自動控制類專業教學實驗室建設探索

［摘 要］ 自動控制原理實驗室是面向全校自動控制類專業共享開放的專業基礎課程實驗室。通過對實驗室現狀進行分析，制訂實驗室建設的總體方案，主要按照驗證性實驗、綜合創新性實驗和其他輔助實驗等三個維度進行建設。搭建綜合創新性實驗平臺，解決目前缺乏高質量綜合創新性實驗平臺的問題，進一步支撐綜合創新性實驗和競賽、實踐、科研訓練等培養環節；建設輔助實驗平臺，支撐實驗教學等環節多種控制對象儀器設備的數據交互、運行監測，以及學生實驗操作的實時評價考核、原始實驗數據查詢和自動打印實驗報告等智能化功能。自動控制類專業教學實驗室的建設很好地支撐了課程的教學改革和目標達成度，效果較好。

［關鍵詞］ 自動控制類；實驗室建設；綜合創新性實驗；目標達成度

［基金項目］ 2022年度西北工業大學自動開放型教學科研平臺建設項目“自動控制原理實驗室建設項目”（0609022GS0301007）

［作者簡介］ 王京鋒（1981—），男，陜西合陽人，博士，西北工業大學自動化學院副研究員，主要從事自動控制原理實驗教學和實驗室管理工作研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0010-04 ［收稿日期］ 2023-07-10

陜西省自動化實驗教學示范中心（以下簡稱“中心”）隸屬于西北工業大學自動化學院，服務于全校和學院本科生進行實驗實踐創新類教學活動。自2019年我校實施大類專業招生和培養以來，自動化類各專業培養方案進一步修訂完善，其中新增3門必修公共專業基礎實驗課程、9門專業綜合實踐實驗課程，實驗教學任務大幅增加，實驗設備資源與上課學生人數出現不匹配的問題。目前在教學實驗設備方面，缺乏高質量綜合創新性實驗平臺，其數量也無法滿足學生自由選課的需求，亟待改善教學條件，提升教學品質，自動化類專業包括自動控制類專業教學實驗室需要更進一步的支持和建設［1］。

一、自動控制類專業教學實驗室現狀

中心依據自動化大類專業特點和實驗室資源整合后情況，對實驗室進行了專業劃分，如圖1所示。

劃分整合后，中心實驗室按照“三橫三縱”進行合理布局，橫向為“專業基礎課程實驗室—專業方向課程實驗室—創新實驗室/基地”三個層次，縱向為“自動化專業—電氣工程專業—機器人工程專業”三個專業。

自動控制原理實驗室是面向全校自動控制類專業共享開放的專業基礎課程實驗室。實驗室使用面積約74平方米，實驗設備16臺（套），主要設備有ACES-Ⅱ自動控制綜合實驗系統及計算機設備等，如圖2所示。

實驗室現有的主要實驗儀器設備大多采購于十年前，雖能開展課程理論的驗證及綜合實驗，但隨著技術的發展、設備的老化，已無法滿足學生開展畢業設計、創意競賽、創新實踐、創業項目等活動的要求。

作為學院和中心的本科自動化大類專業基礎課程實驗室，自動控制原理實驗室是為配合“自動控制原理”理論課（省級精品課程教學）而建設的專業核心課程實驗室。該實驗室目前面向全校5個學院10多個專業的本科生開設實驗實踐課程。其中，“自動控制原理實驗Ⅰ”（獨立設課）為學科基礎課程，24學時/1.5學分。對于每個必修實驗，可同時開出16組，每組2名學生，最多可容納32名學生同時參加實驗。

但是隨著支撐課程體系的改革創新，綜合性、開放型實驗教學內容比例逐漸加大，實驗室缺乏高質量綜合創新性實驗平臺，也無法滿足學生自由選課的需求，自動控制類專業教學實驗室需要更進一步的支持和建設，亟待改善教學條件，提升教學品質。

二、自動控制教學實驗室建設總體方案

為了進一步落實“雙一流”建設目標，滿足大類培養自動控制原理實驗條件，至少滿足每套設備2名本科生的小班（組）綜合性實驗課程教學和每年500人的實驗教學需求，自動控制類專業教學實驗室建設總體方案如圖3所示。

自動控制類專業教學實驗室建設總體思路是依據實驗室支撐的“自動控制原理實驗”課程等的實踐競賽環節需求，按照驗證性實驗、綜合創新性實驗和其他輔助實驗三個維度進行建設［2］。驗證性實驗平臺主要是在現有的ACES-Ⅱ自動控制綜合實驗系統的基礎上進行更新換代，可自主研發便攜式自動控制理論綜合實驗箱。綜合創新性實驗平臺主要是解決目前缺乏高質量綜合創新性實驗平臺的問題，可考慮購置倒立擺、電機伺服控制系統、球桿控制系統、無人機飛控系統、機器人控制平臺、飛行器模擬加載系統等一系列豐富的控制對象，進一步支撐綜合性、創新性實驗和競賽、實踐、科研訓練等培養環節。其他輔助實驗平臺建設主要是支撐實驗教學等環節多種控制對象儀器設備的數據交互、運行監測，以及學生實驗操作的實時評價考核、原始實驗數據查詢和自動打印實驗報告等智能化的實驗平臺。

在建設自動控制類專業教學實驗室后，還可對校內共享開放的實驗儀器設備進行交叉復用，形成自動控制類專業共享開放綜合實驗平臺［3］，進一步支撐校級智能無人系統創新實踐基地和本科生、研究生的創新實踐實驗室。

三、自動控制類專業教學實驗室建設

（一）搭建購置新型綜合創新性實驗平臺

定制直線直驅二階系統綜合控制平臺和直流伺服旋轉二階綜合控制平臺（如圖4所示）等創新型儀器設備，提升自控實驗室實驗硬件保障條件，滿足課程創新型實驗教學效果。

該平臺建設將豐富控制系統的被控對象，提升機器人工程專業控制類課程的實驗水平。實驗平臺均采用系統化方案，具有完整的反饋系統，其控制系統軟件平臺具有開放性，能與Matlab等工具軟件無縫連接，可滿足實驗從驗證型到綜合性、設計型和創新型的轉變［4］。

（二）更新換代ACES-Ⅱ自動控制綜合實驗系統

更新后的自動控制理論綜合創新實驗箱采用半實物仿真的方式，可配合各種元器件自由設計多種電路，配合Matlab軟件平臺實時仿真實驗現象和結果，實驗箱設計小巧緊湊，非常適合現有自動控制類實驗課程和課程設計，以及競賽、實踐等環節使用。實驗箱既可以有效補充現有自動控制原理模擬機開發靈活度不夠的不足，又可以和直線直驅二階系統綜合控制平臺、直流伺服旋轉二階綜合控制平臺結合使用，讓學生對模擬電路、典型控制系統有更加深入的理解，真正做到理論知識與實際操作相結合，如圖5所示。

（三）自動控制類實驗信息平臺的建設

自動控制類實驗信息平臺主要采用邊緣計算服務和控制裝置實驗信息平臺，通過建設自動控制類實驗信息平臺，使實驗室成為工業信息物聯的快速賦能智能控制綜合實驗室［5］。

邊緣計算服務平臺主要對實驗室的控制裝置數據進行收集、處理、決策及可視化，對學生實驗完成的模型、圖形和數據進行快速執行和上傳；控制裝置實驗信息平臺主要完成實驗室內部組網，并搭建基于局域網構架的實驗信息交互平臺，進而實現實驗室數據、儀器設備運行信息及學生實驗操作記錄的共享和分析。

自動控制類實驗信息平臺建設完成后可實現控制類綜合實驗室多種控制對象儀器設備的數據交互、運行監測，以及學生實驗操作的實時評價考核、原始實驗數據查詢和自動打印實驗報告等智能化功能，滿足新型綜合創新性實驗課程教學需求。

（四）可依托的其他實驗平臺

自動控制類專業教學實驗室建設也可依托學校或學院其他實驗平臺，如無人機飛控系統、機器人控制平臺、飛行器模擬加載系統等，均可共享復用，這樣可以避免重復建設和資源浪費等問題［6-7］。

四、教學實驗室建設支撐實驗課程改革

自動控制類專業教學實驗室建設完成后，較好地支撐了“自動控制原理實驗I”（獨立設課）等多門實驗課程，新建設的實驗平臺已在2019級、2020級本科生教學中成功應用，教學實踐表明實驗教學效果較好，并得到了學生的肯定。

以“自動控制原理實驗I”專業基礎課程為例，課程對專業畢業要求的支撐采取課程達成度評價方式進行。課程達成度評價表建立了課程目標與畢業要求指標點之間的支撐關系，通過對平時成績與期末成績進行分析、統計與計算，可判斷課程目標或畢業要求指標點是否被有效達成。從評價數據可以得出，課程總體達成度合格，為88.32％，各項較為均衡，效果較好。

結語

自動控制類專業教學實驗室建設后，進一步支撐了綜合創新性實驗和競賽、實踐、科研訓練等培養環節，很好地支撐了課程的教學改革和課程的目標達成度，效果較好。

參考文獻

［1］張海峰.“雙一流”背景下的一流實驗室建設研究［J］.實驗技術與管理，2017，34（12）：6-10.

［2］左鐵鏞.高等學校實驗室建設的作用與思考［J］.實驗室研究與探索，2011，30（4）：1-5.

［3］馬傳峰.實驗室資源的開發與開放［J］.實驗技術與管理，2010，27（12）：1-3+26.

［4］王杰，任佳.大力推進高水平實驗室建設著力培養創新人才［J］.實驗室研究與探索，2015，34（11）：233-237+258.

［5］張海峰，毛建瑞，劉一.創新人才培養視閾下的高校教學實驗室綜合改革［J］.實驗室研究與探索，2017，36（11）：246-251.

［6］董振旗，劉鵬，陳桂明，等.“6S”管理在實驗室管理中的應用研究［J］.實驗室研究與探索，2012，31（7）：410-412+415.

［7］嚴薇，王振中，張波，等.國家級實驗教學示范中心的可持續發展［J］.實驗室研究與探索，2016，35（10）：151-154.

Exploration on the Construction of Teaching Laboratories for Automatic Control Majors

WANG Jing-fenga，b， FAN Ze-minga

（a. School of Automation， b. Shaanxi Provincial Automation Experimental Teaching Demonstration Center， Northwestern Polytechnical University， Xi’an， Shaanxi 710129， China）

Abstract： The Automatic Control Principles Laboratory is a professional basic course laboratory that is open and shared for all automatic control majors in the school. By analyzing the current situation of the laboratory， an overall plan for laboratory construction has been developed， mainly based on three dimensions： confirmatory experiments， comprehensive and innovative experiments， and other auxiliary experiments. This paper proposes to establish a comprehensive and innovative experimental platform to solve the current lack of high-quality comprehensive and innovative experimental platforms， and further support the cultivation process of comprehensive and innovative experiments， competitions， practices， and scientific research training; The auxiliary experimental platform supports intelligent functions such as data exchange， operation monitoring， real-time evaluation and assessment of student experimental operations， original experimental data query， and automatic printing of experimental reports for various controlled object instruments and equipment in experimental teaching. The construction of teaching laboratories for automatic control majors has effectively supported the teaching reform of the course and the achievement of course objectives， with good results.

Key words： automatic control class; laboratory construction; comprehensive and innovative experiments; goal achievement