自控原理實驗互聯網虛擬仿真綜合教學探索

楊姍姍 王彪 王瑛

摘要：自控原理實驗課是自動控制及其相關專業的一門重要專業基礎實驗課，是幫助學生理解理論知識和培養學生動手能力的一個重要的教學環節。隨著互聯網的普及和虛擬仿真技術的發展，為了增強實驗教學培養的效果，該研究提出了一種基于互聯網學習平臺軟件和飛行控制虛擬仿真實驗平臺的自控原理實驗教學模式。實驗前，通過豐富的線上預習資源幫助學生為實驗課做好充足的準備。面授實驗教學中，結合傳統電子線路模擬仿真實驗箱和具有工程應用背景的虛擬仿真實驗平臺來實現多元化多層次教學，激發學生的學習興趣和探索創新的動力。實驗后通過綜合評價反饋機制改進教學內容和方法。整個教學體系閉環高效，實驗教學質量得到有效提高。

關鍵詞：自控原理實驗??線上預習資源??虛擬仿真實驗平臺??教學內容??教學方法

中圖分類號：G642.0???????????文獻標識碼：A

Exploration?of?Internet?and?Virtual?Simulation?Integrated?Teaching?of??Automatic?Control?Theory?Experiment

YANG?Shanshan??WANG?Biao??WANG?Ying

（College?of?Automation?Engineering，?Nanjing?University?of?Aeronautics?and?Astronautics，?Nanjing，?Jiangsu?Province，?210016?China）

Abstract：Automatic?Control?Theory?Experiment?is?an?important?professional?basic?experimental?course?in?automatic?control?and?its?related?majors，?and?it?is?an?important?teaching?link?to?help?students?understand?theoretical?knowledge?and?cultivate?their?manipulative?ability.?As?the?popularization?of?the?Internet?and?the?development?of?virtual?simulation?technology，?in?order?to?enhance?the?effect?of?experimental?teaching?and?cultivation，?this?study?puts?forward?a?teaching?mode?of?Automatic?Control?Theory?Experiment??based?on?Internet?learning?platform?software?and?the?flight-control?virtual?simulation?experiment?platform.?Before?the?experiment，?it?helps?students?make?adequate?preparations?for?the?experiment?class?by?rich?online?preview?resources.?During?teaching?the?experiment，?combined?with?the?traditional?analog?simulation?experiment?box?of?electronic?circuits?and?the?virtual?simulation?experiment?platform?with?the?background?of?engineering?application，?it?realizes?diversified?and?multi-level?teaching?to?simulate?students’?interest?in?learning?and?driving?force?for?exploration?and?innovation.?After?the?experiment，?it?improves?teaching?content?and?methods?by?a?comprehensive?evaluation?and?feedback?mechanism.?The?whole?teaching?system?is?closed-loop?and?efficient，?and?the?teaching?quality?of?the?experiment?has?been?effectively?improved.

Key?Words：?Automatic?Control?Theory?Experiment;?Online?preview?resources;?Virtual?simulation?experiment?platform;?Teaching?content;?Teaching??method

自動控制原理是自動化相關專業的一門重要的專業基礎課，在專業課程體系中占有重要地位，是本科生后續課程和研究生課程的基礎。它的特點是理論性強、內容豐富、設計知識面廣、信息量大、比較抽象、更新發展快，且具有一定的深度和難度[1]。自控原理實驗則是幫助學生們理解抽象的理論，并在此基礎上培養學生的分析設計能力、工程實踐能力和創新能力。目前，傳統自控原理實驗主要是結合Matlab軟件進行數值仿真和基于電子線路實驗箱進行模擬仿真兩種模式。這兩種模式均存在實驗內容陳舊，受元器件不穩定影響較大，實驗結果不直觀，學生對實驗的思考不足和對實驗學習的積極性不高等問題[2]。

教育部高等教育司黨支部書記、司長吳巖在?2021?年全國高教處長會議上指出，高等教育高質量的根本與核心是人才培養的高質量，高質量課程則是人才培養的核心要素[3]。隨著“互聯網+”這個概念在各行各業的蔓延、滲透，傳統的教育模式已開始步入被改造之列。通過互聯網，可構建現代信息技術與新興的學生學習評價、教師專業發展網絡平臺，在師生學習發展方面，由單純的資源提供向師生自主參與、互動反饋轉變[4]。虛擬仿真實驗教學其本質就是運用虛擬仿真技術構建系統統一、?完整的虛擬實驗環境，還原真實實驗的教學要求、實驗原理、操作環境及互動感受，具有沉浸性、交互性、?虛幻性、逼真性等特點[5]。

豐富的網絡學習平臺（如超星學習通）和具有三維視覺效果的虛擬仿真軟件的應用變得日益廣泛。因此，該文提出一種結合互聯網軟件和虛擬仿真技術的新型自控原理實驗教學模式，并對該方法進行總結和探索。該方法目前已應用于南京航空航天大學自動化學院2021—2022年第二學期的自控原理實驗教學中，教學效果良好，達到了預期目標。

1實驗教學體系的構建

根據《自動控制原理實驗課》的教學計劃和教學目的，結合互聯網軟件（超星學習通平臺）和虛擬仿真技術（飛行控制虛擬仿真實驗平臺），以自控原理課程教學中涉及的控制律設計方法為基礎，以學生運用知識綜合設計能力培養為導向，分層次分難度地設計實驗內容，既可以讓學生們扎實地掌握經典和現代控制理論中的控制方法：時域、頻域、復域以及狀態反饋，又可以將這些控制方法綜合運用到工程實踐中。具體的教學模式框架如圖1所示。

整個教學模式分為課前預習、課上面授和課后評估反饋3個部分，這3個部分環環相扣，緊密結合，總結教學效果，通過教學效果分析改進教學模式。課前，學生通過發布在超星學習通中的預習微課視頻預習實驗理論和掌握實驗仿真軟件以及實驗箱的操作方法；課中，教師通過結合電子線路實驗箱和飛行控制虛擬仿真實驗平臺，指導學生進行多元化的實驗，培養學生的動手能力和綜合運用控制理論解決實際工程問題的能力。課后，綜合考核機制可以為老師們提供全面的實驗成績評定方法以及學生學習效果總結的途徑，從而進一步改進教學內容和教學方法。對于學生在實驗過程中產生的疑問，該教學計劃中將運用多種軟件進行線上線下答疑相結合的方式來解決。其中虛擬仿真軟件因為不受實驗空間和時間的約束，可以一直貫穿這3個部分擋中，為學生系統地進行學習提供便利。

2利用豐富的軟件資源開展實驗預習

實驗課前預習是學生做好實驗的前提和保障[6]。在面授實驗課之前，通過實驗預習視頻掌握實驗原理中的知識點和了解實驗儀器的操作要點是非常重要的一個環節，直接影響到實驗課的操作效率和學習效果。自控原理實驗預習中重要的一環是對所設計的控制律進行數值仿真，?Matlab軟件用于驗證設計的控制系統傳遞函數的正確性，而Multisim軟件用于驗證相對應的模擬仿真電路設計的正確性。預習中的仿真驗證環節可以保證面授實驗課操作模擬實驗箱部分的順利進行，解決了控制律設計理論層面的問題。

該課程組在2020年疫情期間錄制了全套的實驗預習視頻微課，將實驗理論、實驗要點和難點，Matlab軟件和Multisim軟件的仿真演示，以及實驗儀器的操作方法以微課的形式呈現在預習視頻中。課前，將預習視頻和實驗講義發放在超星學習通平臺上，學生可以通過手機或電腦觀看學習并完成預習作業。通過線上預習作業的批改，教師可以直觀地掌握學生們預習視頻的觀看效果，并通過這個結果進一步調整和改進預習視頻的內容。預習視頻截圖具體如圖2、圖3所示。預習部分不光有預習視頻，還設置了預習作業環節以考核每位同學的預習效果。預習作業的形式包含問答測驗和提交控制律設計過程和仿真過程兩種，根據不同的實驗內容進行不同的預習作業內容設置。超星學習通平臺中的預習作業設置界面如圖4所示。

3虛擬仿真實驗平臺與自控原理實驗箱有機結合教學

目前，傳統自控原理實驗是通過實驗箱中的模擬電路來對控制系統進行模擬仿真。通過結合運算放大器、電容和電阻構建控制系統，并運用虛擬儀器軟件和AD/DA接口實現信號發生器和示波器，整個實驗過程可以鍛煉學生的動手能力和排除元器件故障的能力，并且理論清晰易懂，對于初學控制理論的學生是一個很好的入門實驗設備。但是自控原理實驗箱中的控制系統仍然是仿真控制系統，不具備控制工程實際。根據工科學科教學高度依賴工程應用背景的特點，自控原理實驗僅僅通過數值或者模擬線路仿真是無法讓學生真切的感受到控制理論在工程中的實際應用，理論與實際脫節，將無法激起學生探索和創新的動力。因此，開發一款具有很強工程應用背景的虛擬仿真軟件與傳統的自控原理實驗箱相結合進行教學變得尤為重要。

基于該校的航空特色，一款以固定翼飛機為被控對象的飛行控制虛擬仿真實驗平臺被開發出來應用在自控原理實驗課程中，該實驗平臺是一套基于Unity3D軟件和Matlab/Simulink軟件聯合開發的三維虛擬仿真實驗平臺。實驗平臺界面如圖5、圖6所示。在實驗中，學生可以清晰、立體地看到自己設計的控制律改變飛機姿態的實時效果，并通過實驗曲線分析控制系統的性能，改進控制律設計。

該虛擬仿真實驗平臺構建了包括飛機配平與控制律設計兩大方向共六大實驗，并提供兩個難度層次進行選擇，即修改PID參數和自主重新選擇控制律。老師可以根據學生們不同的學習能力和學習進度進行排列組合以適應當前教學要求，可選擇的實驗內容與難度如表1所示。

該虛擬仿真實驗軟件將理論課上學習的控制理論知識綜合運用于實際飛行控制設計中，并且通過虛擬仿真軟件中的非線性飛機模型與Matlab軟件中的線性仿真結果進行曲線數據對比，讓學生近距離直觀地感受到控制理論的實際應用價值以及工程應用與理論數值仿真之間的差別，增加學生學習的興趣，激發學生進一步探索和研究控制理論的動力。

虛擬仿真實驗平臺不受時間、空間及實驗條件制約，能多次重復安全實驗并便于共享推廣[7]。在每學期實驗課程開始前，將虛擬仿真軟件和使用說明書共享在超星學習通中供學生下載使用學習。學生先在實驗前通過使用說明書自主實驗嘗試，之后面授課中在實驗老師的指導下進行系統實驗，最后課下還可以根據課上的學習內容再進一步探索和創新不同的控制律設計方法，反復嘗試，多次實驗，深度學習。虛擬仿真實驗平臺可以貫穿在整個教學體系中，針對不同學習程度的學生，發揮多樣學習的作用。

4?利用豐富的軟件平臺進行答疑

當學生在實驗課預習視頻的觀看中或者完成預習作業的過程中存在疑問，或者當同學們課后通過在虛擬仿真實驗平臺中多次實驗進行探索創新的過程中產生疑問，實驗老師們都可以靈活運用多種線上軟件進行答疑，如騰訊會議，或者超星學習通軟件，及時解決預習中的困惑。實驗老師們也可以通過觀察學生的預習疑問及時調整教學過程，并且通過課后答疑與學生儀器探索改進教學內容，總結新的教學方法。

5實驗成績綜合評價機制

實驗綜合評價機制是由實驗預習成績、實驗操作打分和實驗報告成績這3個部分組成，并且這3個部分按照一定的加權系數計算最后得出最終成績。其中預習成績不光包含對預習作業的批改也包括超星學習通中反映出的預習視頻的觀看情況，實驗操作打分是反映學生在實驗過程中的動手能力和解決問題的能力以及進一步探索學習的能力，實驗報告成績主要反映了學生數據整理、數據分析，以及根據分析得出結論并進一步思考的能力。三者綜合起來，可以全面評價一個學生的實驗學習效果，并作為反饋信息來幫助實驗老師們調整和改進教學內容和教學方法。

6結語

為了改進傳統自控原理實驗教學的諸多問題，適應互聯網快速普及和虛擬仿真技術不斷發展的當今社會，以及培養學生動手能力和綜合解決實際工程問題的能力，該文提出了一種基于互聯網軟件和虛擬仿真實驗平臺的自控原理實驗教學模式。該教學模式在2021—2022年第二學期中應用于兩個自然班，共計70人的實驗教學中，教學結果良好，學生學習積極性高，取得了很好的教學效果，學生反映在實驗學習中感受到了控制理論的工程應用價值，并對進一步探索和研究控制理論產生了濃厚的興趣。

參考文獻

[1]??唐超穎，冒澤慧，丁勇，等.現代控制理論線上教學實踐探索[J].科技資訊，2022（5）：148-152.

[2]?胡燕，黃霞，張冰洋.“自控原理”虛實結合實驗平臺設計與應用[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：84-88.

[3]?張敏，文福安，劉俊波.高質量虛擬仿真實驗教學課程內涵和特征[J].實驗技術與管理，2022，39（3）：1-4.

[4]?李海，王茜，牟以卉.“互聯網+”電路板設計實驗教學的改革與探索[J].實驗室研究與探索，2018，37（5）：213-258.

[5]?孫福，孫佳怡，劉國慶，等.虛擬仿真實驗教學項目評價研究.[J].實驗技術與管理，2020，37（7）：187-190.

[6]?吳威，戴存禮，陳桂云.超星學習通在大學物理實驗教學中過程管理的應用[J].廣西物理，2021，42（2）：77-78.

[7]?史影，王偉偉，周耐明，等.生物化學綜合性虛擬仿真實驗建設與教學探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（4）：154-158.