基于虛實(shí)結(jié)合的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

邵康敏 趙雪梅

■摘 要：本文針對(duì)職教本科所開設(shè)的自動(dòng)控制原理課程，分析了課程現(xiàn)狀和存在的問題，圍繞理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式等環(huán)節(jié)，提出了創(chuàng)新理論課堂和實(shí)踐課堂的授課形式，提倡采用虛實(shí)結(jié)合的方式，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)學(xué)生理論與實(shí)驗(yàn)的知行合一。

■關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；虛實(shí)結(jié)合；理論教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

■課 題：本文系浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課堂創(chuàng)新項(xiàng)目[課題編號(hào)：浙工貿(mào)院（2022）53]的研究成果。

自動(dòng)控制原理是職教本科自動(dòng)化、材料成型技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，為后續(xù)課程的深入研究提供了必要的分析方法，因此，學(xué)生掌握該門課程知識(shí)對(duì)于學(xué)習(xí)后續(xù)課程和開展課題研究都具有重要意義。自動(dòng)控制原理以高等數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，同時(shí)涉及電類專業(yè)的大量基礎(chǔ)知識(shí)，如模電、數(shù)電和信號(hào)與系統(tǒng)等，該課程理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣、內(nèi)容抽象，鑒于新形勢(shì)下職業(yè)教育的發(fā)展方向和職教本科生源的學(xué)情特點(diǎn)，傳統(tǒng)教學(xué)形式已不能支持教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

筆者所在學(xué)院現(xiàn)有自動(dòng)化和材料成型及控制工程兩個(gè)專升本專業(yè)，在課程教學(xué)的過程中均存在一些問題。一是課程方面。抽象理論知識(shí)缺乏生動(dòng)性和實(shí)際性，學(xué)生積極學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性無法調(diào)動(dòng)；沒有配套對(duì)應(yīng)的實(shí)訓(xùn)裝置，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容流于形式，針對(duì)性不足，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)效果大打折扣。二是教師方面。缺少工程實(shí)際案例的教學(xué)，課程的工程應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)不足，這與培養(yǎng)應(yīng)用型人才的定位目標(biāo)不符；教學(xué)手段單一，課堂質(zhì)量難達(dá)預(yù)期。大量的公式演算推導(dǎo)，不符合職業(yè)本科學(xué)生的學(xué)情。三是學(xué)生方面。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，學(xué)生對(duì)于新鮮事物有強(qiáng)烈的好奇心，但是整體的自控力不足，需要善加引導(dǎo)。

二、課堂教學(xué)改革的探索與實(shí)施

筆者通過教學(xué)改革探索與實(shí)踐，改進(jìn)課程教學(xué)內(nèi)容與考核方式，進(jìn)一步加強(qiáng)理論與實(shí)驗(yàn)的知行合一，授課以理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)交替的形式開展，采用“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式推進(jìn)課堂改革。創(chuàng)新理論課堂和實(shí)踐課堂的授課內(nèi)容和方式，優(yōu)內(nèi)容，引案例；建平臺(tái)，助學(xué)習(xí)；精實(shí)驗(yàn)，細(xì)分類；優(yōu)平臺(tái)，強(qiáng)技能；嚴(yán)考核，促提高。甄選工程應(yīng)用案例，引入太陽能追光系統(tǒng)、卷紙張力裝置、倒立擺等典型控制系統(tǒng)。借助光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國(guó)家職業(yè)教育教學(xué)資源庫(kù)輔助教學(xué)平臺(tái)，豐富課程教學(xué)形式。以仿真和實(shí)物控制系統(tǒng)驗(yàn)證為手段，切實(shí)提升學(xué)生的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，快速對(duì)接行業(yè)崗位能力要求。采取多元化的考核評(píng)價(jià)體系，從理論掌握、專業(yè)技能及職業(yè)素質(zhì)三個(gè)維度設(shè)置評(píng)分細(xì)則，全過程評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。以下主要從幾方面闡述自動(dòng)控制原理課程教學(xué)的改革內(nèi)容。

（一）理論教學(xué)實(shí)施

1.優(yōu)內(nèi)容，引案例

筆者所在學(xué)院職教本科自動(dòng)控制原理課程的授課內(nèi)容主要有：線性系統(tǒng)的建模、時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析和線性系統(tǒng)的校正，調(diào)整后的課時(shí)量為56學(xué)時(shí)，其中包括24學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)內(nèi)容的安排上，以一個(gè)典型的液位控制為實(shí)際案例，分章節(jié)逐步對(duì)該裝置進(jìn)行分析和講解，將儲(chǔ)水槽建模、數(shù)學(xué)模型的時(shí)域分析、根軌跡分析和控制器校正等各個(gè)章節(jié)知識(shí)有機(jī)串接，保障理論知識(shí)的連續(xù)性和工程性，從而加深學(xué)生對(duì)控制理論基本概念和基本方法的掌握，提升理論知識(shí)的運(yùn)用能力。在理論教學(xué)課堂中，學(xué)生充分建立對(duì)案例的感性認(rèn)識(shí)，更有針對(duì)性地梳理基本理論和基本方法，發(fā)揮案例教學(xué)法的積極促進(jìn)作用。在案例的選擇上，可借助其他趣味性和生動(dòng)性較強(qiáng)的球桿控制系統(tǒng)和倒立擺控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)載體，進(jìn)一步開闊學(xué)生視野，使學(xué)生能從整體和局部掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的框架和組成要素，同時(shí)能直觀地查看控制效果。

2.建平臺(tái)，助學(xué)習(xí)

借助光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國(guó)家職業(yè)教育教學(xué)資源庫(kù)輔助教學(xué)平臺(tái)，豐富課堂教學(xué)形式。利用文本、圖像、動(dòng)畫仿真實(shí)例等多種形式開展項(xiàng)目式教學(xué)，既可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，又可培養(yǎng)學(xué)生的探究能力與團(tuán)隊(duì)合作能力，能夠有效地提高教學(xué)質(zhì)量。教師通過資源庫(kù)教學(xué)平臺(tái)，建立課程資源，開展豐富的課堂活動(dòng)。通過自動(dòng)控制案例、任務(wù)布置、材料收集、小測(cè)試等功能獲得教學(xué)反饋，以便教師根據(jù)學(xué)情進(jìn)行教學(xué)調(diào)整。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

1.精實(shí)驗(yàn)，細(xì)分類

改革和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，突出典型性、工程性和安全性，精選一些真實(shí)的典型案例，分類整合，在知識(shí)維度上形成體系。充分利用仿真模型、自行改良的實(shí)物模型及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，廣泛采用多媒體、資源庫(kù)平臺(tái)等媒介進(jìn)行輔助教學(xué)。一是原理性實(shí)驗(yàn)，如典型環(huán)節(jié)模擬電路及其數(shù)學(xué)模型對(duì)照實(shí)驗(yàn)、典型系統(tǒng)時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)等。二是分析性實(shí)驗(yàn)，如根軌跡分析實(shí)驗(yàn)、伯德圖分析實(shí)驗(yàn)、PID 整定分析實(shí)驗(yàn)。三是工程性實(shí)驗(yàn)，如球桿控制PID調(diào)參實(shí)驗(yàn)和虛擬可視化液位控制實(shí)驗(yàn)等。

2.優(yōu)平臺(tái)，強(qiáng)技能

探索可視化仿真的教學(xué)方法。在虛擬仿真方面利用Multisim和MATLAB的聯(lián)合仿真平臺(tái)，利用Multisim 的電路仿真功能和MATLAB強(qiáng)大的建模分析特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。例如，先向?qū)W生講授PID整定的幾種常用方法（經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例法），學(xué)生在Matlab平臺(tái)搭建仿真模型反復(fù)調(diào)試，尋找規(guī)律總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，初步學(xué)會(huì)PID的整定方法。虛擬的仿真結(jié)果使理論教學(xué)中的概念性問題簡(jiǎn)單化、工程化，同時(shí)結(jié)合可視化的控制裝置設(shè)立項(xiàng)目任務(wù)，突出控制的直觀效果。

3.嚴(yán)考核，促提高

為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的質(zhì)量監(jiān)控水平，實(shí)施全過程的實(shí)驗(yàn)考核尤為關(guān)鍵。學(xué)生個(gè)人、實(shí)驗(yàn)小組、實(shí)驗(yàn)教師共同參與考核，形成多元化的考核評(píng)價(jià)體系，從理論掌握、專業(yè)技能及職業(yè)素質(zhì)三個(gè)維度設(shè)置評(píng)分細(xì)則，全過程評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在實(shí)操環(huán)節(jié)，由于學(xué)生理論掌握程度和操作水平存在差異，導(dǎo)致完成時(shí)間也有先后，為更好地把控課堂進(jìn)度和操作時(shí)間，應(yīng)對(duì)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行合理分組，讓每組學(xué)生的水平盡量均衡，通過組內(nèi)成員互助及時(shí)解決練習(xí)中遇到的問題，提高學(xué)習(xí)效率。

以基于PLCsim-FactoryIO可視化液位控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，課前教師發(fā)布本次實(shí)驗(yàn)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和微課等學(xué)習(xí)資料和課前任務(wù)。實(shí)驗(yàn)小組查閱信息，完成微課學(xué)習(xí)、資料收集和小組分工等任務(wù)。

課前，讓學(xué)生溫故知新，提前了解可視化虛擬仿真軟件，快速進(jìn)入學(xué)習(xí)情景，提高課堂的實(shí)戰(zhàn)效率。以小組為單位開展實(shí)驗(yàn)，明確各自崗位分工，增強(qiáng)責(zé)任意識(shí)。以項(xiàng)目開發(fā)為情景，創(chuàng)設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)員、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試員和記錄員等角色，培養(yǎng)學(xué)生的崗位意識(shí)。

課中，小組根據(jù)任務(wù)需求商討并繪制系統(tǒng)控制方框圖，并上傳至學(xué)習(xí)平臺(tái)，教師針對(duì)學(xué)生提交的作業(yè)和巡回指導(dǎo)中出現(xiàn)的共性問題進(jìn)行點(diǎn)評(píng)總結(jié)，隨后組內(nèi)成員分工合作，系統(tǒng)架構(gòu)員繼續(xù)完善控制系統(tǒng)方框圖，并參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的示例分別完成FactoryIO仿真軟件I/O分配和博圖PLC編程任務(wù)，初步完成系統(tǒng)控制回路的搭建和系統(tǒng)通信測(cè)試功能。以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試員為核心的團(tuán)隊(duì)成員可反復(fù)回看教師發(fā)布的視頻，有目的地操作博圖軟件相關(guān)模塊，逐步嘗試控制策略，并實(shí)時(shí)查看可視化的液位控制效果，最終選擇控制效果良好的策略和PID參數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)全過程中，記錄員根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，及時(shí)做好數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理工作，總結(jié)實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題和應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，建立組間互查互助機(jī)制，充分發(fā)揮優(yōu)秀學(xué)生傳幫帶作用，有效解決教師指導(dǎo)不及時(shí)的問題。

課后，在學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布課后拓展任務(wù)并及時(shí)查看學(xué)生完成情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。在條件允許的情況下，鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生申報(bào)校級(jí)科技項(xiàng)目課題或參與教師科研項(xiàng)目，通過動(dòng)手做實(shí)物的方式，明白理論與實(shí)踐存在的差距，切實(shí)提高專業(yè)技能水平。

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)評(píng)價(jià)的構(gòu)成主要包含以下幾方面：課前實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（10分），考核學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備情況，并按要求完成答題； 課中實(shí)驗(yàn)仿真（ 50分），考核學(xué)生小組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的能力水平；實(shí)驗(yàn)紀(jì)律（10分），考核學(xué)生的質(zhì)量意識(shí)、規(guī)范意識(shí)和科學(xué)意識(shí)等職業(yè)素養(yǎng)水平；課后實(shí)驗(yàn)拓展（30分），考核學(xué)生在第二課堂探索過程中實(shí)踐操作、團(tuán)隊(duì)合作、溝通協(xié)調(diào)、書面撰寫及數(shù)據(jù)處理等能力水平。

三、結(jié)束語

實(shí)施上述教學(xué)方法后，筆者在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，切實(shí)感受到學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)在理論知識(shí)、專業(yè)技能、素養(yǎng)等方面提升明顯。通過學(xué)習(xí)通每個(gè)章節(jié)的案例引入、知識(shí)梳理、小測(cè)和即時(shí)解答，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握及理解程度明顯提高。

參考文獻(xiàn)

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[2]姜曉偉.新工科背景下自動(dòng)控制原理課程教學(xué)方法探索[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022（1）.

（作者：邵康敏，趙雪梅，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師）