基于差異化策略的自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)探索

鄧曉剛，楊明輝，王樹斌

(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580)

“自動(dòng)控制原理”是高校自動(dòng)化類專業(yè)中一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)［1]。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論知識(shí)的深入理解，很多高校都安排了自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)這一實(shí)踐環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)對(duì)提高學(xué)生的理論分析和工程實(shí)踐能力具有積極意義［2]。近年來，我校自動(dòng)化專業(yè)在自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中積極開展了許多探索工作。我們深入分析課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)和存在的問題，提出了一種基于差異化教學(xué)策略的課程設(shè)計(jì)模式。該模式將差異化教學(xué)思想滲透到課程設(shè)計(jì)過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)手段和考核方法進(jìn)行全面深入的改革。實(shí)踐結(jié)果表明了該模式的有效性。

1 課程設(shè)計(jì)教學(xué)思路

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)方案主要有兩種形式:仿真研究型和實(shí)驗(yàn)分析型。仿真研究型課程設(shè)計(jì)針對(duì)某被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab等仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，開展控制系統(tǒng)的分析與綜合研究。實(shí)驗(yàn)分析型課程設(shè)計(jì)是針對(duì)具體的小型實(shí)驗(yàn)裝置，如小型直流電機(jī)等，設(shè)計(jì)模擬控制器或者數(shù)字控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的閉環(huán)控制。

我校自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方案基于軟件與硬件相結(jié)合的思想，采用了仿真研究與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的做法，其流程圖如圖1所示。首先，選擇實(shí)驗(yàn)室A3000水箱裝置作為被控對(duì)象，要求學(xué)生測(cè)試雙容水箱的對(duì)象特性，利用實(shí)驗(yàn)建模方法得到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。然后，根據(jù)“相似系統(tǒng)”的原理，使用實(shí)驗(yàn)室的電路實(shí)驗(yàn)箱搭建二階模擬電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱的物理模擬。最后，基于Matlab軟件設(shè)計(jì)控制器，利用NI數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)，研究控制器參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，討論控制系統(tǒng)的分析綜合方法。

圖1 自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)的總體思路

在多年的課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)主要存在如下問題:①如果所有學(xué)生面對(duì)相同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，部分學(xué)生存在實(shí)驗(yàn)過程參考借鑒過多甚至抄襲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象;②較多學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果局限于有限的仿真曲線或者實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線，無法將所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)問題聯(lián)系起來。

2 差異化教學(xué)策略應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)

2.1 差異化教學(xué)思想

差異化教學(xué)策略是一種先進(jìn)的教學(xué)模式［4]，為我們解決自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)的上述問題提供了有力幫助。美國著名教育學(xué)家湯姆林森指出，“差異教學(xué)方式將學(xué)生的個(gè)體差異視為教學(xué)的組成要素，教師根據(jù)學(xué)生的準(zhǔn)備水平、學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)風(fēng)格設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)學(xué)生之間的個(gè)別差異，從而最終促進(jìn)每個(gè)學(xué)生的成長與進(jìn)步”［5]。差異教學(xué)以學(xué)生個(gè)體為中心，強(qiáng)調(diào)人的自主性、整體性和獨(dú)特性，與我國傳統(tǒng)的因材施教教學(xué)思想有相通之處。

針對(duì)自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的問題，我們借鑒差異化教學(xué)思想，提出一種基于差異化教學(xué)策略的自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)新模式。該模式不但使得課程設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容具有層次化差異化，滿足學(xué)生個(gè)體差異發(fā)展的需要，提高學(xué)生參與課程設(shè)計(jì)的積極性和主動(dòng)性;并且，結(jié)合課程設(shè)計(jì)本身的特點(diǎn)，我們對(duì)差異化教學(xué)策略進(jìn)行拓展，采用差異化的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和多樣化的課程設(shè)計(jì)手段，提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)中的獨(dú)立性，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

2.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)的差異化

在差異化教學(xué)策略的指導(dǎo)下，課程設(shè)計(jì)的具體任務(wù)和教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)出明顯的層次性，從而滿足不同能力學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。因此，我們把課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為如下三個(gè)層次。

(1)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)—主要包括實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)理建模、基于實(shí)驗(yàn)曲線的辨識(shí)建模、裝置物理模擬和控制系統(tǒng)構(gòu)建等;

(2)綜合型實(shí)驗(yàn)—是課程設(shè)計(jì)的主要工作，該部分內(nèi)容包括Matlab控制系統(tǒng)工具箱的使用、PID控制器的設(shè)計(jì)、控制器參數(shù)變化與根軌跡的關(guān)系、串聯(lián)校正技術(shù)、控制系統(tǒng)的能控能觀性分析和狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)等;

(3)提高型實(shí)驗(yàn)—其目的在于提高學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合研究能力，包括最小拍控制器設(shè)計(jì)、純滯后系統(tǒng)構(gòu)建與控制和基于觀測(cè)器的狀態(tài)反饋控制等。

2.3 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的差異化

(1)不同的實(shí)驗(yàn)裝置—在有限的實(shí)驗(yàn)室裝置中，為每組學(xué)生隨機(jī)指定不同的雙容水箱裝置，不同裝置的物理參數(shù)有一定差別，必然會(huì)帶來不同的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型。

(2)不同的裝置參數(shù)—在同一套實(shí)驗(yàn)裝置，為每組學(xué)生設(shè)置不同的水箱出口擋板閥開度，從而使得每組學(xué)生測(cè)試得到不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)學(xué)模型。

(3)不同的裝置工作點(diǎn)—要求學(xué)生設(shè)置不同的工作點(diǎn)，雙容水箱系統(tǒng)本身為非線性系統(tǒng)，選擇不同的工作點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致不同的近似線性模型。

雖然所有學(xué)生均針對(duì)雙容水箱實(shí)驗(yàn)裝置建立二階被控系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但是以上三種措施使得學(xué)生面臨不同參數(shù)的二階實(shí)驗(yàn)對(duì)象，做到實(shí)驗(yàn)對(duì)象相似而不相同。因此從根本上避免了設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的雷同性，可以有效促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立自主創(chuàng)造性的開展課程設(shè)計(jì)工作。

2.4 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)手段的多樣化

針對(duì)學(xué)生無法有效聯(lián)系控制理論與工程實(shí)際的問題，采用控制理論分析、數(shù)字仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證多種不同實(shí)驗(yàn)手段相融合的課程設(shè)計(jì)模式，學(xué)生課程設(shè)計(jì)過程中做出的每條實(shí)驗(yàn)曲線，教師都要求其應(yīng)用控制理論進(jìn)行解釋分析，同時(shí)通過Matlab控制系統(tǒng)工具箱進(jìn)行仿真對(duì)照。

教師在課程設(shè)計(jì)中學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題時(shí)不應(yīng)直接解答，而是有意識(shí)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合理論概念進(jìn)行思考分析，進(jìn)一步利用Matlab仿真平臺(tái)驗(yàn)證想法，并在模擬實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測(cè)試，從而真正獨(dú)立自主的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。最后教師針對(duì)學(xué)生的問題，幫助其總結(jié)歸納分析，提煉使用控制理論分析解決實(shí)際控制問題的思路和步驟。

2.5 課程設(shè)計(jì)考核方式的綜合化

自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)的考核，不但要測(cè)評(píng)學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告，更重要的是要考查學(xué)生的課程設(shè)計(jì)過程和平時(shí)表現(xiàn)。因此課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定過程中采用綜合化考核方式，平時(shí)表現(xiàn)、成果檢查與總結(jié)報(bào)告按照一定比例(如3:4:3)構(gòu)成課程設(shè)計(jì)成績。

3 結(jié)語

近三年來，我們將上述差異化教學(xué)策略應(yīng)用于自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐之中。教學(xué)過程中，每組學(xué)生分配到不同編號(hào)的實(shí)驗(yàn)裝置，每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置不同的參數(shù)，學(xué)生任意選擇工作點(diǎn)，每組得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣就使得學(xué)生必須獨(dú)立自主的

進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)所有得到的曲線都要進(jìn)行理論分析和仿真對(duì)比，尤其是對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果差異較大的曲線，學(xué)生必須給出自己的解釋。這樣就使得學(xué)生必須認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，也使得學(xué)生必須思考如何用控制理論來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。教學(xué)實(shí)踐的最終結(jié)果表明，這種課程設(shè)計(jì)模式很好的提高了學(xué)生的課程設(shè)計(jì)積極性，使得學(xué)生能夠積極的思考如何將課堂理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相融合。

［1] 肖理慶，李巍.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(3):97-98

［2] 廖育武.自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)新模式的探究［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(3):116-117

［3] 孟令雅.自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)探索［J] .北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(2):182-184

［4] 尹瑩.基于多元智能理論的差異化教學(xué)探索［D] .上海:復(fù)旦大學(xué)，2011.

［5] 黃瑩.英國差異化教學(xué)政策及策略研究［D] .上海:華東師范大學(xué)，2010.