《控制理論》課程柔性實驗教學實踐探討

王偉

摘要：本文主要討論在實驗教學環節如何培養學生的創新能力。論文分析了《控制理論》課程的教學對象的特點和經典控制實驗的過程特點，在實驗教學的內容和實施目標中引入一定的柔性設計。實踐表明這種嘗試發揮了學生在實驗過程中的積極性和主動性，培養了學生自主學習的習慣，提高了學生的系統性思維能力和實驗設計能力。

關鍵詞：創新能力；柔性實驗教學；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）14-0259-03

在中國經濟發展的新的歷史階段，高校的人才培養要符合創新型國家建設的戰略目標。為此，很多教育工作者都做出了不懈的努力[1-3]。本文討論的是本校電類專業試點班《控制理論》課程的實驗教學實踐。試點班學生的特點是素質高、學習能力強。試點班學生培養的宗旨是培養高水平的科學家和工程師，在培養過程中崇尚“做中學、探中學”的教育理念和“交叉·融合·體驗·自主”的指導思想。根據試點班學生的培養宗旨和教育理念及指導思想，《控制理論》課程教學的特點是：理論課程強度大、實驗教學占比高，對學生掌握和運用課程知識的要求高。在實驗占比高的高素質學生課程教學中，如何充分發揮實驗教學在學生素質培養中的作用，是本論文探討的主要問題。

一、課程教學的總體安排

該課程共64學時，教學內容分經典控制和現代控制兩個部分，分別為34和30學時。課程的經典控制教學部分由理論教學、示范實驗教學和實踐實驗教學三個部分組成，這三部分學時占比分別為56%、17%和28%。在經典控制教學中，總的實驗學時占比高達44.5%，而在普通班的經典控制教學中，實驗學時占比一般為總課時的9.4%-12.5%。從上述數據可以看出：試點班的《控制理論》課程特點是單位學時內學習內容強度大、實驗占比高，更加注重學生在實踐中學習，充分體現了“做中學”的教育理念。

二、隨動系統實驗教學設計

1.實驗教學的目標和要求。本文討論的隨動系統控制實驗為《控制理論》課程中經典控制教學的實踐實驗教學部分，旨在通過該實驗的訓練使學生掌握經典控制理論的分析和設計方法，并能將這些方法應用到實際控制系統的分析、設計和性能調試中。對應經典控制理論教學，該隨動系統實驗教學的要求是學生能夠運用經典控制理論分析和設計方法，對實際隨動系統進行建模、性能測試和分析，然后根據隨動系統的實際情況，設計合適的校正裝置，使得校正后的隨動系統達到隨動性能的要求。與普通班實驗教學要求相比，該實驗更加注重培養學生的系統性思維能力和解決實際控制系統問題的能力。普通班的實驗由于時間上的限制，一般強調的是對局部知識的驗證和掌握。本實驗則是研究一個整體的控制系統，大跨度的實驗內容包括：（1）建立系統數學模型、通過測試各環節輸入輸出特性獲得數學模型的參數；（2）通過測量不同系統參數下的系統動態性能和穩態性能，來分析系統的特性；（3）設計校正環節，通過電阻電容和運算放大器來物理實現校正環節，經過理論設計和在線調試的迭代過程，使得整個反饋系統滿足隨動性能要求。該實驗需要學生在實驗的過程中有很強的系統觀念。作為實驗對象的隨動系統是一個實際的模擬系統，系統模型只能在一定程度上描述真實系統，也就是說學生面臨的控制對象不再是理論學習中由數學模型方程描述的理想線性系統，而是一個具有死區和飽和等現象的真實物理系統。校正環節的RC網絡物理實現，也只能在有限的電阻值和電容值中選擇。如何正確認識理想系統與真實系統的差異，在現實約束條件下，成功實現閉環隨動系統的校正控制，是學生在實驗中的面臨的一個挑戰，學生在實驗中需要有比較強的系統觀念和分析處理實際控制系統問題的綜合能力。因此，實驗教學是理論教學的一個重要補充。

2.柔性實驗設計。一般在普通班的實驗教學中，由教師設計好具體的實驗步驟和要填的實驗數據表格，學生按照實驗指導書按部就班地執行實驗、記錄實驗數據，總結結論并撰寫實驗報告。考慮到試點班學生素質高、自學和主動工作能力強，本實驗內容的安排是設定實驗目標，具體實驗過程、測試手段和校正方案設計可以一定程度上由學生自主選擇或者設計。例如，校正方案中采用哪種校正網絡、PID校正網絡參數的確定使用哪種方法可以由學生自主決定。具體實驗中的測量方法，學生可以采用指導書上的方案，也可以使用自己設計的測量方案；仿真輔助設計采用的軟件和方案也可由學生自主選擇。指導老師給出實驗的目標和實驗的大致過程，學生可以根據自己的興趣和能力來選擇系統建模、系統設計和實驗調試的實驗過程方案，也就說在滿足實驗最基本的要求下，實驗的內容和工作量是柔性的。這樣的柔性實驗安排，可以給有興趣并且能力較強的學生充分的自由發揮空間，最基本的實驗目標要求保證學生完成最基本的實驗任務。

3.柔性實驗的內容。隨動系統實驗內容由以下幾個部分組成：

（1）理解系統各模塊的數學模型結構，通過測量系統各模塊的輸入輸出特性，確定模塊數學模型的參數，最終獲得系統的開環傳遞函數。其中對于實驗數據分析、模型參數擬合，學生們可以自己選擇軟件工具，如可以選MATLAB或者Origin軟件。要求學生們能夠分析出數學模型的大致適用范圍。學生也可以自己設計測量方法完成各環節輸入-輸出特性的測量。例如對于電機速度的測量，學生可以選擇或自主設計測量方法。

（2）調試系統參數值，測量系統的動態和穩態性能，理解系統參數對系統性能的影響，為后續的系統校正參數調試打下基礎。通過性能測試讓學生了解實驗對象的電路特點，理解性能測量方法原理和測量波形的形狀。學生可以通過調試參數了解系統的性能，如臨界穩定狀態、臨界阻尼狀態等，學生也可以根據自己的設想，驗證在理論課所學的線性系統原理。

（3）進行校正系統設計和在線調試，使系統達到隨動系統性能指標的要求。要求學生必做的是超前校正和PID校正的設計與調試。在校正系統設計中，學生可以用理論課所學的計算方法、仿真軟件輔助設計方法或者參考文獻上學習的任何方法來確定系統的校正網絡參數，在線調試系統參數的策略也可以自己選定和設計。

（4）實驗報告撰寫。學生在查閱文獻、獨立思考和實驗設計與實施的基礎上，闡述實驗的原理、實驗過程、歸納總結實驗結果，并對實驗結果進行分析。實驗報告沒有統一的格式要求，學生可以根據自己的獨立思考，撰寫有特色的實驗報告。

從上述實驗內容要求看，任何一個實驗環節都有學生必做的基本部分，也有學生可以按興趣做的擴充部分，體現了柔性實驗的特點。學生可以根據自己的可用時間、興趣、能力，做自己設想的實驗，撰寫具有特色的實驗報告。任何自主提出的實驗想法和實施方法，都會在實驗成績評估中有加分。

4.柔性實驗教學的實施方式。柔性實驗教學的方式采用課堂教學、實驗實踐教學和自學相結合的方式。課堂教學主要是用多媒體技術講解隨動系統的組成、原理，給學生講解實驗的總體目標、課程實驗的大致步驟和要求，以及可以深入研究設計系統的各種可能性。教師還為學生提供課外參考學習文獻，拓展學生學習和思考問題的范圍，為提高學生思維的系統性提供基礎。學生根據實驗的要求，查閱并自學相關文獻資料以及相關仿真軟件工具的使用，研討隨動系統分析和設計方法。實驗實踐教學則要求學生在實驗室完成實驗的所有操作，如測試系統性能測試，校正網絡實現、在線調試和性能測試。為了更好地支持有興趣的學生嘗試新的實驗方案，除了按照傳統方式為學生安排課時內實驗室實驗時間，實驗室還為學生提供開放實驗時間，只要學生預約，學生可以在課時外的時間到實驗室做實驗。

5.實驗成績評估。傳統的實驗評估通常是檢查學生完成固定實驗內容的程度。與傳統實驗教學相比，在柔性實驗中，由于學生對實驗的興趣和能力的不同，學生實驗的內容和深度可以有所不同，成績評估方式更具有開放性。柔性實驗的評估方式包括二個方面，一是評估學生實驗基本目標的完成情況，如傳遞性能基本測試、系統模型建立、系統性能的基本測試和校正網絡的基本設計和調試；二是評估學生在實驗中的自主設計和工作主動性，主要是看學生對實驗的系統性理解認識，評估學生實驗方案的設計能力及實驗方法的創新能力。

三、柔性實驗教學效果分析與思考

經過三屆試點班實驗教學的實踐，結果表明：上述柔性實驗教學發揮了學生的主觀能動性，鍛煉了學生的自主學習和設計的獨立工作能力。比如，有些學生在實驗中提出了自己的確定校正電路參數的計算機軟件輔助設計過程，也有學生提出了自己的電機轉速測量方案。這種柔性實驗教學一定程度培養了學生的自主實驗設計能力和在實驗中發現問題、解決問題的能力。

在本文討論的教學對象范圍內，學生的基本狀態是求知欲強、學習能力強、認真預習，努力實現高標準的實驗要求。學生的能力和興趣差異決定了學生對待實驗的不同狀態，一部分學生實驗非常主動、努力，一部分學生由于興趣方向和對自己職業方向設計的不同，對實驗精力的投入有限；試點班學生是差異化的，高素質學生各具特點，在引導學生對課程實踐的興趣、盡量挖掘學生的潛能同時，包容學生有不同節奏的認知發展過程和對培養領域的不同學習興趣，創造寬松、柔性的學習環境，對于培養人格健全的高素質人才也是不可缺少的。最基本的實驗要求，是對由于各種原因對實驗投入精力有限的學生的包容。雖然實驗沒有提供非常剛性的要求，但大部分同學都對實驗做了認真、積極主動的實踐努力，體現了試點班學生學習的潛能和主動性。特別是對實驗興趣高、能力比較強的學生，柔性實驗的教學方式為他們提供了自由發揮的空間。這些學生通過查閱文獻和學習使用相關軟件工具，嘗試了課堂教學范圍以外的系統設計方法，提高了學生的自主學習和實驗設計能力。學生們提出的好的設計和實驗方法可以在下一屆實驗教學中推廣，使得實驗教學的持續改進主體由參與教學的老師和學生共同組成。

試點班的柔性實驗教學是新的教學理念的實踐，試點班學生的高強度重實踐的教學模式的形成是教學過程和學生學習需求的一種不斷磨合過程。在實驗報告中要求學生表述自己的實驗收獲和感想，對實驗教學的方式和實驗安排提出反饋和改進意見。實驗的教學方法會根據學生的反饋不斷調整。每屆學生的選課情況都會有所變化，適時收集學生對實驗安排的反饋意見，是適配學生學習需求的保證措施。

參考文獻：

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