“自动控制原理”实验教学模式改革与探索

逄　鹏　魏喜雯

(黑龙江工业学院 电气与信息工程系，黑龙江 鸡西 158100)



“自动控制原理”实验教学模式改革与探索

逄鹏魏喜雯

(黑龙江工业学院 电气与信息工程系，黑龙江 鸡西 158100)

摘要：针对“自动控制原理”实践环节中存在的问题，探讨实验教学的改革措施，包括优化实验内容、改革实验手段和完善考评体系。在实验内容方面，引入Matlab仿真建立控制系统，参数易修改，可直观得到实验结果；在实验手段上，将实验分为三个层次，即验证性、设计性、综合性实验，三层次实验逐层递进；在考评体系方面，详细阐述各实验层次的权重比例及分值分配，并将实验成绩纳入最终期末总评。实践表明，该实践教学模式有助于培养学生的创新能力和工程意识，强化了学生对“自动控制原理”基础知识的理解，提高了学生的分析设计控制系统能力。

关键词：自动控制原理；实验教学；教学改革；实验模式

“自动控制原理”是工业控制的核心理论基础，是电气工程及其自动化、测控技术与仪器、自动化、电子信息工程等专业的核心基础课程。课程具有内容涵盖领域宽泛、理论性较强、概念抽象、不易掌握等特点。“自动控制原理”涵盖对象建模、信息控制、系统工程等方面的内容，与其存在紧密联系的内容包括网络通信、执行驱动、传感检测、信息处理等。由于其理论性强、内容抽象等特点，在学习过程中很容易造成理论脱离实际，所以在理论教学过程中，必须依靠相应的实验来支撑理论教学中的重点内容[1]。学生可以通过实践教学环节，加深对控制理论的机理性理解，激发学习热情，培养创新思维，提高学习效能。

目前，高等学校“自动控制原理”实验通常采用模拟电路实验箱完成，其内部包含诸多模拟器件构成的典型环节，最终通过示波器观测系统的相应曲线及各种性能指标。这种经典的实验模式内容老化、形式单一，实验设备高度集中，拓展性差，无法开展项目设计型实验研究，实验过程中学生缺乏对系统的本质理解，被动地连接电路，无法调整参数。

针对上述实验方法的不足之处，对实验内容及方式进行改革。一方面，利用Matlab仿真完成。Matlab仿真工具具有可视化建模和仿真模拟功能，将Matlab融入到“自动控制原理”的实践环节，为“自动控制原理”实践教学环节提供了有力保证。Matlab的自动控制原理实验既满足了学生对理论知识的深化，又培养了学生的创新思维和逻辑分析能力。另一方面，整合现有实验室资源，设计综合性实验，提高学生分析设计控制系统的综合实践技能。在此基础上优化实验内容，并将实验分为三种梯度模式——实验整体架构由验证性实验过渡到设计性实验，最后完成综合性实验，逐层递进。此种举措有效适应了“自动控制原理”的课程特点，对“自动控制原理”的学习有极大的促进作用。

1优化实验内容

实验教学既要培养学生分析问题解决问题的能力，又要兼顾思维能力和创新能力的培养。实验教学首先是对学生动手能力的培养，通过实验，学生能够掌握仪器、仪表的使用方法及注意事项，并通过实验教学环节正确合理地获取实验数据。其次，通过实验，验证所学的理论，理解理论的深刻内涵，培养分析问题、解决问题的能力。再次，按照教学内容完成设计性实验，提出自己的新见解，进一步拓展思维，提高创新能力。最后，能够综合运用所学的专业知识，全面提高学生的综合素质，为后续学习和将来工作培养分析问题、解决问题的能力。目前实验教学过程中学生只关心实验参数能否满足要求的实验结果，而不是实验参数是否合理，实验过程中很难建立基本的工程意识，实验积极性不高，实验效果一般。学生单纯为了完成教师给定的实验任务，甚至抄袭他人结果，产生实验挫败感，失去实验的兴趣[2]。分析原因，实验内容不精练是主要原因之一，因此，优化实验内容的改革势在必行。

结合“自动控制原理”的课程属性，把对实验教学大纲的优化转变作为着力点，逐步精炼每一个实验环节的内容，在教学计划制定中，进一步权衡知识的基础性和实效性，重新考量传统的实验方案，实验内容进一步优化，夯实基础理论实验步骤，加强设计性、综合性实验所占的比重，并且利用学校现有的开放实验室设置开放性实验。所有实验都以课程教学大纲为指导，根据专业的差异性，教学大纲在重难点设置时应有所倾向，对过去的实验内容要重新考量，坚决摒弃实效性不强的实验内容、方法和手段；加入实效性强、应用价值高、社会效能大的前沿性实验内容[3]。设计性、综合性实验是以既定的实验目的和现有的开放实验室为基础，让学生充分发挥主观能动性，自主设计整个试验流程方案并实施，通过实验可以训练学生的综合创新能力，充分提高学生的综合素质。

2构建多层次实验模式

实验教学不单纯是验证理论知识和锻炼动手能力的过程，而是一个理论伴随实践升华的过程。其目的是在实践过程中整合知识、体验创造、发散思维，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。就此将自动控制原理实验教学模式分为三个层次，三个层次重点内容分布得当，由验证实验到系统设计，再由系统设计到综合提高，实现控制系统的递进式实践教学模式。递进式实验模式如图1所示。

2.1验证性实验

验证性实验是按着实验指导书上的要求，逐步完成每一个实验步骤，最终通过分析实验结果，验证实验结果与理论知识的一致性。验证性实验使学生对抽象化的理论有更深层次的领会，同时强化了实验的基本操作技能和实验数据处理与分析的能力。验证性实验主要包括典型环节及阶跃响应实验、二阶系统阶跃响应实验、频率特性实验、控制系统稳定性分析[4]；验证性实验主要通过实验箱上的电阻、运算放大器、电容等模拟器件构成增益、积分、微分、惯性等典型环节来实现的。按照实验指导书的实验步骤接线，并通过示波器观测系统的响应曲线和各种性能指标。验证性实验简单、直观、容易实现，针对不同专业、不同授课计划可从上述实验中选做其中的部分实验。

2.2设计性实验

验证性实验仅是对抽象理论的验证，实验指导书中的步骤决定了验证性实验简单易行，在实验过程中学生缺乏自主设计环节，只要单纯地按步骤接线都可获得相应的理想结果。为了弥补验证性实验的不足，补充设计性实验。设计性实验指给定实验目的、要求和实验环境，学生自主设计实验的每一个环节并能够实现。设计性实验应遵循基础性、探索性、应用性三个基本原则。基础性是指所设置的实验内容及其原理应以学生现阶段的基础知识为核心；探索性是指在超出所学基础知识的一定范围内，能够充分根据设计性实验的要求和目的主动探索实验方法；应用性是指学生能够对设计性实验在实际工程领域的应用有一定的了解，以实际应用案例来鞭策学生的积极主动性，充分发挥自身潜能[5]。设计性实验主要是完成控制系统设计与分析，如应用根轨迹法、频率响应法完成实验。以根轨迹法为例加以说明。

实验目的和要求：

(1)掌握Matlab绘制根轨迹的方法；

(2)观察K值变化对系统稳定性的影响；

(3)掌握系统临界稳定情况下K值的求取；

(4)了解零点存在给系统稳定性带来的影响及改善系统稳定性的方法。

设计性实验的各个环节，学生能根据所学的理论知识进行原理分析和系统设计，在实验的各个环节都能充分彰显学生的自主性，有效提高了实验效能。

2.3综合性实验

综合性实验是结合实际工程背景建立在设计性实验之上的一个实验过程，被控对象通常选取应用性较强的实物，实验过程中需综合运用自动控制原理的相关知识并能够有效结合本专业的其他专业课程，完成自动控制系统的分析和设计。实验设计过程中要求具备一定的自主性，学生自己选题，自己设计整个实验方案，自主选择实验时间，并撰写实验成果报告，成果报告可以以小组讨论形式汇报给大家。在实验过程中，指导教师主要提供基础理论的支持。综合性实验对实验的建模方法、控制方式、控制装置、实现手段都不予以限制约束。综合性实验不占实验总学时，学生只要在理论课程的授课学期内完成即可。根据学校现有实验设备情况，能实现的综合性实验项目包括：锅炉温度控制系统实验、直流电机速度控制实验、倒立摆控制系统实验。学生可查阅自动检测技术、运动控制系统、传感器技术、过程控制系统等相关资料完成综合性实验项目。综合性实验的设置能充分发挥学生的主观能动性，有利于培养学生的创新思维和独立的实验思考能力。通过控制系统的分析、设计、调试等一系列环节，深化了实验者对控制系统的理解，有效地培养了学生的工程意识和自主创新能力。

3完善考核办法

考核方式在教育模式中占据着重要地位。考核方式决定着教学方法。长期以来完全依靠期末一张考试卷评价学生存在着严重的缺陷，不能够客观地评价一个学生对知识的掌握程度[6]。在培养高素质创新型人才的新形势下，如何进一步培养学生的综合能力及创新能力，不仅要在实验内容和实验层次上改革，更需要建立科学合理的考评体系。考评体系应当能有效地促进学生创造力的发挥，有创造性就应该提高评价等级。根据实验的课时及课程的教学要求，我们建立了科学合理的考核办法，将实验成绩最后纳入自动控制原理的总成绩。在这里，实验成绩以百分制核算，包括：(1)实验预习10分：按要求预习，填写实验预习报告；(2)整个实验过程的操作及规范程度50分：是否能独立完成实验，实验步骤是否规范，仪器操作是否规范等；(3)成果报告40分：主要考察实验报告的撰写规范程度，实验数据处理、误差分析、成果分析等是否规范。三个层次的实验，验证性实验占实验总数的50%，设计性实验占30%，综合性实验占20%。

4结论

为提高学生的实践应用能力及创新能力，就“自动控制原理”课程目前存在的问题，从优化实验内容、改革实验手段和完善考评体系等方面进行探讨，提出了相应的改革措施和手段。逐层递进的实验模式改革，有效地提高了学生的分析问题、解决问题的能力，对培养学生创新思维、激发学生学习兴趣有着很大的帮助，同时也为后续专业课程的学习奠定了扎实的基础。教学实践验证了改革与研究的有效性，真正做到了理论教学和实践教学的有机结合，收到了良好的教学效果。

参考文献：

[1]周武能,石红瑞.自动控制原理教学改革与实践[J].教学研究,2010,(1):63—66.

[2]夏静萍,王瑛.自动控制原理实验教学探究——基于实物命题的递进式教学法[J].实验室研究与探索,2013,(12):184—189.

[3]王建辉,徐林,顾树生.自动控制原理实验教学的改革[J].实验室研究与探索,2005,(S1):192—195.

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

[5]刘云龙,王瑞兰,刘丽君,王文成.基于Matlab仿真的自动控制原理实验教学改革[J].实验室研究与探索,2015,(6):102—106.

[6]金鑫,谢昭莉,盛朝强,王雪,李斌,黄建明,毛永芳.“自动控制原理”实验教学改革创新与实践[J].电气电子教学学报,2009,(S2):31—33.

责任编辑：富春凯

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.03.038

收稿日期：2016-04-04

第一作者简介：逄鹏(1989—)，男，硕士，助教。研究方向：检测技术及智能装置、机器视觉。

中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-6341(2016)03-0092-02