《控制工程基礎》課程實驗教學的研究與探討

陳 曉

（安陽工學院機械工程學院，河南安陽455000）

《控制工程基礎》課程是諸多工科專業，例如機械設計制造及其自動化、機械電子工程的一門重要基礎課程，為后續的專業課程提供了理論基礎和分析、設計方法。該課程的特點是理論性較強，概念多，內容抽象，并涉及數學、物理等多方面知識，具有一定的深度和難度。因此，該課程實驗教學的開設就在消化、理解和吸收教學內容上起到了非常重要的作用[1]。

目前，該課程所開設的實驗大多是驗證性實驗，缺少綜合性、設計性及創新性實驗，且實驗內容單一，極易造成學生理論與實驗、實踐環節脫節[2]，不利于學生對知識的掌握及應用。因此，根據課程特點，結合實驗條件與學時數情況，現提出采用“虛實結合”、原理驗證性實驗與綜合性、設計創新性實驗相結合的實驗教學方式，并按照課程教學重點以及各專業特色設置實驗項目，優化實驗教學體系，規范并完善實驗教學內容。下面針對這一思路作進一步探討。

1 實驗教學目標

實驗教學對學生的動手能力和創新能力的培養具有十分重要的作用。《控制工程基礎》課程實驗教學的目標就是通過設置一些實驗項目，使學生充分掌握控制理論的基本知識、基本方法和基本技能，調動學生所有的感知功能，最大限度地提高教學效果及學習效率，消除學生在控制理論中因抽象而產生的畏難、厭煩心理，激發學生學習的興趣，使學生處于一種探索、發現的學習過程，引導學生盡早進行科學實驗設計，培養學生的創新意識和能力[3]。

2 實驗教學內容

根據以上的教學目標，在實驗教學的內容規劃上，可以圍繞以下3方面來完成。

1）根據教學內容狀況和現有的實驗條件，采用“虛實結合”的實驗方法。

“虛”即是利用MATLAB仿真軟件，在SIMULINK仿真環境下，進行計算機仿真實驗。

MATLAB是一種用于工程計算和數值分析的交互式軟件，它將高性能的數值計算和可視化集成在一起，從而被廣泛地應用于科學計算，信息處理、控制系統等領域的分析、仿真和設計工作。其中包含的控制系統工具箱就是專門針對控制系統工程設計的函數和工具的集合，涉及了經典控制理論和現代控制理論的大部分內容，包括根軌跡圖的繪制、零極點的設置和最優控制等[4]。

如果將MATLAB融入實驗教學中去，先由教師選有代表性的題目在計算機上對學生進行演示，以便學生理解本次實驗的主要目的，然后由學生進行現場操作，同時針對學生在仿真過程中遇到的問題進行解答。這樣不僅可以起到輔助教學的功能，而且能增強學生的感性認識，加強其對授課內容的理解，提高教學效率。

“實”即是利用控制理論實驗箱，進行實驗系統實驗。

常見的控制系統分兩大類，一類是機械系統，另一類是電氣系統。對機械系統的模擬往往對實驗條件要求頗多，而對電氣系統的模擬則相對簡單易行。根據機電相似性原則，可以利用電氣元件模擬機械系統，使兩者具有相同的數學模型。就動態性能來說，對電氣系統模擬的研究，可以替代對機械系統的模擬[5]。所以，在本課程的實驗教學中，可采用控制理論實驗箱來完成相關實驗。讓學生在硬件電路箱上搭建控制系統，通過信號發生器、示波器、頻率分析儀等設備，分析測試系統特性，調整系統參數，從而進行控制器設計、控制仿真或實際控制實驗，由此培養學生獨立思考能力、科研能力和實際動手能力。

2）遵循循序漸進的原則，改變單一的實驗教學方式，采用驗證性實驗與綜合性、設計創新性實驗相結合的方法，優化實驗內容。

《控制工程基礎》的實驗教學，必須開設一定量的驗證性實驗，由教師指導學生對課堂上學過的定律、結論通過相關實驗加以驗證，從而深化理解。除此之外，也要加大綜合性、設計創新性實驗的比例，讓學生根據自己所學專業的特點及愛好進行實驗，改變學生的被動接受式學習方式，采用自主式學習為主導，培養學生的創新思維和獨立分析問題、解決問題的能力[6]。

3）根據教學內容的擴展線路，圍繞重要知識點進行實驗項目的設置。

《控制工程基礎》的教學重點有3個：系統建模、系統分析以及系統的校正和設計[7]。在實驗項目的設置上，應與這幾個重點的知識點緊密結合，開設如控制系統典型環節的模擬，控制系統的時域響應分析、穩定性分析，以及控制系統的校正與設計等實驗項目。

另外，對于非電類專業，例如機械制造、車輛工程等，也可開設一定針對各專業特點的實驗項目。比如機械制造專業，可以數控機床的運行控制為實驗內容，將機械制造與控制理論相結合，讓學生將理論知識用到實際生產中去，解決基本的工程問題，提高學生對課程及本專業的理解。

3 結語

《控制工程基礎》研究的問題帶有普遍性，對工程實踐具有重要的指導意義，該課程實驗的開設對培養學生運用控制原理的基本方法、提高分析和解決各種工程問題的能力具有重要意義。采用計算機仿真與控制系統搭建兩類實驗方式，令“虛實結合”，調整原理驗證性實驗與綜合性、設計創新性實驗的比例，按照課程教學重點以及各專業特色設置實驗項目，優化實驗教學體系，對于學生掌握理論知識，并將理論與實際工程問題結合具有很大的幫助。

[1]尚銳，王曉明，宛劍業.“控制工程基礎"課程的實驗方法研究[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2008（3）：106-108.

[2]林海鵬，王金波，董金波，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與實踐探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2011（8）：182-183.

[3]董景新.控制工程基礎[M].北京：清華大學出版社，2003．[4]董金波，任思璟.運用MATLAB仿真軟件促進《機械控制工程基礎》課程教學的改革與實踐[J].中國科技信息，2012（1）：127.

[5]嚴繼東，劉宗群.自控實驗中二階系統傳遞函數實驗方法的探討[J].實驗室研究與探索，1992（3）：58-61.

[6]侯志敏，尚雅層.控制工程基礎實驗教學的研究與實踐[J].教育前沿，2010（4）：52.

[7]王積偉，吳振順.控制工程基礎[M].北京：高等教育出版社，2010．