“自動控制原理”課程實驗教學改革與探索

摘要：“自動控制原理”是一門集理論性、實踐性和應用性于一體的專業基礎課，實驗教學是該課程教學的重要組成部分。針對“自動控制原理”實驗教學目前存在的主要問題，結合在教學中的實際經驗，對實驗教學進行了改革與探索，解決了目前該課程實驗教學面臨的主要困難，促進了學員學習“自動控制原理”課程的積極性，提高了學員的動手實踐能力和創新能力。

關鍵詞：自動控制原理；實驗教學；教學法改革

作者簡介：王柯（1983-），男，陜西西安人，空軍工程大學防空反導學院，講師；周延延（1976-），女，陜西西安人，空軍工程大學防空反導學院，講師。（陜西 西安 710051）

基金項目：本文系陜西省自然科學基金項目（項目編號：2012JM8020）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0140-01

“自動控制原理”課程是空軍工程大學防空反導學院本科專業學生必修的一門重要的專業基礎課，是一門集理論性、實踐性和應用性于一體的課程。通過該課程的學習，學員應掌握自動控制系統分析和綜合的基本方法，能夠根據所學知識，分析與本專業相關的武器裝備中控制系統的性能，能夠運用所學知識分析和解決實際問題。

實驗教學是保證該課程教學效果的重要部分。實驗教學內容必須緊隨學科前沿，教學手段必須激發學員對實驗的興趣，教學模式必須啟發學生的研究性思維。本文結合筆者近年來的實際教學情況，就“自動控制原理”實驗教學目前存在的主要問題和改革方法進行了探索。

一、目前存在的主要問題

1.實驗內容多，實驗學時少

“自動控制原理”課程內容包含經典控制理論和現代控制理論兩部分，內容豐富，理論性強。而根據課程標準學時安排實驗學時則會不到理論學時的10%，存在嚴重的實驗內容多、學時少的矛盾，導致實驗課時緊張，教學效果必定也會受到影響，造成學員逐漸失去興趣進而放棄的后果。而如果為了保障實驗時間，縮減每學時的教學內容，必定會影響到學員對部分教學內容的掌握。因此，造成了一種難以取舍的現狀。

2.驗證性實驗多，綜合設計性實驗少

目前大多數高校都是采用自動控制原理實驗箱和計算機進行教學，學員只需要按照實驗指導書的操作步驟連接電路或者通過計算機仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統仿真模型，最后通過示波器觀察實驗結果，這類實驗項目要占到實驗課時的80%左右。這樣方便、高效，可以快捷地觀測到實驗結果。但是過多的驗證性實驗影響了學生的實驗積極性和創造性，不利于培養學員的綜合素質和創新能力。

3.教學方法單調，實驗考核不科學

傳統的實驗教學中基本都是先由學員預習實驗指導書，然后由教員向學員講述實驗的目的、原理、實驗材料和儀器等相關內容，學員再按照教員的講解按部就班的進行操作完成實驗，寫出實驗報告。最終的實驗成績主要依賴于學員實驗報告書寫的工整性和內容的完整程度來決定，該成績評定方式存在一定的隨意性，影響了學員學習的積極性，導致學員學習興趣不高，達不到好的學習效果，不利于培養學員分析問題和解決問題的能力。

二、教學改革與探索

對于“自動控制原理”課程的實驗教學改革而言，改革的重點須放在如何提高學員創新思維能力和工程實踐能力的培養上。在教學過程中重視學員在教學活動中的主體地位；在行動上注重學員獨立思維能力、創新意識和團隊協作能力的培養，充分調動學員學習的主動性、積極性和創造性。[1]因此，在課程實驗教學方面做了如下改革與探索：

1.基礎性實驗不限時，研究性實驗多鼓勵

隨著控制科學技術的發展和計算機技術的應用，新的控制方法和控制手段也越來越多，“自動控制原理”課程實驗內容多、學時少的矛盾越來越突出。為了解決這一矛盾，根據各專業特點以及對自動控制原理知識的需求來確定對實驗內容的取舍，精簡課堂實驗內容，增加課外研究實驗。在教學計劃外的時間，對所有學員以預約的方式開放實驗室，學員可以根據自己的需要和興趣，在實驗室求證課本知識，或者自選相關的實驗項目進行設計和實驗，這一舉措不但培養了學員的自主學習能力，發揮了學員的個性與特長，還提高了專業儀器設備的利用率。對于特別突出的學員，還可被吸收到科研課題組，參與部分科研項目工作，為學員創造了更大的能力提升空間。

2.增加綜合設計性實驗和先進控制理論演示實驗

綜合設計性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗，根據給定的實驗目的和實驗條件，設計實驗方案、擬定實驗程序，加以實現并對結果進行分析處理的實驗。[2]目的在于培養學員綜合考慮問題、分析問題、解決問題的思維方式，使學員的實驗與創新能力得到全面鍛煉，體現了以人為本的教育思想。為此，一方面開發了兩個代表性的綜合設計性實驗：磁懸浮控制系統的PID控制器設計實驗，要求學員理解PID控制器的基本原理，掌握PID控制器的設計，完成參數整定與仿真；直線一級倒立擺頻率響應控制實驗，要求學員對系統的頻率響應進行分析，設計頻域法校正控制器及完成系統仿真。另一方面設置了幾個先進控制理論演示實驗，使學員可以了解自動控制技術的新技術、新方法，比如智能控制演示實驗（仿人雜技機器人、足球機器人）、隨動系統演示實驗等。這兩類實驗不僅可以調動學員的學習積極性，活躍教學氣氛，還可以得到較好的反響。

3.改變傳統的實驗教學方法

采用啟發式教學，根據以往實際教學的經驗，把實驗中易出現問題的地方及如何解決問題的方法總結出來，[3]作為實驗注意事項讓學員在預習時提前學習，這樣既可以減少大量學員同時請教員幫助，教員忙不過來的混亂場面，又可以啟發學員積極思考問題、解決問題的思想，培養學員的實際動手能力。在實驗過程中，要充分鼓勵學員發揮自己的想象力，自己動手完成實驗。在滿足實驗要求的前提下，還允許學員按自己的想法自主實驗。比如“典型二階系統的階躍響應實驗”，可以鼓勵學員自己選擇合適的參數，也可以得到二階系統的幾種工作狀態，再將結果和實驗指導書上的結果進行比較。

采用對比式教學，在理論教學的基礎上，把軟件仿真實驗和硬件實驗相結合。目前“自動控制原理”實驗方式主要分為兩類：一是通過MATLAB/Simulink軟件仿真，進行系統的分析和設計；[4]二是通過硬件系統參數調整對系統進行分析和設計，兩類實驗都沒有把硬件和軟件相結合。為此，對于部分實驗項目采用了從軟件仿真實驗到硬件實驗這樣一種對比式教學方法。如對于“頻域法串聯校正設計實驗”，學員可以先通過Simulink軟件仿真得到實驗結果，再通過連接硬件電路得到硬件實驗結果，最后把軟件仿真和硬件實驗結果對比分析，不僅能讓學員發現不同環節實驗中的問題，而且可以增強學員的學習興趣，從控制工程的角度講，也加深了學員整個控制系統的認識。

4.完善考核評價體系

考核雖然不是學習的最終目的，但是考核設定合理便可為提高教學水平與學生素質提供動力。為此，實施了多元化的考核方式，采用了實驗結果、實驗報告、平時成績和創新內容綜合的評價方式，實驗結果和實驗報告各占30%，平時成績和創新內容各占20%。通過這四個方面的考核，使教員比較準確地掌握學員的實驗操作能力、觀察分析能力和創新思維能力，從而對每一位學員給出綜合評定，受到學員的歡迎。

三、結束語

實驗教學是“自動控制原理”理論教學的重要組成部分，是培養學生能力與素質的重要手段。要逐步構建以能力為核心、以學員為主體、以學員自我學習和訓練為主的實踐教學體系。針對“自動控制原理”課程實驗目前存在的主要問題，從改革實驗教學內容、教學模式、教學方法和完善實驗考核評價體系等幾方面進行了探討，提出了對該課程實驗教學進行改革的思路和辦法。隨著自動控制技術的飛速發展，不斷探索新的教學理論、增加新的教學內容，把理論教學和實驗教學真正的有機結合起來，培養出理論基礎扎實、動手能力過硬、創新思維活躍的高素質學員。

參考文獻：

[1]徐毅成，趙月飛.電類實驗課程教學改革與實踐[J].佳木斯教育學院學報，2011，（11）：117.

[2]徐皓.細胞生物學實驗課程改革與創新人才培養[J].科技信息，2011，（34）：57-60.

[3]鄢圣茂，宋立忠.“自動控制原理”實驗教學研究與實踐[J].中國電力教育，2011，（27）：137-139.

[4]羅成漢，張富忠.MATLAB在自動控制原理教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2010，（13）：57-59.

（責任編輯：孫晴）