工程教育專業認證下的“自動控制原理”課程實驗教學改革探討

李慶華　潘豐　馮偉

摘要：工程教育專業認證工作的開展促進了我國的工程教育人才培養國際化。在此背景下，本文對自動化專業的“自動控制原理”課程的實驗教學改革進行了探討，從實驗教學內容、實驗教學模式、實驗成績評定方式等方面提出了一系列的持續改進方案。

關鍵詞：工程教育；專業認證；工程問題；“自動控制原理”；實驗教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）38-0276-03

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。為了適應工程領域人才需求、提高工程教育的質量和效益、與工程領域職業資格制度相銜接、促進我國工程教育人才培養國際化，在2005年我國已經開始構建工程教育專業認證體系，并逐步開展專業認證工作，把實現國際互認作為重要目標。2016年6月2日，國際工程聯盟大會一致同意我國成為《華盛頓協議》正式成員。這不僅為我國工程專業畢業生獲得進入國際市場的通行證提供了可行性，而且將有力地促進我國工程教育面向世界。《華盛頓協議》倡導以學生為中心、產出導向、持續改進三大教育理念，突出強調學生對復雜工程的解決能力。通過工程教育認證的工程專業不僅要深入理解和把握復雜工程問題，更要按照國際實質等效原則培養學生具有解決復雜工程問題的能力。

“自動控制原理”課程是大學工科自動化專業學生的最重要的專業基礎核心課程，該課程理論性強、抽象，尤其需要借助實驗加深對理論的理解并運用到工程技術中去，因此實驗的開展是非常重要的一個環節。本文將以江南大學自動化專業開設的“自動控制原理”課程的實驗教學為例，探討在工程教育背景下進行的實驗教學改革，以此促進、增強學生解決復雜工程問題的能力。

一、課程實驗教學的現狀及存在問題

我校自動化專業“自動控制原理”課程的實驗教學由4個實驗8個學時組成，實驗是在大學學習階段的第四學期開展，實驗的內容側重于基礎性、驗證性實驗。實驗手段是模擬實驗箱教學。上課時學生根據實驗指導書上設計好的實驗要求和步驟，在實驗教師的現場指導下，在控制實驗箱上接線實現各個內容，通過示波器觀察得到實驗結果，并利用已學過的自控原理對實驗結果進行分析，按要求撰寫紙質實驗報告后遞交給實驗教師。

這種實驗形式固定，教師占主導，學生發揮的空間不大，不利于激發學生的主觀能動性，同時理論也沒有充分聯系實際，不能更好地培養他們發現問題、分析問題和解釋問題的能力。大學二年級的學生由于之前學習的都是公共的理論課程，還沒有較多地開展自動化專業基礎課程和實驗，因此短時間內對控制實驗箱不熟悉，不能規范地使用和操作，在實驗的過程中經常發生電子器件的損壞，造成部分學生在2個學時內不能完成要求的實驗任務，降低了實驗的效率；部分學生對高規格的數字示波器不熟悉，影響了學生獲得準確的實驗結果，降低了學生實驗的品質，也使得學生對自控原理課程實驗越來越沒有興趣。“自動控制原理”的實驗教學急需改革，要改變傳統的教學課時有限，教學內容固化，實驗品質低，理論聯系實際不充分等的實際問題。

二、實驗教學改革與創新

1.實驗教學內容的優化與改革。工程教育論證突出強調培養學生解決復雜工程問題的能力，這就要求在課程的教學中要以學生為中心，重視實踐教學，適時給學生創造軟硬件支撐條件，以培養學生對復雜工程問題的認識、分析和解決的能力。考慮到我校“自動控制原理”課程的模擬實驗教學存在課時少、內容未能涵蓋課程大綱要求的全部重點理論內容，且以教師為主導，實驗形式固化的情況，我們對原先的部分實驗內容進行優化并增加設計性和綜合性的實驗內容。

自動控制原理實驗在以前8個學時基礎上考慮增加4個學時的實驗內容，其中2個學時為設計性實驗，另外2個學時為綜合性試驗。

實驗一：典型環節的電路模擬。具體內容是在了解控制實驗箱的基礎上熟悉各典型環節的階躍響應特性及其電路模擬，測量各典型環節的階躍響應曲線，并了解參數變化對各典型環節動態特性的影響。由于基礎性實驗內容沒有變化，但在今后實驗開展的過程中，要向學生強調分析參數變化引起系統動態特性變化的內容，培養學生養成深入分析實驗結果的習慣與解釋問題的能力。

優化實驗二的內容。實驗二由典型系統的瞬態響應改為二階系統和高階系統的瞬態響應和穩定性分析，即要求學生通過實驗掌握二階系統動態性能的測試方法，了解參數阻尼比和無阻尼自然頻率的變化對二階系統動態性能的影響；研究二階和高階系統參數變化對閉環系統穩定性的影響。在實驗二的課堂實驗教學中，實驗教師需引導學生在二階系統的實驗中分析，由傳遞函數衍生的阻尼比和阻尼自然頻率的變化，如何與模擬電路中電阻和電容參數的變化對應，從而來分析二階系統的動態性能變化情況；三階系統中突出分析開環增益與模擬電路中的電阻的對應關系，從而分析開環增益變化引起的系統穩定性變化，以此開發學生認識實驗結果，解釋實驗結果的能力。

優化實驗三的內容。把實驗三改為線性定常系統的幾種常用串聯校正設計方法，由驗證性實驗形式改為設計性實驗形式，在實驗指導書中只提供未加校正裝置的系統，以及需要達到的系統的性能要求，讓學生自己根據系統特性設計相應的串聯校正電路對系統的性能進行調節，從而培養學生對自動化系統的初步設計能力。

新增實驗四——控制系統的綜合性設計為綜合性實驗。通過實驗了解實際控制對象——封閉式熱容器溫度的基本特性，設計控制器分析溫度閉環系統的穩態和動態性能，掌握PID參數對溫度閉環系統性能的影響，以培養學生對自動化系統的建模和初步設計能力，并理解在實際工程中的局限性。

實驗五由原來的典型非線性環節的靜態特性實驗內容優化和擴充為繼電型非線性系統的性能分析。實驗要求學生在掌握典型非線性環節的電路實現方法，了解其輸出—輸入靜態特性的基礎上，掌握用描述函數法和相平面法分析非線性系統的穩定性和產生自激震蕩的條件，培養學生通過實驗模擬復雜工程問題，分析和解釋實驗結果的能力。

新增實驗六離散采樣控制系統分析。通過實驗讓學生進一步理解香農定理和零階保持器的原理和實現方法，驗證離散采樣系統在階躍信號作用下的穩態誤差，以此培養學生通過實驗建模的能力，對實驗結果進行分析和解釋。

2.實驗教學模式多維度的改革和創新。為適應工程教育認證的要求，培養學生解決復雜工程問題的能力，針對“自控原理”課程實驗教學的品質低的現狀，宜采用多種教學手段相結合相互補充的模式，從時間、空間、教學方式等多維度進行實驗教學的改進。

多種教學手段相結合相互補充的模式主要為實驗手段的虛實結合模式。基于優化與改革后的實驗內容重新編寫實驗指導書，在實驗指導書中的實驗內容中明確，在完成模擬實驗的基礎上需通過MATLAB軟件環境對已完成的模擬實驗內容進行虛擬仿真，并對模擬實驗和仿真實驗的結果進行比對、分析。通過這種方式，學生可以很好地把理論知識和工程實際結合起來，可以發現理論在應用到工程實際中可能會遇到的問題和局限性，給學生認識工程問題提供一個環境和基礎，而不僅僅是紙上談兵。

以實驗四控制系統的綜合性設計實驗為例，對實驗箱上提供的一個加熱容器，要求學生對加熱容器的溫度開環系統特性進行觀測分析，在了解的基礎上構建一個單閉環溫度控制系統，并設計控制器的參數，分析在該控制系統中加熱容器溫度的動態變化性能。通過這個實驗的模擬部分，學生不僅可以深刻認識與理解控制系統原理，而且在親手構建一個完整系統的過程中提高了實踐能力、創新能力、分析解決問題的能力。并且其對應的MATLAB仿真部分內容可以鍛煉學生對實際工程問題的模擬和分析能力，兩種方式的結合有效地規避了單一教學手段下的缺陷，也提高了實驗教學的效率，理論聯系實際更充分，為培養學生解決更復雜工程問題的能力奠定了基礎。

除了虛實結合的教學手段的改進，自動控制原理實驗教學也可以從時間、空間和教學方式上進行，以改進提高學生實驗的效率和品質。時間上，實驗教師可以充分利用預習環節，進行“視頻化預習”。實驗室教師把每次實驗需要用到的儀器的介紹說明、使用方法及注意事項、預習任務，做成可視化的“預習視頻”通過網絡發送到各個班級，供大家提前下載、預習和學習。空間上，可以向學生推送“零星開放實驗室”環節。在實驗室沒有實驗課的情況下，通過網絡向學生滾動發布實驗室零星開放的時間，由于實驗室的很多實驗儀器的維護和整理需要大量的時間，空下來的可能只是一些零碎的時間，但是這個時間可以用于學生到實驗室進行實驗前的“預熱”。

具體可以是，對一些工具性的儀器如示波器的熟悉、MATLAB軟件的學習等。“視頻化預習”和“實驗室零星開放”不僅節省了教師講解儀器和任務的時間，還可以減少學生在實驗中對儀器和工具軟件不熟練造成的時間浪費。同時，可以發揮學生的主觀能動性，有效地利用課余時間，帶著具體的任務和問題來做實驗，對出現的實驗結果認識和分析得也會更清楚。教學方式上，實驗課堂也可以改變傳統板書的模式，采用多媒體和傳統板書相結合的講解模式，以多媒體圖片、動畫，視頻等把實際工程問題帶到實驗課堂，和實驗內容銜接。這種方式一方面可以把問題解釋得更清楚，學生更容易理解和接收；另一方面可以開闊學生的視野，增強對復雜工程問題的認識、分析和解釋能力。

3.實驗成績評定方式的改革。由于對實驗教學的重視程度不夠，且對實驗教學的監督和質量考評也缺乏規范而有效的依據和標準，造成學生對待實驗隨意，學生之間相互抄襲實驗報告的現象時有發生。因此，以幾份實驗報告定學生實驗成績的傳統評定方式是不科學的。雖然在自控原理課程中實驗的成績只占總成績的20%或30%，但是實驗卻是提高學生工程應用能力，解決復雜工程問題能力構建中非常重要的一環，所以實驗成績的評定要從只關注結果轉移到過程和結果都兼顧的多維度評價方式。

首先實驗成績應由三部分組成：預習、課上表現和實驗報告，而不僅僅是最后提交的實驗報告。其中，預習在實驗成績中占比為20%，這個占比的出現可以督促學生提前做好實驗的準備，準備好要解決的問題，發揮出學生的主觀能動性，也激發學生做實驗的興趣。課上表現在實驗成績中占比40%，它的考核內容根據不同的實驗內容，可以分為方案設計合理性、實驗操作規范程度、實驗數據記錄準確度、實驗任務完成度等來進行打分。實驗報告在實驗成績中占比40%，根據不同的實驗內容，實驗報告各部分的分數分布是不同的。主要包含文字圖表的規范、實驗數據處理正確性、實驗結果分析合理性、模擬實驗與仿真實驗結果比對分析、實驗的自我評估與建議等。實驗報告這部分里的自我評估與建議是每次實驗必須有的固定內容，通過這部分內容一方面可以讓學生進行自我評價，在學習的過程中自我激勵自我提高，同時，也提供了一個常規的反饋通道，可以收集到他們對自控控制原理課程實驗教學的有用的建議，以便完善實驗教學，更好地提高教學質量。

三、結語

本文針對江南大學自動化專業“自動控制原理”課程的實驗教學現狀，從實驗教學內容的優化與改革、實驗教學模式的多維度改革與創新、實驗成績評定方式改革等多方面進行了初步探討。在以后的實驗教學工作中，將繼續以學生為中心，以產出為導向，持續改進，從而提高工程教育下的人才培養質量。

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