自動控制原理實驗課程教學方式探究

毛瓊+董海瑞+韓慧

摘 要 實驗教學是教學實踐的重要環節，是增進對理論知識的理解、培養工程實踐能力的關鍵。隨著計算機、網絡、信息等技術的發展，實驗教學與其關聯越來越緊密，教學形式正發生革命性變化。只有認清實驗課程教學的新特征，才能有效開展和使用好實驗教學。采用對比和概括的手段，對自動控制原理實驗教學新特征進行分析和總結。

關鍵詞 實驗教學；網絡教學；自動控制原理

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）12-0136-03

1 引言

實驗教學是指學生在教師的指導下，使用一定的設備和材料，通過控制條件的操作過程，引起實驗對象的某些變化，從觀察到的這些現象的變化中獲取新知識或驗證知識的教學方法。它強調以學生為主體，讓其自己動手和獨立思考，對培養學生觀察、分析和解決問題，促進理論知識向實際工程應用進一步轉化，具有重要作用。同時有助于學生養成理論聯系實際的學風、實事求是的科學態度和探究問題的科學方法，激發其創新意識。

實驗教學是課程教學中最活躍、最具有生命力的部分，是一種必不可少的教學方式。傳統的實驗教學受實驗場地、器材等的限制，一般在特定實驗場所（主要是實驗室）完成，但隨著慕課的興起以及技術的發展，實驗手段發生顯著變化，逐漸有走出實驗室的趨勢。下面以自動控制技術基礎實驗課程為例，探索實驗課程教學的發展。

2 傳統實驗教學

軍械工程學院自動控制技術基礎是與自動控制原理理論課程配套的實驗課程，屬理論教學的實踐環節，主要作用是培養學生理論聯系實際的能力，使理論教學效果得到有效鞏固，并促進學生動手能力的提高以及工程實踐能力的養成。該實驗課程種類豐富，既有對相關原理的驗證性實驗，又有蘊涵系統觀，體現知識交叉、融合、滲透和綜合的綜合性實驗，以及激發學生創造性、培養學生解決較為復雜問題能力的設計性實驗三大實驗種類，各個實驗之間循序漸進，有助于學生能力的培養。傳統的實驗課程教學主要有以下特點。

地點固定，且與理論課程隔離 傳統的實驗教學主要在實驗室或具備實驗條件的實驗現場進行，教師在課堂內有序地按著教學進程組織實驗。由于實驗課程受器材、場地等條件的限制，實施起來困難，實驗課程逐漸從原來的理論課中脫離出來而成為單獨的一門實驗課程。比如：軍械工程學院自動控制技術基礎就是從起初96學時理論+實驗的自動控制原理課程中剝離出來，成為一門獨立的實驗課程。脫離后雖然有助于開展教學實驗，但是教學效果卻沒有得到更優化，主要原因在于實驗教學原本應該和理論教學穿插進行，而脫離后理論和實驗授課時機的安排不可能像以前那樣由教師一人安排，理論授課與實驗時間安排難達到同步匹配。

授課手段單一 教師在實驗室進行現場教學時，一般先采取“口述+板書”形式介紹實驗內容、步驟和要求，然后以教師邊演示實驗操作邊講解的形式進行，最后交由學生自己動手進行實驗。這種三步式的實驗教學方式在教學中起到很好的效果，但也存在一些不足：

其一，“口述+板書”的實驗介紹方式形象性和生動性差，很難一下子把學生的注意力全抓住；

其二，在實驗演示環節，學生是圍在教師周圍看其操作，這樣只有靠前的學生看得比較清楚，容易獲得更好的教學指導，后面的學生可視性差，造成不同學生的實驗收獲差異性特別大。

3 現代實驗教學

隨著計算機、網絡以及信息等技術的飛速發展，使課程教學方式和手段發生很大變化，計算機教學被引入課程教學中，并且越來越多的課程較強依賴于計算機進行教學，甚至搭載上網絡教學的平臺和環境，教育信息和資源的傳播越來越快、越來越廣，因此呈現出以下一些顯著的特征。

實驗教學地點多樣化，與理論教學的融合回歸緊密

1）由實驗室走向理論教室。隨著技術的發展，實驗教學受教學場地和器材的限制越來越小，逐漸由實驗室轉而走向理論授課現場。比如對于一些受實驗場地、條件等因素制約不能帶到授課現場演示，而以前只能在實驗室進行的實驗，現在為了滿足教學的需要，可先利用錄像技術錄制實驗過程或利用虛擬現實技術（效果演示見圖1）再現實驗教學條件，然后將其帶到理論教學現場，并根據其需要還原實驗過程或進行實驗操作演示。該方式能夠給學生帶來較大的視覺沖擊，加強學生對知識的理解、消化和吸收，同時由于理論教學與實驗匹配及時等因素，使授課效果得到最大化。

2）由實驗室走向網絡教學平臺。傳統的實驗教學主要在實驗室或具備實驗條件的實驗現場進行教學，從實驗的組織到實驗操作均按教學規劃有序進行，但是隨著教學向網絡聚焦，實驗教學平臺使實驗教學走向更廣闊的領域，主要體現在以下三方面。

①實驗教學的組織。通過網絡課程及時發布教學信息，組織學生進行實驗準備以及預約實驗時間等。

②實驗的實施。隨著電子技術、仿真技術的發展，實驗的實施不再僅依靠實驗室的實驗裝備進行，而是又多了一個做實驗的手段——虛擬實驗，即人們采用仿真軟件構建虛擬實驗環境，并通過網絡平臺提供給學生在線做實驗，學生具備能夠上網絡課程的任何一終端即可進行。

③資源分享。傳統的實驗教學發生在指定實驗室，其影響僅限于實驗室為數不多的學生。而以網絡技術為載體，信息的傳播快得驚人，人們可以在網上分享實驗教學錄像、實驗教案等資源，以及和別人進行經驗交流等活動。

對于以上方式，教師均可根據授課的需要，在理論課堂上或課下使用網絡課程合理安排實驗教學，使實驗教學與理論教學的配合更加靈活，結合更緊密。

實驗實施手段越來越多樣化 隨著技術的發展，實驗教學不再僅依靠實驗室的真實設備才能進行，而是出現許多新的做實驗的方法，列舉如下。

1）采用視頻技術還原實驗現場，即采用前面介紹過的視頻技術拍攝和制作反映實驗過程的微視頻，在授課現場播放或放到網絡教學平臺上供學生自己觀看。endprint

2）采用虛擬仿真技術重構實驗平臺。仿真實驗的種類非常多，但基本上可歸為兩個類別：基于數據分析的仿真實驗和基于現實重構的仿真實驗。

前一種實驗方式的代表非常多，如基于MATLAB、EWB、LabWorks、Multisim、EDA等的仿真實驗等。對于這種類型的實驗，由于是基于數據分析的，有的還有少量的圖形面板，但不反映真實實驗裝置的外觀，與實物實驗的差距很大，僅體現其基本原理。

對于第二種而言，依靠一種模擬人在自然環境中視覺、聽覺和觸覺等行為的高度逼真的人機交互技術，重構實驗教學所需實驗設備、器材等的逼真外觀和功能，并可以在理論教學現場進行行為交互，以供實驗者操作實驗，觀看實驗現象。這種實驗教學方式相當于把實驗實物搬到了理論授課教室，并且模擬實驗的真實操作，與在真實實驗環境下的體驗非常逼近，因此能很快吸引學生沉浸到實驗中，被學生接受和喜愛。

圖1為自動控制技術基礎實驗課程教學中“基于電機的轉速控制系統”實驗的虛擬場景，學生可在虛擬的環境中進行各種實驗操作，獲取實驗現象。

3）采用攝像技術擴大實驗視野。目前，實驗室的建設也來越完善，具備實驗設備、網絡、攝像機、投影儀、大型液晶電視等設備，給上課帶來便捷。以前教師在進行實驗操作演示時，只有前面的學生看得比較清楚，現在可以借助于攝像機、投影儀等設備，將演示現場傳送至投影儀或大型液晶屏上，全班學生都能夠清楚看到教師操作的每一個環節，確保每一位學生都能獲悉更細心的實驗指導，實驗的效果顯著優化。

4 總結

綜上所述，技術的發展和課堂的變革為實驗教學注入新的活力，使其擺脫了實驗室的束縛，走進了理論課堂，走進了網絡，走進了學習者的內心，實驗展示形式、進行方式多樣化，發揮的教學效應也是越來越大，從而取得更好的實驗教學效果。

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