基于創新實踐能力培養的自動控制元件課程實驗教學模式改革與探索

關鍵詞：創新實踐；自動控制元件；實驗教學模式；改革；能力培養

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）17-0070-04

Abstract： In response to the current situation that the experimental teaching of Automatic Control Components is mainly based on verification， with a serious lack of innovative content， prominent \"replication\" phenomenon in experiments and simple evaluation mechanism， which is difficult to meet the need of high-quality talents for cultivating innovative practical abilities. Therefore， a trinity of experimental teaching reform measures such as \"diversified experimental forms， innovative integration of science and education， and diversified assessment mechanisms\" are proposed. Extending and expanding the time and space of experimental teaching will be realized， strong scientific research of the subject is transformed into an advantage in talent cultivation and students are actively guided and stimulated to focus on the cultivation of various practical and innovative abilities.

Keywords： innovative practice; Automatic Control Components; experimental teaching mode; reform; ability cultivation

實驗教學是實踐教學的重要組成部分，也是提升大學生創新實踐能力的重要途徑之一[1]。自動控制元件是高等工科院校航空航天、儀器儀表等專業的核心課程，是探測制導與控制技術、測控技術及儀器專業學科的基礎必修課程。該課程以電磁理論為基礎，主要講述不同執行器的結構、原理及特性，具有理論性強、原理抽象的特點。為了便于學生理解與掌握相關知識點，激發學生學習興趣，多數高校從實驗項目、實驗配套資源等方面開展了相關探索和研究，取得一定的教學效果。然而，受限于實驗學時、設備放置空間及實驗設備數量，實驗內容多以驗證型為主，且一項實驗針對的往往只是某一概念或原理，不利于學生完整知識體系的建構[2-4]。同時，實驗中通常采取老師演示、學生復制的“教師主體”教學模式，極大地抑制了學生的想象力和創造力[5]。此外，評價方式多采用實驗報告成績，很難體現出學生個體綜合能力的差異性，在一定程度上削弱了部分學生創新能力鍛煉的積極性和主動性[6]。

針對上述自動控制元件實驗教學中創新內容嚴重不足、實驗“復制”現象突出、評價機制單一等問題，提出“實驗形式多樣化、科教融合創新化、考核機制多元化”三位一體的實驗教學改革措施，在實驗教學全過程培養學生的實踐和創新能力，有效地提高人才培養的質量。

一" 實驗形式多樣化

自動控制元件課程主要講述各個執行元件的工作原理及相關特性，而上述內容均以電磁原理為基礎，理論知識抽象難懂，大多數學生難以理解與掌握。且受實驗條件及學時限制，僅可開設三個實驗項目，難以覆蓋絕大多數控制元件相關內容，不利于學生完整知識體系的建構。為此，搭建多電機模塊化實驗設備，采用虛擬仿真與實例相結合的立體式實驗教學模式，打破時間和空間限制，實現時間上從課內向課外延伸、空間上從室內到室外拓展。

（一）" 模塊化多電機實驗平臺

目前，自動控制元件課程總學時為56學時，為了便于學生對理論知識點的理解與掌握，將實驗課時由原來的6學時增加為16學時。同時，基于主流控制元件中6類元件及現有設備安放空間約束，采用模塊化思路，搭建了集直流電機、變壓器、步進電機、伺服電機、無刷直流電機和旋轉變壓器于一體的綜合實驗平臺，設置了8個實驗，如直流電動機的固有特性和人為特性實驗、步進電機的工作特性實驗、交流伺服電機的幅值-相位控制特性，變壓器的空載和負載運行特性、無刷直流電機工作特性及正余弦旋轉變壓器實驗（圖1），基本涵蓋了多數典型控制元件的相關內容。

實驗前將實驗指導手冊提前發放給學生做好實驗預習工作，主要包括實驗目的、實驗原理、實驗設備及實驗內容等，使得學生明確自己要做什么、如何做。實驗過程中，學生基于實驗內容和實驗設備獨立設計實驗方案并連接線路，老師僅進行相關檢查，切實使學生成為實驗主體，記錄數據并對其分析，加深對相關知識點的理解和應用。比如在異步電機啟動過程中，多數學生通過實驗感受到星型接法和角型接法時電流大小區別，體會到星角啟動確實能降低啟動電流，但發現電流數值之比和理論值差別較大。通過實驗小組內部討論與分析，認為問題可能因數據采集頻率不夠快難以及時有效地捕捉到啟動電流。為此，采用示波器和電流傳感器來記錄啟動電流變化的全過程，并進一步通過波形分析得到的值大致和理論吻合。可以看出，在整個實驗過程中，學生既能通過實驗現象及數據直觀地將理論知識進行呈現，激發了他們的學習興趣，又鍛煉了他們實際工程問題的解決能力，也能有效促進創新能力的提升。此外，在實驗報告環節，提高思考題難度，比如在伺服電機實驗時通過實驗方法觀察到圓形旋轉磁場、橢圓形旋轉磁場，在此基礎上提出當有效信號系數從0至1變化時，電機磁場的形狀會怎樣變化？被分解成的正、反向旋轉磁場的大小又如何變化？通過類似思考題的設置，培養學生分析及解決問題的能力，把所學知識點串起來、用起來，有助于學生完整知識體系的建構。

（二）" 基于仿真與實例相結合的立體式教學

受限于放置空間使得實驗設備套數少及固定空間和時間，即使采用多輪次實驗和分組也難以滿足每個學生均可自己動手完整地完成每個實驗內容，進而可能導致基礎薄弱的學生出現“掉隊”甚至“厭學”情緒加劇，教學效果也會大打折扣，學生的動手和分析及解決問題的能力也沒有得到充分鍛煉。為此，教學團隊采用 MATLAB 等仿真軟件開發自動控制元件仿真實驗項目如圖2所示，內容涵蓋了直流電機、變壓器、無刷直流電機和步進電機等典型執行元件。突破空間和時間限制，學生可隨時隨地通過仿真指導手冊學會如何搭建模型。在此基礎上，設置對應的拓展性實驗內容，讓現有的一個驗證型實驗稍微拔高變成一個較復雜的探索性實驗，難度提高一點但能讓學生 “跳一跳夠得著”，比如在無刷直流電機調速實驗基礎上，增加速度控制精度要求，進而驅動學生思考影響速度控制精度的主要因素及產生機理，由此激發學生對該問題的好奇心和科研興趣，使學生由被動地接受教師的灌輸轉變為主動地探究實驗。并且可在同樣的設計要求下，有不同的解決方案可供選擇， 提高學生的積極性和主動性，培養他們發現問題、分析問題和解決問題的能力及創新能力。

此外，通過引入MAXWELL 軟件建立自動控制元件虛擬實驗室，以實現控制電機實驗和計算機技術的結合。學生使用 MAXWELL 軟件能夠方便地改變設置和功能，形成不同功能的電機，并基于仿真結果可更加深刻體會到控制元件的電磁本質。通過基于仿真與實例相結合的立體式教學，學生既能直觀感受到相關理論的具體呈現，又可鍛煉如何應用所學理論知識來分析、解決實際問題的能力，且對自動控制元件及伺服系統的設計、調速及控制有一個更全面的實踐體會和深刻認識。

二" 科教融合創新化

教學團隊圍繞磁懸浮支承技術和新型電機及其驅動控制研究承擔了多項國家級項目。然而科研成果由于其復雜性和獨特性，不適于直接應用于教學及實驗課程中， 但科研成果中的核心基本知識和技術可以經過細化分解后應用于本科生的實驗教學中[7]。磁懸浮電機技術，尤其是其高性能電機控制技術作為上述創新性科研成果的核心關鍵技術，特別適合自動控制元件這門課程的實驗教學環節。本課程依托高速磁懸浮電機相關的創新性科研成果，設計了相關實驗內容（圖3）。以磁懸浮軸承為例，先從其部件開始如能實現位移測量功能的位移傳感器，了解其基本的工作原理和工作特性，其次熟悉磁軸承的基本結構、懸浮力產生機理及剛度（位移剛度、電流剛度）特性。在上述部件及內容熟悉的基礎上，如何實現懸浮力的控制和調節。內容上由部件級的基本認知到系統基本功能實現，學生知識面得以有效拓展。實驗難度從認知與拓展到探索與挑戰逐步攀升，使學生從動手能力鍛煉和工程問題解決提升到科研興趣培育和創新思維能力鍛煉。學生可根據自己的時間到實驗室學習，并安排研究生對其進行指導，形成“指導教師-博／碩研究生-本科生”指導梯隊。學生在接觸科研成果樣機的過程中，親自動手完成其中部分實驗課程，可以極大地提高學生專業知識學習的代入感[8]。學生對國家級科研成果有更加深刻和直接的認識，增強學習興趣、提高教學質量，實驗內容由驗證性和單一性向設計性和綜合性轉變，進而實現學科的科研強勢轉化為人才培養的優勢[9-10]。

三" 考核機制多元化

考核是自動控制元件課程實驗教學極其重要的環節之一。現有的考核機制多采用出勤率和實驗報告成績，僅可在一定程度上反映出學生掌握知識及分析問題能力的水平，很難體現出學生間個體創新及綜合素質的高低。這不僅打消了一部分積極主動要求上進學生的能動性，更抹殺了學生創新能力鍛煉的機會，必須對現有考核機制進行改進。實驗教學成績由驗證型實驗和綜合創新性實驗組成。驗證型實驗旨在幫助學生對知識難點的理解與掌握，因此考核側重于實驗過程的考核，占學生課程總成績的15%，如圖4所示。該部分基于前述的模塊化多電機實驗平臺和仿真實驗平臺，開設了8個驗證型實驗教學內容，考核采用百分制。8個實驗項目中，2個拓展性實驗，各占比為20%，其余均占10%，考核內容包括實驗前預習、實驗操作能力、實驗報告撰寫及數據分析，見表1。

綜合創新性實驗側重學生創新能力、綜合能力的培養，讓學生不僅掌握知識、工程技能，而且還強調工程師的“集成作用”，以及跨學科的知識、人際能力、團隊精神、工程倫理責任和終身學習的能力等，該部分占總成績的20%。綜合創新性實驗基于磁懸浮電機的相關內容，但電機種類不限。該部分實驗通過實驗任務的形式進行發布，讓學生自由組隊進行選題、設計、調試及最終完成項目答辯。由于是采用團隊形式合作完成，因此，采用百分制且每個團隊成員的成績等同于項目最終得分。該部分考核包括以下幾個方面：陳述與組織（10%）、報告撰寫質量（10%）、限期完成進度與參與程度（10%）、 功能與性能（30%）、設計復雜度和創新與挑戰性（40%）。

四" 結束語

通過“三位一體”的實驗教學改革措施及本課程的學習，學生能系統地掌握自動控制系統中常用的控制元件結構、原理、特性及選擇和使用方法，在學習能力、實踐能力和創新能力方面得到了較大的鍛煉和提高，為后續專業課程學習和實際工作打下了良好的基礎。基于“三位一體”實驗教學平臺，也使更多學生有機會了解非本專業的實驗知識，對學生的素質教育和創新能力的培養有很大的幫助。

參考文獻：

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[10] 高波，霍凱，陳羽，等.新工科背景下提升學生創新實踐能力的探究[J].實驗室研究與探索，2022，41（6）：178-181.