以《自动控制原理》实验改革入手，构建“1234”实践教学体系

文/姜文娟　张茂川　黄俊峰



以《自动控制原理》实验改革入手，构建“1234”实践教学体系

文/姜文娟张茂川黄俊峰

摘要:针对我院《自动控制原理》实验课程存在的问题，从实验内容、实验方式、实验考核等方面进行改革，并以此为契机，构建了课程的“1234”实践教学体系，提高了学生实践能力的同时，加强《自动控制原理》与其他控制类课程之间的“小综合”应用能力，为后续课程设计、毕业设计、科技活动等“大综合”应用能力打下坚实的基础。

关键词:自动控制原理;实验改革;实践教学体系

一、引言

《自动控制原理》课程是自动化专业和相近专业的核心课程，我院的《自动控制原理》课程为省级精品课程，本课程组承担着自动化专业、测控技术与仪器专业、热能与动力工程专业、建筑环境与设备工程专业、核电工程专业等的《自动控制原理》教学任务，每一学年，该门课程的讲授班级可以达到20个以上。

《自动控制原理》实验教学的主要任务是使学生通过实验进一步理解和掌握自动控制原理的基本概念、基本原理和控制系统的分析与设计方法，为从事控制工程的实践打下良好的基础。不仅如此该门课程的抽象理论多，只有通过实验才能加深学生对所学知识的理解，减轻或消除学习困难，还可以培养学生分析问题、解决问题的能力、实践动手能力、创新能力和自主学习能力，为实现应用创新型人才的培养目标提供保障。很多学校结合自身情况进行了实验课程的改革，取得了显著地效果［1－5］。

我院《自动控制原理》课程原有的实验项目是在ACT－I自控实验箱上开发完成，在实验内容、实验方式、考核方式等影响了实验教学的效果，制约着实验教学的发展，不能适应应用创新型人才的培养模式［6－7］。同时为了积极响应学校“272工程”提出的优质课程改革与建设工程实施方案，加强自动控制原理课程质量，同时提高学生学习的主动性和积极性，培养学生的探索意识和科研能力，增强学生的实践动手能力，从实验内容、实验方式、考核方式以及实验教材的编写等方面进行有针对性的改革，构建了“1234”的实践教学体系。

二、实验教学改革

1、实验内容的改革

我院原来的实验缺少根轨迹、离散系统和综合性、设计性实验。MATLAB作为先进的计算机仿真工具广泛应用在控制系统的仿真中［4］，并考虑将实验室现有的实验设备如倒立摆、水箱等纳入到新的实验项目中，将原有的内容进行整合和扩充，可以开设包括利用电子模拟实验箱进行电子模拟和运用仿真软件进行数字仿真的实验项目。改革后的实验内容，覆盖了《自动控制原理》课程的主要内容，具体实验项目如下:

实验一(验证性)典型环节和典型调节规律的模拟方法及动态特性

实验二(设计性)典型二阶系统的动态特性

实验三(验证性)调节系统的稳态误差分析

实验四(综合性)基于MATLAB的控制系统分析

实验五(综合性、设计性)控制系统的校正(设计了三个实验，可以选作)

实验六(综合性)非线性控制系统分析(设计了三个实验，可以选作)

实验七(综合性、设计性)离散控制系统分析

其中，实验一将原来的实验一和实验二的内容进行了整合;实验四为新设置的实验，涵盖了时域分析、根轨迹分析的MATLAB仿真，让学生从直观上感受参数变化对系统性能的影响;实验五为新设置的综合性和设计性的实验项目，主要是针对系统的设计设置的实验，旨在提高学生的分析问题和设计系统的能力;实验六增加了MATLAB进行相平面分析及描述函数法的实验项目，实验七为新设置的实验项目，针对离散系统进行仿真的实验项目。

调整后的实验项目内容上涵盖了《自动控制原理》课程的全部内容，使学生能够更全面的掌握该课程的内容。

2、对实验方式的改革

《自动控制原理》的实验方式从原先单一的基础验证性实验转变基础验证性、设计性实验、综合性实验项目、创新性实验项目相结合的实验体系;由原来的模拟实验改为仿真实验和模拟实验相结合的形式。

其中实验一、实验二、实验三、实验五和实验六的部分实验在模拟实验平台上实现，实验四、实验七、实验五和实验六的部分实验在仿真实验平台上实现。

实验方式的改革，利用先进的仿真软件实现对控制系统的仿真，充分体现了实验的时代性，更加激发学生的学习热情。

3、对考核方式的改革

在考核方式上，适当的增加实验考核成绩占总课程成绩的比重，将原有的实验成绩仅仅占总成绩的10%左右增加到20%。考核前，实验教师和理论教师对每个实验设计3－5个思考题;考核时，学生随机抽题，在10分钟内答完、上交;最后由实验教师给出实验成绩。将原来的出勤考核和提交实验报告的考核方式改变为以学生的考前预习、手动计算结果和计算机仿真结果、自我动手实践能力多者相结合的考核标准，提高了学生自主分析能力、综合设计能力和创新能力，从根本上调动了学生的学习积极性和主动性。

4、编写实验教材

为配合实验内容和实验方式的改革，根据我院的实际情况，由理论教师和实验教师共同编写了实验指导书，指导学生实验，并按照实验指导书进行实验预习，引发学生思考，提高学生的主动性和积极性。

三、“1234”实践教学体系的构建

在学校“272”工程的指导下，以提高教学质量为核心，以提高学生实践能力为目标，针对《自动控制原理》课程的实验内容、实验方式、实验考核方式和实验教材等方面进行有针对性的改革，形成了“一整体、二平台、三纵横、四层次”的实践教学体系，即以《自动控制原理》课程为专业基础，以《现代控制理论》、《计算机控制系统》和《过程控制》为后续的控制类课程体系，运用模拟实验和仿真实验2个平台，覆盖连续系统、非线性系统、离散系统(三纵)及时域分析法、频域分析法、根轨迹分析法(三横)内容，形成基础验证性、综合性、设计性、创新性四个层次实验。四个层次的实验项目除了常规的课程实验外，还包含以下环节:

( 1)综合性、设计性的课程设计:为提高学生的实践能力，自动化专业学生在学习完专业课程后，设置了专业方向课程设计，针对控制类课程设置了综合性和设计性题目。其中设置了7个与《自动控制理论》相关的设计题目，4个计算机控制类题目，1个过程控制类题目，对控制类课程内容进行了综合，提高了学生分析问题和解决问题的能力。

( 2)创新性实验项目:依托校大学生“综合性、设计性、研究性、自主开放型”实验项目和省大学生创新创业训练项目设置了创新性实验项目，为进一步提高学生的综合应用能力和实践能力打下良好的基础。

( 3)综合性、创新性的毕业设计题目:先进PID控制及应用等综合性、创新性设计题目，丰富了毕业设计内容，同时进一步加强了学生分析问题解决问题的能力。

( 4)丰富多彩的科技竞赛:以省级“大学生创新实践基地”为平台，以学院的“电子创新研究室”、“炎火工作室”、“机器人研究室”、“建模与仿真研究室”为依托，鼓励学生参加各种级别的课外科技活动，将所学知识与实际系统融会贯通，实现了创新性人才的培养。

这些内容都是“自动控制原理”课程理论知识的延伸和综合应用，课题组老师还要继续指导学生完成与课程内容相关的题目，积累素材，丰富理论授课、实验和课程设计的内容，逐步形成“基础验证性、综合性、设计性、创新性”四个层次、“横向覆盖、纵向贯通”的实践教学内容。

四、结束语

通过对《自动控制原理》实验课程改革，构建了“一整体、二平台、三纵横、四层次”的实践教学体系，营造了多样化、多层次的实践教学环境，将理论与实践的有机结合，促进学生控制知识的内化，提高学生分析问题、解决问题的能力和实践能力，启发学生的创新思维。同时加强了《自动控制原理》与其他控制类课程之间的“小综合”应用能力，为后续课程设计、毕业设计、科技活动等“大综合”应用能力打下坚实的基础。

(作者单位:东北电力大学自动化工程学院)(作者单位:廊坊师范学院社会发展学院)

教改项目:吉林省高等教育教学研究课题: No．吉教字［2012］45

参考文献:

［1］王永川，李小民，江涛．自动控制原理设计性实验教学探讨．电气电子教学学报，2009，31 ( 1) : 10－12．

［2］孙洁．“自动控制原理”实验教学改革的实践．电气电子教学学报，2009，31 ( 6) : 69－70．

［3］鄢圣茂，宋立忠．“自动控制原理”实验教学研究与实践．中国电力教育，2011 ( 27) : 137－139．

［4］刘金颂，张庆阳，苏晓峰，杨蕾．Matlab软件在自动控制原理实验中的应用．实验技术与管理，2014，31 ( 6) : 138－140，145

［5］高宏岩，张开如．自动控制原理模块化实验教学模式研究．实验科学与技术，2014，12 ( 6) : 62－65

［6］王伯庆．工程专业生源及新生适应性分析．高等工程教育研究，2013，( 6) : 33－39

［7］刘小河，马洁，管萍，付兴建，刘丽华．自动化专业“四位一体”的实践教学体系构建研究．实验技术与管理，2014，31 ( 10) :27－30

作者简介:姜文娟( 1979－)，女，讲师，在读博士，研究方向:控制理论及应用。

中图分类号:G642

文献标志码:A

文章编号:2095－9214 ( 2015) 08－0095－02