自控原理实验互联网虚拟仿真综合教学探索

杨姗姗 王彪 王瑛

摘要：自控原理實验课是自动控制及其相关专业的一门重要专业基础实验课，是帮助学生理解理论知识和培养学生动手能力的一个重要的教学环节。随着互联网的普及和虚拟仿真技术的发展，为了增强实验教学培养的效果，该研究提出了一种基于互联网学习平台软件和飞行控制虚拟仿真实验平台的自控原理实验教学模式。实验前，通过丰富的线上预习资源帮助学生为实验课做好充足的准备。面授实验教学中，结合传统电子线路模拟仿真实验箱和具有工程应用背景的虚拟仿真实验平台来实现多元化多层次教学，激发学生的学习兴趣和探索创新的动力。实验后通过综合评价反馈机制改进教学内容和方法。整个教学体系闭环高效，实验教学质量得到有效提高。

关键词：自控原理实验  线上预习资源  虚拟仿真实验平台  教学内容  教学方法

中图分类号：G642.0           文献标识码：A

Exploration of Internet and Virtual Simulation Integrated Teaching of  Automatic Control Theory Experiment

YANG Shanshan  WANG Biao  WANG Ying

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province， 210016 China）

Abstract：Automatic Control Theory Experiment is an important professional basic experimental course in automatic control and its related majors， and it is an important teaching link to help students understand theoretical knowledge and cultivate their manipulative ability. As the popularization of the Internet and the development of virtual simulation technology， in order to enhance the effect of experimental teaching and cultivation， this study puts forward a teaching mode of Automatic Control Theory Experiment  based on Internet learning platform software and the flight-control virtual simulation experiment platform. Before the experiment， it helps students make adequate preparations for the experiment class by rich online preview resources. During teaching the experiment， combined with the traditional analog simulation experiment box of electronic circuits and the virtual simulation experiment platform with the background of engineering application， it realizes diversified and multi-level teaching to simulate students’ interest in learning and driving force for exploration and innovation. After the experiment， it improves teaching content and methods by a comprehensive evaluation and feedback mechanism. The whole teaching system is closed-loop and efficient， and the teaching quality of the experiment has been effectively improved.

Key Words： Automatic Control Theory Experiment; Online preview resources; Virtual simulation experiment platform; Teaching content; Teaching  method

自动控制原理是自动化相关专业的一门重要的专业基础课，在专业课程体系中占有重要地位，是本科生后续课程和研究生课程的基础。它的特点是理论性强、内容丰富、设计知识面广、信息量大、比较抽象、更新发展快，且具有一定的深度和难度[1]。自控原理实验则是帮助学生们理解抽象的理论，并在此基础上培养学生的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。目前，传统自控原理实验主要是结合Matlab软件进行数值仿真和基于电子线路实验箱进行模拟仿真两种模式。这两种模式均存在实验内容陈旧，受元器件不稳定影响较大，实验结果不直观，学生对实验的思考不足和对实验学习的积极性不高等问题[2]。

教育部高等教育司党支部书记、司长吴岩在 2021 年全国高教处长会议上指出，高等教育高质量的根本与核心是人才培养的高质量，高质量课程则是人才培养的核心要素[3]。随着“互联网+”这个概念在各行各业的蔓延、渗透，传统的教育模式已开始步入被改造之列。通过互联网，可构建现代信息技术与新兴的学生学习评价、教师专业发展网络平台，在师生学习发展方面，由单纯的资源提供向师生自主参与、互动反馈转变[4]。虚拟仿真实验教学其本质就是运用虚拟仿真技术构建系统统一、 完整的虚拟实验环境，还原真实实验的教学要求、实验原理、操作环境及互动感受，具有沉浸性、交互性、 虚幻性、逼真性等特点[5]。

丰富的网络学习平台（如超星学习通）和具有三维视觉效果的虚拟仿真软件的应用变得日益广泛。因此，该文提出一种结合互联网软件和虚拟仿真技术的新型自控原理实验教学模式，并对该方法进行总结和探索。该方法目前已应用于南京航空航天大学自动化学院2021—2022年第二学期的自控原理实验教学中，教学效果良好，达到了预期目标。

1实验教学体系的构建

根据《自动控制原理实验课》的教学计划和教学目的，结合互联网软件（超星學习通平台）和虚拟仿真技术（飞行控制虚拟仿真实验平台），以自控原理课程教学中涉及的控制律设计方法为基础，以学生运用知识综合设计能力培养为导向，分层次分难度地设计实验内容，既可以让学生们扎实地掌握经典和现代控制理论中的控制方法：时域、频域、复域以及状态反馈，又可以将这些控制方法综合运用到工程实践中。具体的教学模式框架如图1所示。

整个教学模式分为课前预习、课上面授和课后评估反馈3个部分，这3个部分环环相扣，紧密结合，总结教学效果，通过教学效果分析改进教学模式。课前，学生通过发布在超星学习通中的预习微课视频预习实验理论和掌握实验仿真软件以及实验箱的操作方法；课中，教师通过结合电子线路实验箱和飞行控制虚拟仿真实验平台，指导学生进行多元化的实验，培养学生的动手能力和综合运用控制理论解决实际工程问题的能力。课后，综合考核机制可以为老师们提供全面的实验成绩评定方法以及学生学习效果总结的途径，从而进一步改进教学内容和教学方法。对于学生在实验过程中产生的疑问，该教学计划中将运用多种软件进行线上线下答疑相结合的方式来解决。其中虚拟仿真软件因为不受实验空间和时间的约束，可以一直贯穿这3个部分挡中，为学生系统地进行学习提供便利。

2利用丰富的软件资源开展实验预习

实验课前预习是学生做好实验的前提和保障[6]。在面授实验课之前，通过实验预习视频掌握实验原理中的知识点和了解实验仪器的操作要点是非常重要的一个环节，直接影响到实验课的操作效率和学习效果。自控原理实验预习中重要的一环是对所设计的控制律进行数值仿真， Matlab软件用于验证设计的控制系统传递函数的正确性，而Multisim软件用于验证相对应的模拟仿真电路设计的正确性。预习中的仿真验证环节可以保证面授实验课操作模拟实验箱部分的顺利进行，解决了控制律设计理论层面的问题。

该课程组在2020年疫情期间录制了全套的实验预习视频微课，将实验理论、实验要点和难点，Matlab软件和Multisim软件的仿真演示，以及实验仪器的操作方法以微课的形式呈现在预习视频中。课前，将预习视频和实验讲义发放在超星学习通平台上，学生可以通过手机或电脑观看学习并完成预习作业。通过线上预习作业的批改，教师可以直观地掌握学生们预习视频的观看效果，并通过这个结果进一步调整和改进预习视频的内容。预习视频截图具体如图2、图3所示。预习部分不光有预习视频，还设置了预习作业环节以考核每位同学的预习效果。预习作业的形式包含问答测验和提交控制律设计过程和仿真过程两种，根据不同的实验内容进行不同的预习作业内容设置。超星学习通平台中的预习作业设置界面如图4所示。

3虚拟仿真实验平台与自控原理实验箱有机结合教学

目前，传统自控原理实验是通过实验箱中的模拟电路来对控制系统进行模拟仿真。通过结合运算放大器、电容和电阻构建控制系统，并运用虚拟仪器软件和AD/DA接口实现信号发生器和示波器，整个实验过程可以锻炼学生的动手能力和排除元器件故障的能力，并且理论清晰易懂，对于初学控制理论的学生是一个很好的入门实验设备。但是自控原理实验箱中的控制系统仍然是仿真控制系统，不具备控制工程实际。根据工科学科教学高度依赖工程应用背景的特点，自控原理实验仅仅通过数值或者模拟线路仿真是无法让学生真切的感受到控制理论在工程中的实际应用，理论与实际脱节，将无法激起学生探索和创新的动力。因此，开发一款具有很强工程应用背景的虚拟仿真软件与传统的自控原理实验箱相结合进行教学变得尤为重要。

基于该校的航空特色，一款以固定翼飞机为被控对象的飞行控制虚拟仿真实验平台被开发出来应用在自控原理实验课程中，该实验平台是一套基于Unity3D软件和Matlab/Simulink软件联合开发的三维虚拟仿真实验平台。实验平台界面如图5、图6所示。在实验中，学生可以清晰、立体地看到自己设计的控制律改变飞机姿态的实时效果，并通过实验曲线分析控制系统的性能，改进控制律设计。

该虚拟仿真实验平台构建了包括飞机配平与控制律设计两大方向共六大实验，并提供两个难度层次进行选择，即修改PID参数和自主重新选择控制律。老师可以根据学生们不同的学习能力和学习进度进行排列组合以适应当前教学要求，可选择的实验内容与难度如表1所示。

该虚拟仿真实验软件将理论课上学习的控制理论知识综合运用于实际飞行控制设计中，并且通过虚拟仿真软件中的非线性飞机模型与Matlab软件中的线性仿真结果进行曲线数据对比，让学生近距离直观地感受到控制理论的实际应用价值以及工程应用与理论数值仿真之间的差别，增加学生学习的兴趣，激发学生进一步探索和研究控制理论的动力。

虚拟仿真实验平台不受时间、空间及实验条件制约，能多次重复安全实验并便于共享推广[7]。在每学期实验课程开始前，将虚拟仿真软件和使用说明书共享在超星学习通中供学生下载使用学习。学生先在实验前通过使用说明书自主实验尝试，之后面授课中在实验老师的指导下进行系统实验，最后课下还可以根据课上的学习内容再进一步探索和创新不同的控制律设计方法，反复尝试，多次实验，深度学习。虚拟仿真实验平台可以贯穿在整个教学体系中，针对不同学习程度的学生，发挥多样学习的作用。

4 利用丰富的软件平台进行答疑

当学生在实验课预习视频的观看中或者完成预习作业的过程中存在疑问，或者当同学们课后通过在虚拟仿真实验平台中多次实验进行探索创新的过程中产生疑问，实验老师们都可以灵活运用多种线上软件进行答疑，如腾讯会议，或者超星学习通软件，及时解决预习中的困惑。实验老师们也可以通过观察学生的预习疑问及时调整教学过程，并且通过课后答疑与学生仪器探索改进教学内容，总结新的教学方法。

5实验成绩综合评价机制

实验综合评价机制是由实验预习成绩、实验操作打分和实验报告成绩这3个部分组成，并且这3个部分按照一定的加权系数计算最后得出最终成绩。其中预习成绩不光包含对预习作业的批改也包括超星学习通中反映出的预习视频的观看情况，实验操作打分是反映学生在实验过程中的动手能力和解决问题的能力以及进一步探索学习的能力，实验报告成绩主要反映了学生数据整理、数据分析，以及根据分析得出结论并进一步思考的能力。三者综合起来，可以全面评价一个学生的实验学习效果，并作为反馈信息来帮助实验老师们调整和改进教学内容和教学方法。

6结语

为了改进传统自控原理实验教学的诸多问题，适应互联网快速普及和虚拟仿真技术不断发展的当今社会，以及培养学生动手能力和综合解决实际工程问题的能力，该文提出了一种基于互联网软件和虚拟仿真实验平台的自控原理实验教学模式。该教学模式在2021—2022年第二学期中应用于两个自然班，共计70人的实验教学中，教学结果良好，学生学习积极性高，取得了很好的教学效果，学生反映在实验学习中感受到了控制理论的工程应用价值，并对进一步探索和研究控制理论产生了浓厚的兴趣。

参考文献

[1]  唐超颖，冒泽慧，丁勇，等.现代控制理论线上教学实践探索[J].科技资讯，2022（5）：148-152.

[2] 胡燕，黃霞，张冰洋.“自控原理”虚实结合实验平台设计与应用[J].实验技术与管理，2015，32（12）：84-88.

[3] 张敏，文福安，刘俊波.高质量虚拟仿真实验教学课程内涵和特征[J].实验技术与管理，2022，39（3）：1-4.

[4] 李海，王茜，牟以卉.“互联网+”电路板设计实验教学的改革与探索[J].实验室研究与探索，2018，37（5）：213-258.

[5] 孙福，孙佳怡，刘国庆，等.虚拟仿真实验教学项目评价研究.[J].实验技术与管理，2020，37（7）：187-190.

[6] 吴威，戴存礼，陈桂云.超星学习通在大学物理实验教学中过程管理的应用[J].广西物理，2021，42（2）：77-78.

[7] 史影，王伟伟，周耐明，等.生物化学综合性虚拟仿真实验建设与教学探索[J].实验室研究与探索，2022，41（4）：154-158.