基于軌道交通硬件平臺的“自動控制原理”實驗教學改革＊

江樺

（西南交通大學信息科學與技術學院，四川 成都611756）

“自動控制原理”這門課是自動化、網絡工程（鐵道信號方向）、測控專業等相關專業重要的專業基礎課，其最終目的是使學生在實際工程應用中學會對控制系統進行設計及調試。由于該門課程數學基礎寬而深，理論知識較難，涉及的相關學科知識較多，導致學生在學習過程中出現理解、掌握知識困難，并且難以應用等問題。因此，理論結合實踐的教學方法有助于學生在全面理解并掌握自動控制系統的基本理論的基礎上，培養其動手能力及工程實踐能力。

1 引言

目前大部分高校“自動控制原理”課程的實驗環節課時較少，內容陳舊，模式單一，要么采用單一的電路模擬方法進行系統的性能分析，要么采用Matlab 軟件進行仿真，不能將理論和實踐有機結合，忽略了對學生的學習主動性和獨立解決問題能力的培養，束縛了學生對于新知識的探索，不利于學校培養出當代社會所需要的高素質高能力人才。因此，對傳統的“自動控制原理”實踐教學改革勢在必行。

為與本校特色相結合，踐行“交通強國”基調，與專業緊密聯系，西南交通大學信息科學與技術學院鐵道信息工程系結合3D 打印、電子、無線通信以及智能控制等技術研發具有測速、定位功能的新型模擬機車的控制系統，搭建軌道交通硬件平臺，建成了鐵道信號仿真實驗室。為建設發展新工科，以新工科理念為先導，分析研究新工科內涵、特征、規律和發展趨勢等，充分利用現有的城軌實驗室平臺，通過搭建硬件實物平臺，開發“自動控制原理”綜合性實驗，形成以學生為中心的工程教育模式，提高學生的自主學習熱情，進而提升實踐教學質量，提高學生理論結合實踐的能力，為培養造就大批多樣化、創新型卓越工程科技人才打下堅實基礎。

2 “理論—實驗—應用”的實踐教學體系

新工科是以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑。新工科的建設對高校教師提出了更高要求。在教學過程中，教師應在更新教育理念、轉變教學方式、制訂人才培養新模式、提高教育教學質量等方面做出積極探索與實踐。

為滿足當前“新工科”建設背景下的新需求，本文從教學模式、課內實驗內容、其他實踐教學3 個方面對“自動控制原理”實驗教學進行改革，將實踐教學貫穿于教學全過程中，著力培養“新工科”背景下具有綜合創新能力、科技開發能力的高素質應用型創新人才。

2.1 “理論—實驗—應用”的教學模式

“自動控制原理”課程理論性較強，圍繞新工科建設路線，對于學生培養方面理論聯系實際的要求，由課堂“教師中心型”轉向“上下聯動型”。線上教學包括MOOC 的視頻和在線作業及測試、在線答疑及討論等；線下教學結合“基于問題學習”的教學法，包括課堂講解、問題分析及討論、問題匯報及點評、課堂練習及測試等環節。此外，線下教學時可采用慕課堂等工具設置練習、討論等教學手段，使學生緊跟老師，全程思維在線。采用“理論—實驗—應用”的教學模式，構建實踐教學體系，設計動手實踐教學環節，達到加深學生對于“自動控制原理”課程基礎知識的理解，通過動手實踐培養學生對于學習的樂趣，進而將實踐教學延伸到科研學術活動，提升教學效果。

部分學生在學習過程中不能理解該課程教學內容間的聯系與區別，以自動控制系統常見對象——電機為例采用“理論—實驗—應用”的教學模式介紹該方法。電機的數學模型的獲得可通過解析法和實驗法獲得。課堂上，教師從理論上介紹建立電機數學模型的方法，指導學生進行電機數學模型的建立。在實踐教學中，教師指導學生就電機的數學模型進行從開環、閉環結構，時域、頻域分析系統的性能分析，選擇根軌跡法、頻率響應法、PID 等進行校正，以改善其性能。最后，將設計的校正裝置用于新型模擬機車的測速控制系統，形成完整的“理論—實驗—應用”教學體系，可較好地理論聯系實際，使學生清楚掌握理論的學習目標，完整、充分地認識控制理論體系。

2.2 開展分層次遞進式實驗教學內容

對已開設的基于“Matlab 軟件”的數字仿真實驗和基于電模擬方式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，并在已有的城市軌道交通仿真實驗平臺上，加入基于軌道交通設備、新型模擬機車的測速、定位功能的控制系統的綜合性實驗，構成多層次遞進式實驗教學。在掌握相關理論知識的同時，重點突出學生工程能力、實踐能力、創新能力和自學能力的培養。

如何理論聯系實際是“自動控制原理”課程的一大難點。例如學習系統頻率特性時，如何讓學生從本質上認識頻率特性的概念是這部分內容的基礎，在掌握頻率特性概念后，如何分析系統的頻率特性是該部分的一個重點。在完成理論課后，可先完成“基于Matlab 的線性系統的頻域分析”實驗，從理論上掌握頻率特性的概念，完成Bode 圖及Nyquist 曲線的繪制，真正從理論上掌握頻率特性的概念及系統頻率特性分析方法。此外，頻率的特性物理意義及其應用是該部分內容的的難點?？赏ㄟ^完成“線性系統的頻率響應分析”實驗，掌握對簡單的可通過解析法建模的系統采用實驗法獲得其頻率特性，并能通過測量得到的頻率特性獲得系統的數學模型，以此進一步明確頻率特性的物理意義及其應用。最后，理論結合實際，針對軌道交通硬件平臺的新型模擬機車利用頻率特性測試其數學模型，為系統設計與校正提供堅實基礎。采用這種方式，最終實現分層次遞進式的實驗教學，在幫助學生融匯貫通相關知識點的同時，進一步強化學生的工程能力、實踐能力等。

2.3 開放性實驗及課外實踐教學

在學生積累了相應的知識或需進一步深入學習智能控制等相關知識并實踐時，教師可指導性地提出問題，例如基于各種智能控制算法的模擬車速度控制系統設計、模擬車定點停車系統設計、鐵道沙盤車站溫度監控系統設計等。搭建的硬件平臺由西南交通大學信息科學與技術學院鐵道信息工程系的教師們自主設計，可將底層的資料開放給學生，讓學生從本質上了解硬件到底是什么，引導學生利用軌道交通的硬件平臺進行開放性實驗、SRTP、畢業設計、各類競賽及科學研究等，進一步提高學生的實踐動手能力、科研能力。

2.4 考核模式

基礎性實驗主要是針對理論教學的重要知識點開設，要求學生掌握對應概念及分析、設計方法，因此以驗證性實驗為主。主要考核學生能否根據給定的對象傳遞函數、性能指標要求，設計出校正裝置，并仿真進行驗證，最后根據系統性能指標及完成效果進行評分。

對于基于城市軌道交通設備等的應用性實驗，要求查閱相關資料，完成系統分析、控制器設計、參數制定的設計，根據完成度給出分數。要求學生學會工程需求分析，并選擇設計合理的控制方案，將分析和仿真結果以報告形式提交。

通過以上方法引導學生在理論學習的同時，通過綜合性實驗提高自身綜合素質。

3 結論

建設發展新工科，以新工科理念為先導，分析研究新工科內涵、特征、規律和發展趨勢等，充分利用現有的城軌實驗室平臺，研究如何通過搭建硬件實物平臺，開發“自動控制原理”綜合性實驗，形成以學生為中心的工程教育模式，提高學生的自主學習熱情，進而提升實踐教學質量，提高學生理論結合實踐的能力，為培養造就大批多樣化、創新型卓越工程科技人才打下堅實基礎。

“理論—實驗—應用”的教學模式和分層次遞進式實驗教學繼承了“自動控制原理”課程的原有教學模式，進一步深入踐行了以應用為目的的教學思想。和應用相結合、基于項目開發的綜合性實驗等可擺脫“自動控制原理”課程理論和實際應用脫離的缺點。受益專業較廣，包括鐵道信號、城軌控制、交通運輸、測控、自動化等相關專業。同時基于軌道交通硬件平臺的“自動控制原理”實驗教學改革正是適應新工科的要求，實現自動控制理論與軌道交通的交叉與融合，引入更多實踐的內容，加深學生對課程的掌握程度，為學生今后的學習打下堅實的基礎。