學習目標導向的自動控制理論實驗教學改革

宮萍萍，胡立坤，施武生，陳柏軒

（廣西大學 國家級電氣工程實驗教學示范中心，廣西南寧 530004）

自動控制理論是一門理論與實踐緊密結合的工程基礎類課程。但是目前部分學生將其當成數學學習，機械性地掌握模型變換、圖形繪制和計算方法，而忽略了自動控制的基本思想以及這些數學方程背后的物理定律，導致難以將該理論知識應用到實際工程問題中[1-2]。為避免這一現象，需強化自動控制理論實驗教學環節，調動學生的學習主動性，輔助學生理解所學理論知識并應用到實際工程，培養學生工程設計思維，提高學生設計開發能力[3～4]。然而，傳統實驗教學導向多以內容而非學生為中心，且多為驗證性實驗，綜合設計性、創新性實驗較少，因此傳統實驗教學方式在引導學生自主學習，培養其問題抽象、理性分析以及工程設計思維方式(發現問題-分析問題-解決問題-檢驗問題)[4]，提高其解決復雜工程問題[5～6]的能力等方面相對薄弱。因此，有必要對自動控制理論實驗課程進行產出導向的教學改革[7～8]。一些學校結合教學現狀和學生情況對自控控制理論課程實驗進行改革[9～12]。西安交通大學以“加強基礎知識，注重工程實踐能力”為理念，建設過程控制實驗平臺，改革自動控制原理實驗教學方式[10]。東華大學采用創新校企協同育人的人才培養模式，改革智能制造的實踐教學方式，實現工程實踐和創新能力的培養[11]。

為建立產出導向的自動控制理論實驗，我校自動化專業教學團隊自主研發契合我院自動控制理論教學大綱培養目標的自動控制理論實驗裝置，以“學生忙起來，教師強起來、管理嚴起來、效果實起來”為宗旨，對實驗教學實施環節進行改革，建立開放、彈性的實驗教學模式，以預期學習產出為目標，將工程設計思維貫穿整個實驗教學環節，幫助學生掌握將理論應用到實際的方法，培養學生解決實際復雜工程問題的能力，以匹配高等工程教育人才培養的要求。

1 實驗學習目標以及實驗平臺構建

1.1 實驗學習產出目標

我校結合自身實際情況制定自動控制理論課程目標：通過課外自主學習、課堂講授與實驗（同步開設）相結合，使學生掌握反饋控制系統的基本概念，學會利用自動控制理論的方法分析和設計控制系統，熟練地掌握反饋控制自動調節的原理，學會應用數學工具分析解決工程問題，逐步掌握“定性分析、定量估算和仿真實驗”的研究性學習方法，具備常規自動控制系統“構思、設計、實現、運行”的技能，掌握自動控制領域復雜工程問題描述、結構單元分析、系統功能設計與聯調等方面的綜合技術能力?；谏鲜瞿繕?，自動控制理論課程實驗教學目標設計如表1所示。

表1中給出了各實驗教學目標對應的實驗能力點。其中，對解決復雜工程問題能力培養的貢獻點為：

表1 實驗教學目標對應的能力點支撐關系

（1）運用電子、電氣等專業領域的工程原理和知識，將自動化工程問題用一個由多個相互聯系的環節構成的系統來模擬和等效，并綜合運用數理知識、自動控制方面的理論對系統進行分析和設計。

（2）問題的解決涉及數據處理、控制計算、傳輸、執行等方面的技術。

（3）需要運用虛擬仿真軟件等工具，考慮各種影響因素和變量，通過變換和簡化，建立實體系統的抽象模型。

（4）具有較強的綜合性，包含設計、調試、集成多個相互關聯的子問題，需要綜合運用自動化專業知識予以解決。

1.2 實驗平臺構建

結合我校自動化專業實際教學情況與需求，對標自動控制理論實驗教學目標，我院信號與控制課群團隊自主研發信號與控制課群實驗箱。實驗平臺中的硬件資源包括直流電機調速模塊、嵌入式控制器模塊、LabVIEW 接口及控制模塊、有源運放模塊、函數信號發生器模塊等，實驗箱部分模塊如圖1所示。實驗電路集成于各個模塊板上，并實現相應功能。本裝置依托LabVIEW 接口及控制驅動模塊實現上位機監控軟件虛擬示波器功能，設計了不同顯示界面，以滿足不同的實驗需求。各界面如圖2所示，包含時域顯示界面、頻率特性顯示界面以及控制監視界面。實驗過程中通過設置實驗所需的輸入信號，搭建模擬運算電路，并使用示波器或本實驗裝置提供的虛擬示波器觀察和分析各種信號的響應曲線，完成相關實驗內容。

圖1 實驗箱以及部分模塊

圖2 上位機操作界面

學生在完成必選實驗的基礎上，還可以利用實驗箱所提供的開放性資源進行探索與設計，如倒立擺系統的起擺與直立控制、板球系統鐵球運動以及定點定位控制等，倒立擺與板球模塊如圖3所示。該實驗裝置自主設計性強、擴展性好，為學生提供諸多開放性設備資源，學生可以綜合利用所學知識在該實驗設備上進行多課程、多學科的實驗、實踐設計，進一步提高學生創新思維和實踐能力，培養學生工程設計思維，鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。

圖3 實驗箱部分開放性資源

1.3 基于學習目標的實驗項目設計

按照逆向設計思維方式[13]，我院設計了三個實驗項目，實驗學習目標與項目支撐關系如表2所示。其中實驗學習目標1 分為兩部分：時域特性學習目標部分(目標1.1)以及頻域特性學習目標部分(目標1.2)。實驗項目1 中基本環節測試包括比例、積分、比例積分、比例微分、慣性環節，為驗證性實驗內容，以鞏固學生對基本環節的理解；而二階、三階系統建模與性能分析環節以及實驗2 均為綜合設計性實驗，需要學生根據實驗現有條件設計滿足各項要求與指標的實驗電路；實驗3 為綜合性實驗，學生自由選取被控對象并進行分析與設計。

表2 實驗學習目標與實驗項目支撐

其中，實驗1、實驗2 對應1.1 節中復雜工程問題貢獻點的第1 點，且還需要使用仿真軟件，故對應貢獻點的第3 點。實驗3 要求學生對實際被控對象進行分析建模與仿真，并對比各仿真參數對系統的影響。其將所需MATLAB、單片機、C 語言、自動控制理論的知識單元聯系起來，從而鍛煉學生將不同學科知識的交叉融合和綜合應用，以解決復雜工程問題，其對應表1中所有復雜工程問題的貢獻點。

實驗1、實驗2 的設計，在契合實驗學習目標的基礎上，實現能力遞進式培養，逐步訓練學生的工程設計思維。實驗3 要求學生設計實際被控對象（直流電機/保溫箱）的PID 控制器。如，電機調速控制要求：（1）在給出的程序框架的基礎上進行編程，利用PID 控制算法試湊出最佳參數進行實驗，完成空載下的電機調速穩定控制；（2）帶載后，設置初始轉速為2 500r/min，當電機轉速在誤差允許的范圍內穩定后（誤差范圍內保持5s），提高轉速設定值至3 500r/min，而后采用同樣方式將轉速提高至4 500r/min；（3）電機正反轉連續切換控制，當電機轉速在誤差允許的范圍內穩定5s 后自動改變旋轉方向，當且僅當電機轉速再次在誤差允許的范圍內穩定后旋轉方向發生改變，不停重復。溫室溫度控制模塊中含三個溫度傳感器T1～T3，要求：（1）取T1、T2、T3 號溫度傳感器的溫度權重2:6:2 計算溫室的實際平均溫度，作為控制反饋量，利用PID 控制算法試湊出最佳的實驗參數進行實驗；（2）取T2 號溫度傳感器的反饋值，在給出的程序框架內進行編程，使控制器輸出固定的控制信號（PWM 波占空比固定）。學生可以通過使用嵌入式控制器（單片機）或Labview 接口模塊完成實驗3 內容。在保證學生完成經典PID 控制算法編程的基礎上，鼓勵學生自主設計改進PID、自適應PID 等算法。同時，為學生提供開源的實驗資源（如圖3所示的倒立擺和板球模塊）供其設計研究，學生可以依據自身情況挑戰難度適合的開放性實驗內容。

依據課程達成方案開展實驗教學，對于產出的課程質量具有較好的閉環改進效果[14-15]。因此，本課程結合各子目標達到的難易程度以及往年課程的實驗期望得分與各子目標達成度期望值，設置如表3所示的課程子目標達成度期望值。其中，實驗總成績期望值設置為65%，總目標達成度期望值為60%。

表3 得分與目標達成度期望值

2 實驗教學實施路徑

2.1 實驗教學流程設計

自動控制理論實驗教學環節圍繞“學生忙起來，教師強起來、管理嚴起來、效果實起來”這一主題設計實驗教學流程。實驗教學流程包含課前預習推送（微課）、課上集中指導與重點講解、課中與課后完成實驗項目（實驗室開放）、上交實驗報告、實驗答疑釋惑5 個環節。具體實驗教學環節如下：

（1）課前通過慕課平臺推送實驗相關知識點以及設備使用的微課或微視頻，以輔助學生做好預習。

實驗前通過慕課平臺推送實驗相關設備使用方法的視頻以及涉及的知識點，并包含章節測試，如圖4所示，旨在幫助學生在進入實驗室前對該實驗內容以及相關設備有較好的了解，監測學生的預習情況，如圖5所示。

圖4 基于慕課平臺的實驗任務發布界面

圖5 部分章節內容的學生學習完成度

提供線上答疑：實驗預習階段，學生可針對實驗內容向實驗教師提出問題。

（2）課上集中指導與重點講解：包括設備使用注意事項以及相關實驗內容。

課前要求學生對本次實驗內容進行離線仿真設計，仿真以Multisim 為主、MATLAB 為輔。實驗課上需要當場檢查學生的預習報告，并向學生隨機提問，實驗教師根據學生預習報告撰寫以及現場回答情況當場給出預習報告分數。

（3）課中與課后完成實驗項目：每個實驗涵蓋內容較多，無法全部在課上完成，需要學生課后繼續預約實驗時間。

實驗室全天開放：向學生開放實驗室，供學生完成實驗內容。允許參加電子設計比賽、綜合實踐以及畢業設計的學生預約使用實驗設備。

（4）課后將實驗報告上傳至慕課平臺。

（5）實驗后答疑：完成實驗后，若學生對實驗存在疑問，可向實驗教師提出。

2.2 實驗考核方式

在自動控制理論實驗教學中，實驗考核是非常重要的環節。每個實驗項目根據課前預習推送、預習報告、實驗及其實驗報告綜合評定實驗成績。自動控制理論的實驗考核方式分為預習測驗（10%）、預習報告（40%）、實操（30%）、實驗報告（20%）。上述四個環節共同組成一次實驗的實驗成績。通過加強對實驗前的預習要求、測試以及現場提問的方式，綜合學生預習、實操以及課后實驗總結情況，盡量全面考核學生。

2.3 實驗教學改革實施效果

根據課程達成度評價辦法，計算得出各子目標值（百分制），得到每位學生的實驗課程目標定量達成度情況。年級有效成績總人數為468。目標1.1 定量達成人數為379，占比80.1%；目標1.2 定量達成人數為341，占比72.9%；目標2 定量達成人數為309，占比66%。另外，按總成績達成與課程總目標達成兩種口徑統計定量達成人數分別為421 人和304 人，按這兩種口徑計算定量達成度實際值分別為91%和65%，均已超過設定期望值。

上述數據表明我院設計的實驗教學改革方式已取得積極效果，基本達到期望目標。現從以下幾個方面總結我院自動控制理論的實驗教學改革效果：

（1）課內實驗教學結合相對嚴格的考核機制以督促學生主動學習，實時在線答疑幫助學生解惑，學生可以更好地理解理論知識，提高分析解決問題的能力。

（2）完善的實驗考核機制。預習報告和實操分數根據課上隨機提問以及現場操作情況實時打分，再結合課后實驗總結情況全面考核學生，能更加準確客觀地反映學生的真實學習情況。

（3）豐富的課內外實驗教學資源，幫助學生明確實驗任務和目標，掌握對應的理論知識。同時，為學生提供諸多開放性資源，供其對自動控制理論以及其他課程進行探索與研究。同時還可以在該實驗箱上進行自動化綜合實踐、畢業設計等內容。

3 結語

我院依據自動控制理論的OBE 教學大綱要求，自主研發配套的自動控制理論實驗裝置，同時結合教師團隊的情況、學生的意見和建議，對實驗方式、內容進行改革。讓自動控制理論實驗過程實現“管理嚴起來”，以培養學生規范、嚴謹的實驗態度，促進學生自主學習，通過三階段五環節的實驗教學模式“讓學生忙起來”。在此過程中輔助學生運用理論知識進行綜合設計。同時，實驗教師也不斷充實自我，觀察、分析總結實驗改革實施過程出現的問題，以持續改進實驗教學內容及方式，實現“教師強起來”，從而提高實驗教學質量與效率，最終讓實驗“效果實起來”，學生的獲得感增強，培養其工程設計思維，提升其解決復雜工程問題的能力。