基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的自動控制元件課程實驗教學(xué)模式改革與探索

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實踐；自動控制元件；實驗教學(xué)模式；改革；能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）17-0070-04

Abstract： In response to the current situation that the experimental teaching of Automatic Control Components is mainly based on verification， with a serious lack of innovative content， prominent \"replication\" phenomenon in experiments and simple evaluation mechanism， which is difficult to meet the need of high-quality talents for cultivating innovative practical abilities. Therefore， a trinity of experimental teaching reform measures such as \"diversified experimental forms， innovative integration of science and education， and diversified assessment mechanisms\" are proposed. Extending and expanding the time and space of experimental teaching will be realized， strong scientific research of the subject is transformed into an advantage in talent cultivation and students are actively guided and stimulated to focus on the cultivation of various practical and innovative abilities.

Keywords： innovative practice; Automatic Control Components; experimental teaching mode; reform; ability cultivation

實驗教學(xué)是實踐教學(xué)的重要組成部分，也是提升大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重要途徑之一[1]。自動控制元件是高等工科院校航空航天、儀器儀表等專業(yè)的核心課程，是探測制導(dǎo)與控制技術(shù)、測控技術(shù)及儀器專業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)必修課程。該課程以電磁理論為基礎(chǔ)，主要講述不同執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、原理及特性，具有理論性強、原理抽象的特點。為了便于學(xué)生理解與掌握相關(guān)知識點，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，多數(shù)高校從實驗項目、實驗配套資源等方面開展了相關(guān)探索和研究，取得一定的教學(xué)效果。然而，受限于實驗學(xué)時、設(shè)備放置空間及實驗設(shè)備數(shù)量，實驗內(nèi)容多以驗證型為主，且一項實驗針對的往往只是某一概念或原理，不利于學(xué)生完整知識體系的建構(gòu)[2-4]。同時，實驗中通常采取老師演示、學(xué)生復(fù)制的“教師主體”教學(xué)模式，極大地抑制了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力[5]。此外，評價方式多采用實驗報告成績，很難體現(xiàn)出學(xué)生個體綜合能力的差異性，在一定程度上削弱了部分學(xué)生創(chuàng)新能力鍛煉的積極性和主動性[6]。

針對上述自動控制元件實驗教學(xué)中創(chuàng)新內(nèi)容嚴重不足、實驗“復(fù)制”現(xiàn)象突出、評價機制單一等問題，提出“實驗形式多樣化、科教融合創(chuàng)新化、考核機制多元化”三位一體的實驗教學(xué)改革措施，在實驗教學(xué)全過程培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，有效地提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

一" 實驗形式多樣化

自動控制元件課程主要講述各個執(zhí)行元件的工作原理及相關(guān)特性，而上述內(nèi)容均以電磁原理為基礎(chǔ)，理論知識抽象難懂，大多數(shù)學(xué)生難以理解與掌握。且受實驗條件及學(xué)時限制，僅可開設(shè)三個實驗項目，難以覆蓋絕大多數(shù)控制元件相關(guān)內(nèi)容，不利于學(xué)生完整知識體系的建構(gòu)。為此，搭建多電機模塊化實驗設(shè)備，采用虛擬仿真與實例相結(jié)合的立體式實驗教學(xué)模式，打破時間和空間限制，實現(xiàn)時間上從課內(nèi)向課外延伸、空間上從室內(nèi)到室外拓展。

（一）" 模塊化多電機實驗平臺

目前，自動控制元件課程總學(xué)時為56學(xué)時，為了便于學(xué)生對理論知識點的理解與掌握，將實驗課時由原來的6學(xué)時增加為16學(xué)時。同時，基于主流控制元件中6類元件及現(xiàn)有設(shè)備安放空間約束，采用模塊化思路，搭建了集直流電機、變壓器、步進電機、伺服電機、無刷直流電機和旋轉(zhuǎn)變壓器于一體的綜合實驗平臺，設(shè)置了8個實驗，如直流電動機的固有特性和人為特性實驗、步進電機的工作特性實驗、交流伺服電機的幅值-相位控制特性，變壓器的空載和負載運行特性、無刷直流電機工作特性及正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器實驗（圖1），基本涵蓋了多數(shù)典型控制元件的相關(guān)內(nèi)容。

實驗前將實驗指導(dǎo)手冊提前發(fā)放給學(xué)生做好實驗預(yù)習(xí)工作，主要包括實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒炘O(shè)備及實驗內(nèi)容等，使得學(xué)生明確自己要做什么、如何做。實驗過程中，學(xué)生基于實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備獨立設(shè)計實驗方案并連接線路，老師僅進行相關(guān)檢查，切實使學(xué)生成為實驗主體，記錄數(shù)據(jù)并對其分析，加深對相關(guān)知識點的理解和應(yīng)用。比如在異步電機啟動過程中，多數(shù)學(xué)生通過實驗感受到星型接法和角型接法時電流大小區(qū)別，體會到星角啟動確實能降低啟動電流，但發(fā)現(xiàn)電流數(shù)值之比和理論值差別較大。通過實驗小組內(nèi)部討論與分析，認為問題可能因數(shù)據(jù)采集頻率不夠快難以及時有效地捕捉到啟動電流。為此，采用示波器和電流傳感器來記錄啟動電流變化的全過程，并進一步通過波形分析得到的值大致和理論吻合。可以看出，在整個實驗過程中，學(xué)生既能通過實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)直觀地將理論知識進行呈現(xiàn)，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，又鍛煉了他們實際工程問題的解決能力，也能有效促進創(chuàng)新能力的提升。此外，在實驗報告環(huán)節(jié)，提高思考題難度，比如在伺服電機實驗時通過實驗方法觀察到圓形旋轉(zhuǎn)磁場、橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，在此基礎(chǔ)上提出當(dāng)有效信號系數(shù)從0至1變化時，電機磁場的形狀會怎樣變化？被分解成的正、反向旋轉(zhuǎn)磁場的大小又如何變化？通過類似思考題的設(shè)置，培養(yǎng)學(xué)生分析及解決問題的能力，把所學(xué)知識點串起來、用起來，有助于學(xué)生完整知識體系的建構(gòu)。

（二）" 基于仿真與實例相結(jié)合的立體式教學(xué)

受限于放置空間使得實驗設(shè)備套數(shù)少及固定空間和時間，即使采用多輪次實驗和分組也難以滿足每個學(xué)生均可自己動手完整地完成每個實驗內(nèi)容，進而可能導(dǎo)致基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生出現(xiàn)“掉隊”甚至“厭學(xué)”情緒加劇，教學(xué)效果也會大打折扣，學(xué)生的動手和分析及解決問題的能力也沒有得到充分鍛煉。為此，教學(xué)團隊采用 MATLAB 等仿真軟件開發(fā)自動控制元件仿真實驗項目如圖2所示，內(nèi)容涵蓋了直流電機、變壓器、無刷直流電機和步進電機等典型執(zhí)行元件。突破空間和時間限制，學(xué)生可隨時隨地通過仿真指導(dǎo)手冊學(xué)會如何搭建模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置對應(yīng)的拓展性實驗內(nèi)容，讓現(xiàn)有的一個驗證型實驗稍微拔高變成一個較復(fù)雜的探索性實驗，難度提高一點但能讓學(xué)生 “跳一跳夠得著”，比如在無刷直流電機調(diào)速實驗基礎(chǔ)上，增加速度控制精度要求，進而驅(qū)動學(xué)生思考影響速度控制精度的主要因素及產(chǎn)生機理，由此激發(fā)學(xué)生對該問題的好奇心和科研興趣，使學(xué)生由被動地接受教師的灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥靥骄繉嶒灐２⑶铱稍谕瑯拥脑O(shè)計要求下，有不同的解決方案可供選擇， 提高學(xué)生的積極性和主動性，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力及創(chuàng)新能力。

此外，通過引入MAXWELL 軟件建立自動控制元件虛擬實驗室，以實現(xiàn)控制電機實驗和計算機技術(shù)的結(jié)合。學(xué)生使用 MAXWELL 軟件能夠方便地改變設(shè)置和功能，形成不同功能的電機，并基于仿真結(jié)果可更加深刻體會到控制元件的電磁本質(zhì)。通過基于仿真與實例相結(jié)合的立體式教學(xué)，學(xué)生既能直觀感受到相關(guān)理論的具體呈現(xiàn)，又可鍛煉如何應(yīng)用所學(xué)理論知識來分析、解決實際問題的能力，且對自動控制元件及伺服系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)速及控制有一個更全面的實踐體會和深刻認識。

二" 科教融合創(chuàng)新化

教學(xué)團隊圍繞磁懸浮支承技術(shù)和新型電機及其驅(qū)動控制研究承擔(dān)了多項國家級項目。然而科研成果由于其復(fù)雜性和獨特性，不適于直接應(yīng)用于教學(xué)及實驗課程中， 但科研成果中的核心基本知識和技術(shù)可以經(jīng)過細化分解后應(yīng)用于本科生的實驗教學(xué)中[7]。磁懸浮電機技術(shù)，尤其是其高性能電機控制技術(shù)作為上述創(chuàng)新性科研成果的核心關(guān)鍵技術(shù)，特別適合自動控制元件這門課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。本課程依托高速磁懸浮電機相關(guān)的創(chuàng)新性科研成果，設(shè)計了相關(guān)實驗內(nèi)容（圖3）。以磁懸浮軸承為例，先從其部件開始如能實現(xiàn)位移測量功能的位移傳感器，了解其基本的工作原理和工作特性，其次熟悉磁軸承的基本結(jié)構(gòu)、懸浮力產(chǎn)生機理及剛度（位移剛度、電流剛度）特性。在上述部件及內(nèi)容熟悉的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)懸浮力的控制和調(diào)節(jié)。內(nèi)容上由部件級的基本認知到系統(tǒng)基本功能實現(xiàn)，學(xué)生知識面得以有效拓展。實驗難度從認知與拓展到探索與挑戰(zhàn)逐步攀升，使學(xué)生從動手能力鍛煉和工程問題解決提升到科研興趣培育和創(chuàng)新思維能力鍛煉。學(xué)生可根據(jù)自己的時間到實驗室學(xué)習(xí)，并安排研究生對其進行指導(dǎo)，形成“指導(dǎo)教師-博／碩研究生-本科生”指導(dǎo)梯隊。學(xué)生在接觸科研成果樣機的過程中，親自動手完成其中部分實驗課程，可以極大地提高學(xué)生專業(yè)知識學(xué)習(xí)的代入感[8]。學(xué)生對國家級科研成果有更加深刻和直接的認識，增強學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量，實驗內(nèi)容由驗證性和單一性向設(shè)計性和綜合性轉(zhuǎn)變，進而實現(xiàn)學(xué)科的科研強勢轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)的優(yōu)勢[9-10]。

三" 考核機制多元化

考核是自動控制元件課程實驗教學(xué)極其重要的環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)有的考核機制多采用出勤率和實驗報告成績，僅可在一定程度上反映出學(xué)生掌握知識及分析問題能力的水平，很難體現(xiàn)出學(xué)生間個體創(chuàng)新及綜合素質(zhì)的高低。這不僅打消了一部分積極主動要求上進學(xué)生的能動性，更抹殺了學(xué)生創(chuàng)新能力鍛煉的機會，必須對現(xiàn)有考核機制進行改進。實驗教學(xué)成績由驗證型實驗和綜合創(chuàng)新性實驗組成。驗證型實驗旨在幫助學(xué)生對知識難點的理解與掌握，因此考核側(cè)重于實驗過程的考核，占學(xué)生課程總成績的15%，如圖4所示。該部分基于前述的模塊化多電機實驗平臺和仿真實驗平臺，開設(shè)了8個驗證型實驗教學(xué)內(nèi)容，考核采用百分制。8個實驗項目中，2個拓展性實驗，各占比為20%，其余均占10%，考核內(nèi)容包括實驗前預(yù)習(xí)、實驗操作能力、實驗報告撰寫及數(shù)據(jù)分析，見表1。

綜合創(chuàng)新性實驗側(cè)重學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生不僅掌握知識、工程技能，而且還強調(diào)工程師的“集成作用”，以及跨學(xué)科的知識、人際能力、團隊精神、工程倫理責(zé)任和終身學(xué)習(xí)的能力等，該部分占總成績的20%。綜合創(chuàng)新性實驗基于磁懸浮電機的相關(guān)內(nèi)容，但電機種類不限。該部分實驗通過實驗任務(wù)的形式進行發(fā)布，讓學(xué)生自由組隊進行選題、設(shè)計、調(diào)試及最終完成項目答辯。由于是采用團隊形式合作完成，因此，采用百分制且每個團隊成員的成績等同于項目最終得分。該部分考核包括以下幾個方面：陳述與組織（10%）、報告撰寫質(zhì)量（10%）、限期完成進度與參與程度（10%）、 功能與性能（30%）、設(shè)計復(fù)雜度和創(chuàng)新與挑戰(zhàn)性（40%）。

四" 結(jié)束語

通過“三位一體”的實驗教學(xué)改革措施及本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能系統(tǒng)地掌握自動控制系統(tǒng)中常用的控制元件結(jié)構(gòu)、原理、特性及選擇和使用方法，在學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力方面得到了較大的鍛煉和提高，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實際工作打下了良好的基礎(chǔ)。基于“三位一體”實驗教學(xué)平臺，也使更多學(xué)生有機會了解非本專業(yè)的實驗知識，對學(xué)生的素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有很大的幫助。

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