以《自動控制原理》實驗改革入手，構建“1234”實踐教學體系

文/姜文娟　張茂川　黃俊峰

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以《自動控制原理》實驗改革入手，構建“1234”實踐教學體系

文/姜文娟張茂川黃俊峰

摘要:針對我院《自動控制原理》實驗課程存在的問題，從實驗內容、實驗方式、實驗考核等方面進行改革，并以此為契機，構建了課程的“1234”實踐教學體系，提高了學生實踐能力的同時，加強《自動控制原理》與其他控制類課程之間的“小綜合”應用能力，為后續課程設計、畢業設計、科技活動等“大綜合”應用能力打下堅實的基礎。

關鍵詞:自動控制原理;實驗改革;實踐教學體系

一、引言

《自動控制原理》課程是自動化專業和相近專業的核心課程，我院的《自動控制原理》課程為省級精品課程，本課程組承擔著自動化專業、測控技術與儀器專業、熱能與動力工程專業、建筑環境與設備工程專業、核電工程專業等的《自動控制原理》教學任務，每一學年，該門課程的講授班級可以達到20個以上。

《自動控制原理》實驗教學的主要任務是使學生通過實驗進一步理解和掌握自動控制原理的基本概念、基本原理和控制系統的分析與設計方法，為從事控制工程的實踐打下良好的基礎。不僅如此該門課程的抽象理論多，只有通過實驗才能加深學生對所學知識的理解，減輕或消除學習困難，還可以培養學生分析問題、解決問題的能力、實踐動手能力、創新能力和自主學習能力，為實現應用創新型人才的培養目標提供保障。很多學校結合自身情況進行了實驗課程的改革，取得了顯著地效果［1－5］。

我院《自動控制原理》課程原有的實驗項目是在ACT－I自控實驗箱上開發完成，在實驗內容、實驗方式、考核方式等影響了實驗教學的效果，制約著實驗教學的發展，不能適應應用創新型人才的培養模式［6－7］。同時為了積極響應學?！?72工程”提出的優質課程改革與建設工程實施方案，加強自動控制原理課程質量，同時提高學生學習的主動性和積極性，培養學生的探索意識和科研能力，增強學生的實踐動手能力，從實驗內容、實驗方式、考核方式以及實驗教材的編寫等方面進行有針對性的改革，構建了“1234”的實踐教學體系。

二、實驗教學改革

1、實驗內容的改革

我院原來的實驗缺少根軌跡、離散系統和綜合性、設計性實驗。MATLAB作為先進的計算機仿真工具廣泛應用在控制系統的仿真中［4］，并考慮將實驗室現有的實驗設備如倒立擺、水箱等納入到新的實驗項目中，將原有的內容進行整合和擴充，可以開設包括利用電子模擬實驗箱進行電子模擬和運用仿真軟件進行數字仿真的實驗項目。改革后的實驗內容，覆蓋了《自動控制原理》課程的主要內容，具體實驗項目如下:

實驗一(驗證性)典型環節和典型調節規律的模擬方法及動態特性

實驗二(設計性)典型二階系統的動態特性

實驗三(驗證性)調節系統的穩態誤差分析

實驗四(綜合性)基于MATLAB的控制系統分析

實驗五(綜合性、設計性)控制系統的校正(設計了三個實驗，可以選作)

實驗六(綜合性)非線性控制系統分析(設計了三個實驗，可以選作)

實驗七(綜合性、設計性)離散控制系統分析

其中，實驗一將原來的實驗一和實驗二的內容進行了整合;實驗四為新設置的實驗，涵蓋了時域分析、根軌跡分析的MATLAB仿真，讓學生從直觀上感受參數變化對系統性能的影響;實驗五為新設置的綜合性和設計性的實驗項目，主要是針對系統的設計設置的實驗，旨在提高學生的分析問題和設計系統的能力;實驗六增加了MATLAB進行相平面分析及描述函數法的實驗項目，實驗七為新設置的實驗項目，針對離散系統進行仿真的實驗項目。

調整后的實驗項目內容上涵蓋了《自動控制原理》課程的全部內容，使學生能夠更全面的掌握該課程的內容。

2、對實驗方式的改革

《自動控制原理》的實驗方式從原先單一的基礎驗證性實驗轉變基礎驗證性、設計性實驗、綜合性實驗項目、創新性實驗項目相結合的實驗體系;由原來的模擬實驗改為仿真實驗和模擬實驗相結合的形式。

其中實驗一、實驗二、實驗三、實驗五和實驗六的部分實驗在模擬實驗平臺上實現，實驗四、實驗七、實驗五和實驗六的部分實驗在仿真實驗平臺上實現。

實驗方式的改革，利用先進的仿真軟件實現對控制系統的仿真，充分體現了實驗的時代性，更加激發學生的學習熱情。

3、對考核方式的改革

在考核方式上，適當的增加實驗考核成績占總課程成績的比重，將原有的實驗成績僅僅占總成績的10%左右增加到20%?？己饲?，實驗教師和理論教師對每個實驗設計3－5個思考題;考核時，學生隨機抽題，在10分鐘內答完、上交;最后由實驗教師給出實驗成績。將原來的出勤考核和提交實驗報告的考核方式改變為以學生的考前預習、手動計算結果和計算機仿真結果、自我動手實踐能力多者相結合的考核標準，提高了學生自主分析能力、綜合設計能力和創新能力，從根本上調動了學生的學習積極性和主動性。

4、編寫實驗教材

為配合實驗內容和實驗方式的改革，根據我院的實際情況，由理論教師和實驗教師共同編寫了實驗指導書，指導學生實驗，并按照實驗指導書進行實驗預習，引發學生思考，提高學生的主動性和積極性。

三、“1234”實踐教學體系的構建

在學?！?72”工程的指導下，以提高教學質量為核心，以提高學生實踐能力為目標，針對《自動控制原理》課程的實驗內容、實驗方式、實驗考核方式和實驗教材等方面進行有針對性的改革，形成了“一整體、二平臺、三縱橫、四層次”的實踐教學體系，即以《自動控制原理》課程為專業基礎，以《現代控制理論》、《計算機控制系統》和《過程控制》為后續的控制類課程體系，運用模擬實驗和仿真實驗2個平臺，覆蓋連續系統、非線性系統、離散系統(三縱)及時域分析法、頻域分析法、根軌跡分析法(三橫)內容，形成基礎驗證性、綜合性、設計性、創新性四個層次實驗。四個層次的實驗項目除了常規的課程實驗外，還包含以下環節:

( 1)綜合性、設計性的課程設計:為提高學生的實踐能力，自動化專業學生在學習完專業課程后，設置了專業方向課程設計，針對控制類課程設置了綜合性和設計性題目。其中設置了7個與《自動控制理論》相關的設計題目，4個計算機控制類題目，1個過程控制類題目，對控制類課程內容進行了綜合，提高了學生分析問題和解決問題的能力。

( 2)創新性實驗項目:依托校大學生“綜合性、設計性、研究性、自主開放型”實驗項目和省大學生創新創業訓練項目設置了創新性實驗項目，為進一步提高學生的綜合應用能力和實踐能力打下良好的基礎。

( 3)綜合性、創新性的畢業設計題目:先進PID控制及應用等綜合性、創新性設計題目，豐富了畢業設計內容，同時進一步加強了學生分析問題解決問題的能力。

( 4)豐富多彩的科技競賽:以省級“大學生創新實踐基地”為平臺，以學院的“電子創新研究室”、“炎火工作室”、“機器人研究室”、“建模與仿真研究室”為依托，鼓勵學生參加各種級別的課外科技活動，將所學知識與實際系統融會貫通，實現了創新性人才的培養。

這些內容都是“自動控制原理”課程理論知識的延伸和綜合應用，課題組老師還要繼續指導學生完成與課程內容相關的題目，積累素材，豐富理論授課、實驗和課程設計的內容，逐步形成“基礎驗證性、綜合性、設計性、創新性”四個層次、“橫向覆蓋、縱向貫通”的實踐教學內容。

四、結束語

通過對《自動控制原理》實驗課程改革，構建了“一整體、二平臺、三縱橫、四層次”的實踐教學體系，營造了多樣化、多層次的實踐教學環境，將理論與實踐的有機結合，促進學生控制知識的內化，提高學生分析問題、解決問題的能力和實踐能力，啟發學生的創新思維。同時加強了《自動控制原理》與其他控制類課程之間的“小綜合”應用能力，為后續課程設計、畢業設計、科技活動等“大綜合”應用能力打下堅實的基礎。

(作者單位:東北電力大學自動化工程學院)(作者單位:廊坊師范學院社會發展學院)

教改項目:吉林省高等教育教學研究課題: No．吉教字［2012］45

參考文獻:

［1］王永川，李小民，江濤．自動控制原理設計性實驗教學探討．電氣電子教學學報，2009，31 ( 1) : 10－12．

［2］孫潔．“自動控制原理”實驗教學改革的實踐．電氣電子教學學報，2009，31 ( 6) : 69－70．

［3］鄢圣茂，宋立忠．“自動控制原理”實驗教學研究與實踐．中國電力教育，2011 ( 27) : 137－139．

［4］劉金頌，張慶陽，蘇曉峰，楊蕾．Matlab軟件在自動控制原理實驗中的應用．實驗技術與管理，2014，31 ( 6) : 138－140，145

［5］高宏巖，張開如．自動控制原理模塊化實驗教學模式研究．實驗科學與技術，2014，12 ( 6) : 62－65

［6］王伯慶．工程專業生源及新生適應性分析．高等工程教育研究，2013，( 6) : 33－39

［7］劉小河，馬潔，管萍，付興建，劉麗華．自動化專業“四位一體”的實踐教學體系構建研究．實驗技術與管理，2014，31 ( 10) :27－30

作者簡介:姜文娟( 1979－)，女，講師，在讀博士，研究方向:控制理論及應用。

中圖分類號:G642

文獻標志碼:A

文章編號:2095－9214 ( 2015) 08－0095－02