面向卓越工程師培養的自動控制原理實驗教學改革

夏 靜 萍

(南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106)

0 引 言

2010年6月教育部正式啟動卓越工程師教育培養計劃，旨在培養具備良好工程實踐能力和創新能力的工程技術人才，為國家工業化、信息化和國防現代化建設提供強有力的工程技術人才支撐[1-5]。我校自動化專業積極申報并于2013年入選教育部卓越工程師培養計劃，其核心是通過加強實踐教學環節培養學生的實踐能力和工程意識。

自動控制原理實驗是自動化專業開設的一門重要專業基礎獨立實驗課程，也是首批國家精品課程和國家精品資源課程自動控制原理的配套實踐教學環節。卓越工程師培養是個系統的大工程[6]。因此，立足專業基礎實驗的背景，將卓越工程師的目標聚焦為培養具備“自主學習能力、設計能力、實踐能力和工程意識”的設計型工程師，并以此為目標，全面推動自動控制原理實驗教學改革。

1 引入具有工程背景的物理實驗設備

傳統的自動控制原理實驗主要利用模擬學習機(見圖1)開展模擬仿真實驗[7]。該設備由運放、電阻、電容等構成，具有較高的線性度，保證了實驗數據與理論數據的一致性，便于進行基礎理論驗證。但也存在一定的問題，這種基礎仿真教學設備，與實際控制系統有一定差距，學生較難通過“模擬學習機”對控制系統建立直觀認知和系統性的概念。而且模擬學習機也不能對實際系統中常見的工程性問題進行復現。因此，僅依靠“模擬學習機”開展實驗不利于學生工程意識和工程實踐能力的培養。

圖1 模擬學習機

本文對配套的實驗教學設備進行了改革，依據一線實驗教學需求，自主設計并研制了物理系統電機伺服控制系統實驗臺(見圖2)。該控制系統是典型的隨動系統，具有快速跟蹤和準確定位兩大特點。由于電機伺服控制系統既具有工程背景，又貼合理論教學，故也是高校較為認可的實物型教學設備[8-11]。

圖2 電機伺服控制系統實驗臺

“電機伺服控制系統實驗臺”主要技術參數如表1所示。實驗平臺的硬件部分由臺體、電動機及負載、光電編碼器等組成，軟件部分由下位機實時控制軟件和上位機軟件構成。開設的實驗項目較為豐富，主要針對系統的速度回路和位置回路進行時域法和頻域法設計和校正[12]。為了適應專業基礎實驗課程，我們對實驗系統進行了模塊化處理，將綜合設計性實驗內容進行分解，選取有代表性的設計性實驗作為教學內容，使有限的課時也能勝任物理系統實驗。

表1 實驗臺技術參數

通過在實驗教學中引入物理系統電機伺服控制系統實驗臺，為學生提供解決工程性問題的平臺，讓學生發現、探究并解決典型的工程性問題，達到建立工程意識、提升解決工程問題能力的目的。

2 開展分層次遞進式實驗教學

對已開設的基于“Matlab軟件”的數字仿真實驗和基于“模擬學習機”的模擬仿真實驗內容進行整合和優化，精選必做的驗證性和設計性實驗，并加入基于物理系統的設計性實驗，構成多層次遞進式實驗教學，如圖3所示。

圖3 分層次遞進式實驗教學

Matlab軟件是自動控制領域應用最為廣泛的一款軟件[13-14]。利用該軟件開設數字仿真類實驗，能夠有效地幫助學生掌握控制系統數字化設計的方法，為學生以后從事相關研究設計工作打下堅實基礎。

作為數字仿真實驗向物理系統的過渡，本文精選了2個基于“模擬學習機”開設的模擬仿真實驗。在模擬仿真實驗中，學生在預習時需要使用Matlab軟件對設計的實驗參數進行驗證，進一步強化了數字化能力；在實驗環節中，通過在模擬學習機上動手搭建模擬電路，對控制系統進行模擬仿真分析，在鞏固時域和頻域的相關知識點的同時，鍛煉了學生的動手操作能力[15-16]。此外，由于實驗環境和使用的器件非理想器件，存在噪聲、飽和、負載效應等現象，有助于學生初步萌發工程意識。

基于“電機伺服控制系統實驗臺”開設的物理系統實驗，遵循由淺入深的原則。首先開設了控制系統的數學模型研究實驗。通過該類實驗，一方面讓學生掌握控制系統常用的實驗建模方法；另一方面，獲取較為精準的數學模型便于學生利用Matlab仿真軟件對控制系統進行數字仿真研究，為后續實驗中的控制律和控制參數設計提供理論依據和參考；在此基礎上，進一步開展設計性實驗“控制系統的PID控制器設計”，該實驗要求學生設計速度控制回路和位置控制回路的PID控制器。通過該實驗，讓學生掌握工業控制中應用最為廣泛的控制器的設計方法；在學生對實驗系統有了較為系統的認知后，提高實驗難度，開展綜合設計型實驗“控制系統的串聯頻域校正”，該實驗需要學生綜合運用理論知識點，并結合物理系統的實際特點展開設計。

通過開展分層次遞進式的實驗教學，將數字仿真實驗、模擬仿真實驗和物理系統實驗進行有機結合，讓學生逐步加深對控制系統的認知，從簡單的抽象數學模型逐步上升到復雜的具體物理系統；并逐步地掌握數字仿真、模擬仿真和物理系統的分析和設計方法；做到循序漸進地建立和提升學生設計能力和工程意識。

3 探索自主探究式教學方法

在傳統的實驗教學中，教師詳細講解實驗內容和實驗步驟，學生按照既定步驟，按部就班即可完成實驗。這種傳授型教學模式存在兩個弊端：①讓學生被動接受知識，難以調動學生學習自主性和實驗積極性，不利于學生自主學習能力和創新意識的培養；②完全依賴課內學時，不利于實驗課時的拓展。

為此，探索了“以學生為主體，實驗問題為導向，網絡教學資源為配套”的自主探究式教學法，如圖4所示。在該教學模式中，教師是實驗的引導者，設計實驗中的關鍵問題，提供網絡教學資源，引導學生進行自主學習、開展實驗討論、實驗操作并及時地進行教學反饋、完善教學資源等；學生則需要充分調動主觀能動性，成為實驗的主舵手。在預習環節中要利用網絡教學視頻等學習資料，對實驗內容和基礎知識進行初步吸收和內化，并結合參考文獻、理論設計、計算機軟件輔助分析和設計等手段對實驗中的關鍵問題進行初步探究；對這些問題有了一定的見解后，在實驗教學環節中進一步開展課堂討論，深入實驗的理解；并通過實驗操作環節對自己的想法和實驗問題加以驗證、解決，并最終獲取正確的實驗結論。

圖4 自主探究式教學方法

通過問題引領和網絡教學資源配套的方式，引導學生自主探究并解決實驗中的關鍵問題和典型工程問題，使學生真正成為實驗的主體，實現自主式學習和探究式學習。

4 結 語

基于卓越工程師培養計劃，以培養設計型工程師為具體目標，開展了自動控制原理實驗教學改革和實踐。通過引入具有工程背景的教學設備“電機伺服控制實驗平臺”，有效地幫助學生建立和提升工程意識；開發層次豐富、遞進式的實驗教學內容，實現學生設計能力循序漸進地提升和強化；采用“以學生為主體，實驗問題為導向，網絡教學資源為配套”的探究式教學法，顯著地提高了學生自主學習能力和科學探究精神。

目前實驗教學改革針對自動化專業的卓越工程師班進行了探索和實踐，并獲得良好的教學效果。未來要進一步推廣到普通班，全面提升自動控制原理實驗課程的教學質量。

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