便攜式演示實驗在應用型本科《自動控制原理》課程中的應用

郭卉

摘要：針對目前自動控制原理理論教學中存在的教師講解難、學生理解難、理論聯系實際難的問題，結合應用型人才培養目標，基于COM3Lab便攜式實驗設備，將課程中的一些驗證、設計實驗引入理論教學中進行演示，將抽象的理論知識具象化，加深學生對理論的理解同時，培養學生觀察問題、分析問題、解決問題的能力，通過教學實踐證明，演示實驗可有效提高學生對理論知識的掌握程度。

1.引言

《自動控制原理》是自動化等相關專業的專業基礎課，具有很強的理論性、工程性、綜合性、方法性及實踐性，知識容量多、理論極具抽象性。課程本身對于學生的預備知識的要求較高，教師講解時難度較大，學生難以掌握。演示實驗作為理論教學中引導學生理解抽象概念的重要途徑，常用于物理、化學等基礎學科的教學中，自動控制原理等專業基礎課中則較少用到，本文從自動控制原理理論教學現狀和問題出發，介紹COM3Lab便攜式實驗設備及其在自動控制原理課程中的應用。

2.應用型人次培養目標與自動控制原理課程理論教學現狀的矛盾

我校是教育部批準的第一所應用技術大學，自動化專業是我校首批三個招收本科生的專業之一。主要面向裝備制造業及新能源產業，服務區域經濟社會發展和產業結構升級需要，旨在培養能勝任現代企業自動化工程相關領域的生產制造、設計改造、應用轉化、運行管理等工作的現場自動化工程師。

自動控制原理是學習學生控制理論的第一門課程，直接影響后續相關專業核心課程的學習效果，以及學生解決控制領域相關工程問題能力的培養，具有舉足輕重的地位。目前理論教學中，教師的教學重點往往為共性的理論知識，脫離了具體實際的應用，無法達到提高學生分析解決復雜工程問題能力的教學目標。課上教師通常以完成教學任務為目標，采用課堂講授輔以PPT、動畫等信息化手段的授課方式，形式單一。學生無法理解基本概念，應用更無從談起，課上大部分時間做筆記，與老師交流甚少。隨著教學內容的不斷推進，學生學習興趣逐漸衰減，學習動力嚴重不足，直接影響了最終的學習效果，與我校應用型現場工程師的培養目標相悖，亟待尋求有效的方式方法解決學生對理論知識理解不足，興趣寡淡的問題。

3.COM3Lab便攜式實驗箱進課堂的理論教學實踐嘗試

基于以上問題，我們走訪國內外多所應用型高校，對學校相關專業人才培養目標、理論基礎課程的教學大綱、授課方式展開調研，發現課堂演示實驗在新知識點的授課過程中能夠有效加深學生的理解度。因此在我校18級自動化專業自動控制原理的理論課中開展了演示性實驗的教學實踐改革，選用德國萊寶公司的COM3Lab便攜式實驗設備。

COM3Lab實驗箱由實驗電子板、主單元及交互學習軟件三部分組成。驗電子板為不同的學習領域提供清晰的結構化課程，面板上既有現實的系統元件，也有可視化的原理圖，幫助學生建立起理論與實際之間的聯系。主單元兼容所有的實驗電子板，為其提供電源、儀器儀表及通訊接口等。交互式學習軟件中包含理論學習及實驗引導，方便學生開展自主創新實驗設計前的理論知識儲備。課上教師可在電腦上安裝交互式學習軟件，投屏進行演示實驗，學生觀察實驗現象，總結規律，加深對理論知識的理解。

3.1 演示實驗進課堂教學內容設計

課程根據教學大綱以及實驗箱中的模塊，為突破教學中理論學習的重難點，共設計了3個相關知識點共計8個演示實驗。典型環節的時域響應是學生理解被控對象自身特性的基礎，設計了燈光控制系統、積分環節、一階及二階系統的輸入輸出特性分析四個演示實驗;穩態性能分析知識點，設計了0型、I型及II型系統輸入輸出特性分析實驗;PID控制作為連續控制中應用最廣的控制規律，在工業中被廣泛應用，選取溫度、速度、光強三種負反饋控制系統為實驗對象進行PID控制器設計的演示實驗。演示實驗過程中，讓學生自己通過實驗結果總結規律，并與理論數據進行對比，加深學生對理論知識的理解，幫助學生搭建起理論與實踐的橋梁。

3.2 燈光控制系統輸入輸出特性分析演示實驗教學實施過程

比例環節的特點是輸出不失真、不延遲、成比例地復現輸入信號的變化。它的微分方程可總結為：

（1）

式中，c（t）是環節的輸出量;r（t）是環節的輸人量;K為常數，稱為比例系數或增益。比例環節的單位階躍響應曲線為一條幅值為k的直線。

隨堂教學中，教師需要進行演示實驗時，可將實驗箱立于講臺，給學生指明需要用到的實驗模塊位置，模塊中包含被控對象LED燈以及檢測元件光敏二極管。將安裝有交互軟件的電腦連接至投影儀，教師根據接線圖接線，運行得到實驗結果。過程中，教師讓學生觀察實驗現象，并總結出該系統中被控對象輸入輸出之間關系近似比例的結論，從而讓學生將理論與實際聯系起來，激發學生的求知欲。課后，感興趣的同學也可以進入開放實驗室，在教師指導下操作實驗箱，開展創新性實驗，拓寬了學生的知識面。

3.3 教學效果

我們將18級自動化期末考試中涉及演示性實驗內容的題目得分情況與17級自動化學生進行了對比，理論教學中加入演示實驗后，涉及的各知識點學生平均分均有所提高，典型環節輸入輸出特性知識點，學生平均成績提高了16%;穩態誤差計算知識點，學生平均成績提高了19%;PID控制規律知識點，學生平均分提高了30%，效果比較顯著。

4.結語

應用型人才培養過程中，理論教學如何更好的促進學生的實踐能力提升直接影響了人才培養的質量。這要求我們在進行教學設計時，既要考慮理論教學的實用性，還要考慮如何提升理論教學的效果。便攜式實驗設備進課堂無疑是解決理論教學與實踐脫節的有效途徑之一，通過教學實踐證明，理論教學中開展演示實驗能夠在學生學習理論知識時及時通過實驗得到鞏固，同時激發學生學習興趣，提升內驅力，培養學生的分析應用等高階能力。

參考文獻：

[1]秦哲，楊廣武等，基于便攜式課堂演示實驗的大學物理教學探索與實踐[J]，大學物理，2021.40（11）：26-29

[2]李偉萍，便攜式演示在應用型本科大學物理“駐波”知識點教學中的應用[J]，赤峰學院學報，2020.36（5）：96-99

[3]楊揚，張清勇等，基于工程教育專業認證的自動控制原理實驗教學改革[J]，中國現代教育裝備，2021.357（3）：74-75+78

天津中德應用技術大學優質課程建設項目：《自動控制原理》，項目編號：ZDKC2020-B1202