1)基础型实验—主要包括实验装置的机理建模、基于实验曲线的辨识建模、装置物理模拟和控制系统构建等;

(2)综合型实验—是课程设计的主要工作，该部分内容包括Matlab控制系统工具箱的使用、PID控制器的设计、控制器参数变化与根轨迹的关系、串联校正技术、控制系统的能控能观性分析和状态反馈控制器的设计等;

(3)提高型实验—其目的在于提高学生对自动控制系统的综合研究能力，包括最小拍控制器设计、纯滞后系统构建与控制和基于观测器的状态反馈控制等。

2.3 课程设计实验对象的差异化

(1)不同的实验装置—在有限的实验室装置中，为每组学生随机指定不同的双容水箱装置，不同装置的物理参数有一定差别，必然会带来不同的被控对象数学模型。

(2)不同的装置参数—在同一套实验装置，为每组学生设置不同的水箱出口挡板阀开度，从而使得每组学生测试得到不同的实验对象数学模型。

(3)不同的装置工作点—要求学生设置不同的工作点，双容水箱系统本身为非线性系统，选择不同的工作点会导致不同的近似线性模型。

虽然所有学生均针对双容水箱实验装置建立二阶被控系统作为实验对象，但是以上三种措施使得学生面临不同参数的二阶实验对象，做到实验对象相似而不相同。因此从根本上避免了设计方案和实验结果的雷同性，可以有效促进学生独立自主创造性的开展课程设计工作。

2.4 课程设计实验手段的多样化

针对学生无法有效联系控制理论与工程实际的问题，采用控制理论分析、数字仿真分析与实验测试验证多种不同实验手段相融合的课程设计模式，学生课程设计过程中做出的每条实验曲线，教师都要求其应用控制理论进行解释分析，同时通过Matlab控制系统工具箱进行仿真对照。

教师在课程设计中学生发现问题时不应直接解答，而是有意识引导学生结合理论概念进行思考分析，进一步利用Matlab仿真平台验证想法，并在模拟实验箱上进行测试，从而真正独立自主的发现问题、分析问题和解决问题。最后教师针对学生的问题，帮助其总结归纳分析，提炼使用控制理论分析解决实际控制问题的思路和步骤。

2.5 课程设计考核方式的综合化

自动控制课程设计的考核，不但要测评学生的最终实验报告，更重要的是要考查学生的课程设计过程和平时表现。因此课程设计成绩评定过程中采用综合化考核方式，平时表现、成果检查与总结报告按照一定比例(如3:4:3)构成课程设计成绩。

3 结语

近三年来，我们将上述差异化教学策略应用于自动控制课程设计的教学实践之中。教学过程中，每组学生分配到不同编号的实验装置，每个实验装置设置不同的参数，学生任意选择工作点，每组得到不同的实验结果，这样就使得学生必须独立自主的

进行课程设计。学生实验所有得到的曲线都要进行理论分析和仿真对比，尤其是对于实验结果与仿真结果差异较大的曲线，学生必须给出自己的解释。这样就使得学生必须认真对待每一个实验任务，也使得学生必须思考如何用控制理论来解释实验现象，将理论与实践相结合。教学实践的最终结果表明，这种课程设计模式很好的提高了学生的课程设计积极性，使得学生能够积极的思考如何将课堂理论与实验结果相融合。

［1] 肖理庆，李巍.自动控制原理实验教学改革［J] .南京:电气电子教学学报，2012，34(3):97-98

［2] 廖育武.自动控制系统课程设计新模式的探究［J] .南京:电气电子教学学报，2009，31(3):116-117

［3] 孟令雅.自动控制理论课程设计探索［J] .北京:实验技术与管理，2013，30(2):182-184

［4] 尹莹.基于多元智能理论的差异化教学探索［D] .上海:复旦大学，2011.

［5] 黄莹.英国差异化教学政策及策略研究［D] .上海:华东师范大学，2010.