面向卓越工程师培养的自动控制原理实验教学改革

夏 静 萍

(南京航空航天大学 自动化学院，南京 211106)

0 引 言

2010年6月教育部正式启动卓越工程师教育培养计划，旨在培养具备良好工程实践能力和创新能力的工程技术人才，为国家工业化、信息化和国防现代化建设提供强有力的工程技术人才支撑[1-5]。我校自动化专业积极申报并于2013年入选教育部卓越工程师培养计划，其核心是通过加强实践教学环节培养学生的实践能力和工程意识。

自动控制原理实验是自动化专业开设的一门重要专业基础独立实验课程，也是首批国家精品课程和国家精品资源课程自动控制原理的配套实践教学环节。卓越工程师培养是个系统的大工程[6]。因此，立足专业基础实验的背景，将卓越工程师的目标聚焦为培养具备“自主学习能力、设计能力、实践能力和工程意识”的设计型工程师，并以此为目标，全面推动自动控制原理实验教学改革。

1 引入具有工程背景的物理实验设备

传统的自动控制原理实验主要利用模拟学习机(见图1)开展模拟仿真实验[7]。该设备由运放、电阻、电容等构成，具有较高的线性度，保证了实验数据与理论数据的一致性，便于进行基础理论验证。但也存在一定的问题，这种基础仿真教学设备，与实际控制系统有一定差距，学生较难通过“模拟学习机”对控制系统建立直观认知和系统性的概念。而且模拟学习机也不能对实际系统中常见的工程性问题进行复现。因此，仅依靠“模拟学习机”开展实验不利于学生工程意识和工程实践能力的培养。

图1 模拟学习机

本文对配套的实验教学设备进行了改革，依据一线实验教学需求，自主设计并研制了物理系统电机伺服控制系统实验台(见图2)。该控制系统是典型的随动系统，具有快速跟踪和准确定位两大特点。由于电机伺服控制系统既具有工程背景，又贴合理论教学，故也是高校较为认可的实物型教学设备[8-11]。

图2 电机伺服控制系统实验台

“电机伺服控制系统实验台”主要技术参数如表1所示。实验平台的硬件部分由台体、电动机及负载、光电编码器等组成，软件部分由下位机实时控制软件和上位机软件构成。开设的实验项目较为丰富，主要针对系统的速度回路和位置回路进行时域法和频域法设计和校正[12]。为了适应专业基础实验课程，我们对实验系统进行了模块化处理，将综合设计性实验内容进行分解，选取有代表性的设计性实验作为教学内容，使有限的课时也能胜任物理系统实验。

表1 实验台技术参数

通过在实验教学中引入物理系统电机伺服控制系统实验台，为学生提供解决工程性问题的平台，让学生发现、探究并解决典型的工程性问题，达到建立工程意识、提升解决工程问题能力的目的。

2 开展分层次递进式实验教学

对已开设的基于“Matlab软件”的数字仿真实验和基于“模拟学习机”的模拟仿真实验内容进行整合和优化，精选必做的验证性和设计性实验，并加入基于物理系统的设计性实验，构成多层次递进式实验教学，如图3所示。

图3 分层次递进式实验教学

Matlab软件是自动控制领域应用最为广泛的一款软件[13-14]。利用该软件开设数字仿真类实验，能够有效地帮助学生掌握控制系统数字化设计的方法，为学生以后从事相关研究设计工作打下坚实基础。

作为数字仿真实验向物理系统的过渡，本文精选了2个基于“模拟学习机”开设的模拟仿真实验。在模拟仿真实验中，学生在预习时需要使用Matlab软件对设计的实验参数进行验证，进一步强化了数字化能力；在实验环节中，通过在模拟学习机上动手搭建模拟电路，对控制系统进行模拟仿真分析，在巩固时域和频域的相关知识点的同时，锻炼了学生的动手操作能力[15-16]。此外，由于实验环境和使用的器件非理想器件，存在噪声、饱和、负载效应等现象，有助于学生初步萌发工程意识。

基于“电机伺服控制系统实验台”开设的物理系统实验，遵循由浅入深的原则。首先开设了控制系统的数学模型研究实验。通过该类实验，一方面让学生掌握控制系统常用的实验建模方法；另一方面，获取较为精准的数学模型便于学生利用Matlab仿真软件对控制系统进行数字仿真研究，为后续实验中的控制律和控制参数设计提供理论依据和参考；在此基础上，进一步开展设计性实验“控制系统的PID控制器设计”，该实验要求学生设计速度控制回路和位置控制回路的PID控制器。通过该实验，让学生掌握工业控制中应用最为广泛的控制器的设计方法；在学生对实验系统有了较为系统的认知后，提高实验难度，开展综合设计型实验“控制系统的串联频域校正”，该实验需要学生综合运用理论知识点，并结合物理系统的实际特点展开设计。

通过开展分层次递进式的实验教学，将数字仿真实验、模拟仿真实验和物理系统实验进行有机结合，让学生逐步加深对控制系统的认知，从简单的抽象数学模型逐步上升到复杂的具体物理系统；并逐步地掌握数字仿真、模拟仿真和物理系统的分析和设计方法；做到循序渐进地建立和提升学生设计能力和工程意识。

3 探索自主探究式教学方法

在传统的实验教学中，教师详细讲解实验内容和实验步骤，学生按照既定步骤，按部就班即可完成实验。这种传授型教学模式存在两个弊端：①让学生被动接受知识，难以调动学生学习自主性和实验积极性，不利于学生自主学习能力和创新意识的培养；②完全依赖课内学时，不利于实验课时的拓展。

为此，探索了“以学生为主体，实验问题为导向，网络教学资源为配套”的自主探究式教学法，如图4所示。在该教学模式中，教师是实验的引导者，设计实验中的关键问题，提供网络教学资源，引导学生进行自主学习、开展实验讨论、实验操作并及时地进行教学反馈、完善教学资源等；学生则需要充分调动主观能动性，成为实验的主舵手。在预习环节中要利用网络教学视频等学习资料，对实验内容和基础知识进行初步吸收和内化，并结合参考文献、理论设计、计算机软件辅助分析和设计等手段对实验中的关键问题进行初步探究；对这些问题有了一定的见解后，在实验教学环节中进一步开展课堂讨论，深入实验的理解；并通过实验操作环节对自己的想法和实验问题加以验证、解决，并最终获取正确的实验结论。

图4 自主探究式教学方法

通过问题引领和网络教学资源配套的方式，引导学生自主探究并解决实验中的关键问题和典型工程问题，使学生真正成为实验的主体，实现自主式学习和探究式学习。

4 结 语

基于卓越工程师培养计划，以培养设计型工程师为具体目标，开展了自动控制原理实验教学改革和实践。通过引入具有工程背景的教学设备“电机伺服控制实验平台”，有效地帮助学生建立和提升工程意识；开发层次丰富、递进式的实验教学内容，实现学生设计能力循序渐进地提升和强化；采用“以学生为主体，实验问题为导向，网络教学资源为配套”的探究式教学法，显著地提高了学生自主学习能力和科学探究精神。

目前实验教学改革针对自动化专业的卓越工程师班进行了探索和实践，并获得良好的教学效果。未来要进一步推广到普通班，全面提升自动控制原理实验课程的教学质量。

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