自动控制原理实验课程教学方式探究

毛琼+董海瑞+韩慧

摘 要 实验教学是教学实践的重要环节，是增进对理论知识的理解、培养工程实践能力的关键。随着计算机、网络、信息等技术的发展，实验教学与其关联越来越紧密，教学形式正发生革命性变化。只有认清实验课程教学的新特征，才能有效开展和使用好实验教学。采用对比和概括的手段，对自动控制原理实验教学新特征进行分析和总结。

关键词 实验教学；网络教学；自动控制原理

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）12-0136-03

1 引言

实验教学是指学生在教师的指导下，使用一定的设备和材料，通过控制条件的操作过程，引起实验对象的某些变化，从观察到的这些现象的变化中获取新知识或验证知识的教学方法。它强调以学生为主体，让其自己动手和独立思考，对培养学生观察、分析和解决问题，促进理论知识向实际工程应用进一步转化，具有重要作用。同时有助于学生养成理论联系实际的学风、实事求是的科学态度和探究问题的科学方法，激发其创新意识。

实验教学是课程教学中最活跃、最具有生命力的部分，是一种必不可少的教学方式。传统的实验教学受实验场地、器材等的限制，一般在特定实验场所（主要是实验室）完成，但随着慕课的兴起以及技术的发展，实验手段发生显著变化，逐渐有走出实验室的趋势。下面以自动控制技术基础实验课程为例，探索实验课程教学的发展。

2 传统实验教学

军械工程学院自动控制技术基础是与自动控制原理理论课程配套的实验课程，属理论教学的实践环节，主要作用是培养学生理论联系实际的能力，使理论教学效果得到有效巩固，并促进学生动手能力的提高以及工程实践能力的养成。该实验课程种类丰富，既有对相关原理的验证性实验，又有蕴涵系统观，体现知识交叉、融合、渗透和综合的综合性实验，以及激发学生创造性、培养学生解决较为复杂问题能力的设计性实验三大实验种类，各个实验之间循序渐进，有助于学生能力的培养。传统的实验课程教学主要有以下特点。

地点固定，且与理论课程隔离 传统的实验教学主要在实验室或具备实验条件的实验现场进行，教师在课堂内有序地按着教学进程组织实验。由于实验课程受器材、场地等条件的限制，实施起来困难，实验课程逐渐从原来的理论课中脱离出来而成为单独的一门实验课程。比如：军械工程学院自动控制技术基础就是从起初96学时理论+实验的自动控制原理课程中剥离出来，成为一门独立的实验课程。脱离后虽然有助于开展教学实验，但是教学效果却没有得到更优化，主要原因在于实验教学原本应该和理论教学穿插进行，而脱离后理论和实验授课时机的安排不可能像以前那样由教师一人安排，理论授课与实验时间安排难达到同步匹配。

授课手段单一 教师在实验室进行现场教学时，一般先采取“口述+板书”形式介绍实验内容、步骤和要求，然后以教师边演示实验操作边讲解的形式进行，最后交由学生自己动手进行实验。这种三步式的实验教学方式在教学中起到很好的效果，但也存在一些不足：

其一，“口述+板书”的实验介绍方式形象性和生动性差，很难一下子把学生的注意力全抓住；

其二，在实验演示环节，学生是围在教师周围看其操作，这样只有靠前的学生看得比较清楚，容易获得更好的教学指导，后面的学生可视性差，造成不同学生的实验收获差异性特别大。

3 现代实验教学

随着计算机、网络以及信息等技术的飞速发展，使课程教学方式和手段发生很大变化，计算机教学被引入课程教学中，并且越来越多的课程较强依赖于计算机进行教学，甚至搭载上网络教学的平台和环境，教育信息和资源的传播越来越快、越来越广，因此呈现出以下一些显著的特征。

实验教学地点多样化，与理论教学的融合回归紧密

1）由实验室走向理论教室。随着技术的发展，实验教学受教学场地和器材的限制越来越小，逐渐由实验室转而走向理论授课现场。比如对于一些受实验场地、条件等因素制约不能带到授课现场演示，而以前只能在实验室进行的实验，现在为了满足教学的需要，可先利用录像技术录制实验过程或利用虚拟现实技术（效果演示见图1）再现实验教学条件，然后将其带到理论教学现场，并根据其需要还原实验过程或进行实验操作演示。该方式能够给学生带来较大的视觉冲击，加强学生对知识的理解、消化和吸收，同时由于理论教学与实验匹配及时等因素，使授课效果得到最大化。

2）由实验室走向网络教学平台。传统的实验教学主要在实验室或具备实验条件的实验现场进行教学，从实验的组织到实验操作均按教学规划有序进行，但是随着教学向网络聚焦，实验教学平台使实验教学走向更广阔的领域，主要体现在以下三方面。

①实验教学的组织。通过网络课程及时发布教学信息，组织学生进行实验准备以及预约实验时间等。

②实验的实施。随着电子技术、仿真技术的发展，实验的实施不再仅依靠实验室的实验装备进行，而是又多了一个做实验的手段——虚拟实验，即人们采用仿真软件构建虚拟实验环境，并通过网络平台提供给学生在线做实验，学生具备能够上网络课程的任何一终端即可进行。

③资源分享。传统的实验教学发生在指定实验室，其影响仅限于实验室为数不多的学生。而以网络技术为载体，信息的传播快得惊人，人们可以在网上分享实验教学录像、实验教案等资源，以及和别人进行经验交流等活动。

对于以上方式，教师均可根据授课的需要，在理论课堂上或课下使用网络课程合理安排实验教學，使实验教学与理论教学的配合更加灵活，结合更紧密。

实验实施手段越来越多样化 随着技术的发展，实验教学不再仅依靠实验室的真实设备才能进行，而是出现许多新的做实验的方法，列举如下。

1）采用视频技术还原实验现场，即采用前面介绍过的视频技术拍摄和制作反映实验过程的微视频，在授课现场播放或放到网络教学平台上供学生自己观看。endprint

2）采用虚拟仿真技术重构实验平台。仿真实验的种类非常多，但基本上可归为两个类别：基于数据分析的仿真实验和基于现实重构的仿真实验。

前一种实验方式的代表非常多，如基于MATLAB、EWB、LabWorks、Multisim、EDA等的仿真实验等。对于这种类型的实验，由于是基于数据分析的，有的还有少量的图形面板，但不反映真实实验装置的外观，与实物实验的差距很大，仅体现其基本原理。

对于第二种而言，依靠一种模拟人在自然环境中视觉、听觉和触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，重构实验教学所需实验设备、器材等的逼真外观和功能，并可以在理论教学现场进行行为交互，以供實验者操作实验，观看实验现象。这种实验教学方式相当于把实验实物搬到了理论授课教室，并且模拟实验的真实操作，与在真实实验环境下的体验非常逼近，因此能很快吸引学生沉浸到实验中，被学生接受和喜爱。

图1为自动控制技术基础实验课程教学中“基于电机的转速控制系统”实验的虚拟场景，学生可在虚拟的环境中进行各种实验操作，获取实验现象。

3）采用摄像技术扩大实验视野。目前，实验室的建设也来越完善，具备实验设备、网络、摄像机、投影仪、大型液晶电视等设备，给上课带来便捷。以前教师在进行实验操作演示时，只有前面的学生看得比较清楚，现在可以借助于摄像机、投影仪等设备，将演示现场传送至投影仪或大型液晶屏上，全班学生都能够清楚看到教师操作的每一个环节，确保每一位学生都能获悉更细心的实验指导，实验的效果显著优化。

4 总结

综上所述，技术的发展和课堂的变革为实验教学注入新的活力，使其摆脱了实验室的束缚，走进了理论课堂，走进了网络，走进了学习者的内心，实验展示形式、进行方式多样化，发挥的教学效应也是越来越大，从而取得更好的实验教学效果。

参考文献

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