物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)研究

呂宏詩(shī)

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066000 )

物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)研究

呂宏詩(shī)

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066000 )

在控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用基于物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)，改進(jìn)了單一教學(xué)模式的弊端。根據(jù)實(shí)驗(yàn)難度和學(xué)生能力的不同，將控理實(shí)驗(yàn)分了三個(gè)層次，因材施教，逐層遞進(jìn)。物理和虛擬的教學(xué)模式相結(jié)合，互為補(bǔ)充?；谖锢怼⑻摂M相結(jié)合的分層次教學(xué)，鍛煉學(xué)生從不同角度加深對(duì)問(wèn)題的理解和掌握，在培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題方面具有較好的效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)；分層次教學(xué)；教學(xué)改革；控制理論

近年來(lái)，自動(dòng)控制理論得到了飛速深遠(yuǎn)的發(fā)展?？刂评碚搶?shí)驗(yàn)是高校控制理論教學(xué)中的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，但由于自動(dòng)控制理論課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、含有大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)以及圖表曲線，學(xué)生很難將理論上所描述的系統(tǒng)和各種實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，直接影響著學(xué)習(xí)效果。

自動(dòng)控制理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用兩種模式：利用傳統(tǒng)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱連接硬件電路的物理模式和采用MATLAB軟件編程仿真的虛擬模式。如果將它們有機(jī)地組合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，就可以在發(fā)揮各種模式優(yōu)勢(shì)的同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院提出并采用了物理——虛擬相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式互為補(bǔ)充，在培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題方面具有較好的效果[1-3]。

1 單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的缺點(diǎn)

自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的物理模式是指采用傳統(tǒng)的硬件連接，在實(shí)驗(yàn)箱面板上連接相應(yīng)的電子元件搭建典型控制環(huán)節(jié)硬件電路，通過(guò)產(chǎn)品自帶的軟件或者示波器進(jìn)行模擬仿真。這種實(shí)驗(yàn)方式可以在很大程度上加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。但這種模式只能在有限的范圍內(nèi)作定性的分析，而無(wú)法保證在任何情況下都能分析參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能影響的要求，并且存在對(duì)高階系統(tǒng)根本就無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題；重復(fù)多次的連接電路，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4-5]。

自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛擬模式是指利用近MATLAB軟件的數(shù)字仿真環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。即采用建立在純?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工作。由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可視化效果好，因此非常適合在課堂即時(shí)對(duì)控制算法的效果進(jìn)行展現(xiàn)和比較。學(xué)生通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)雖然可以加深對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的理解，學(xué)習(xí)控制算法設(shè)計(jì)和軟件的編程，但是無(wú)法開(kāi)展軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，不能有效檢驗(yàn)控制算法的有效性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和常用儀器的使用能力不利[6-9]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

現(xiàn)在，自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)從傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式正逐步向分層教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，軟硬件相結(jié)合，搭建建立物理——虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更注重學(xué)生動(dòng)手能力以及個(gè)性和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)。

2.1 引入分層次教學(xué)

分層次教學(xué)的宗旨就是要打破傳統(tǒng)教學(xué)方法的束縛，樹(shù)立以人為本、因材施教、尊重個(gè)性的教育理念。我們將分層教學(xué)思想引入自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生通過(guò)分層設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可以加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，提高動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生能夠做到用科學(xué)的方法、技術(shù)來(lái)分析、解決實(shí)際問(wèn)題。我們將自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難度和學(xué)生能力的不同，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性三個(gè)層次。

第一層，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是綜合性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)際物理系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，能把理論上所描述的系統(tǒng)和各種實(shí)際控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。培養(yǎng)學(xué)生的基本動(dòng)手能力，為將來(lái)更深的實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容主要包括：典型環(huán)節(jié)的電路模擬研究、二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性分析、線性系統(tǒng)的串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)、非線性環(huán)節(jié)的電路模擬研究、非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法分析研究等。

第二層，綜合性實(shí)驗(yàn)是指在學(xué)生具有一定基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一課程或多門(mén)課程的綜合知識(shí)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性實(shí)驗(yàn)。從剖析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型到觀察、記錄系統(tǒng)的運(yùn)行特性，從而用有關(guān)知識(shí)評(píng)判一個(gè)控制系統(tǒng)的知識(shí)全面地分析、綜合這一系統(tǒng)的各項(xiàng)特性，使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)、技能進(jìn)行分析和綜合。鍛煉學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合應(yīng)用的能力，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理以及查閱中外文資料的能力。綜合性實(shí)驗(yàn)主要有：液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)和溫度控制實(shí)驗(yàn)等。

第三層，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是教師給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并加以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的工作，它要求學(xué)生在具備了一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上，把所學(xué)到的模數(shù)電、傳感器、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行綜合，用科學(xué)的方法、技術(shù)來(lái)分析、解決實(shí)際問(wèn)題。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容包括：天線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、云臺(tái)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、變頻調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)和倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等[10]。

2.2 建立物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)平臺(tái)

單純的物理模式或者單純的虛擬模式教學(xué)，各有利弊，二者結(jié)合可以達(dá)到單獨(dú)教學(xué)都無(wú)法達(dá)到的較好實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。我們?cè)谧詣?dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)中建立了物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)平臺(tái)。在實(shí)施過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的層次關(guān)系，使學(xué)生從做基礎(chǔ)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)到綜合性實(shí)驗(yàn)再到設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，逐步從理論的學(xué)習(xí)過(guò)渡到實(shí)踐的訓(xùn)練，物理和虛擬的教學(xué)模式可以穿插進(jìn)行，使三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，逐層遞進(jìn)。物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)平臺(tái)基本框圖如圖1所示。

圖1 物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)平臺(tái)基本框圖

對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，物理和虛擬實(shí)驗(yàn)要求全部完成。在虛擬性教學(xué)中，我們先是利用1～2課時(shí)，介紹MATLAB的語(yǔ)言編程以及SIMULINK仿真方法，然后就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等進(jìn)行布置，最后進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)收，驗(yàn)收合格的學(xué)生進(jìn)行物理性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比分析物理硬件電路實(shí)測(cè)波形和虛擬仿真結(jié)果的異同，學(xué)生可以深入理解理論概念和實(shí)際物理參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，了解仿真分析的理想環(huán)境和實(shí)際應(yīng)用的干擾環(huán)境之間的區(qū)別，對(duì)硬件電路調(diào)試中出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行思考分析和解決，從而鍛煉理論在實(shí)踐中的應(yīng)用能力。

對(duì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行物理性實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室的硬件環(huán)境，對(duì)典型控制系統(tǒng)，如溫度控制實(shí)驗(yàn)、液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等，進(jìn)行有關(guān)的綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。其中在系統(tǒng)建模、系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中可借助于虛擬軟件實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)地配合研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

物理、虛擬相結(jié)合的分層次教學(xué)平臺(tái)的建立使學(xué)生感受到了實(shí)際系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)的統(tǒng)一，較好地解決了僅在物理環(huán)境中難以完成高階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以及僅在虛擬環(huán)境中難以建立真實(shí)系統(tǒng)的問(wèn)題。不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街埸c(diǎn)不同，學(xué)生可以在不同的環(huán)境中完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從不同角度加深對(duì)理論的理解和掌握，提高了學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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Combination of Physics and Virtual Hierarchical Teaching Research

Lü Hongshi

(Department of Electrical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China)

The combination of physics and virtual hierarchical teaching in the control theory of the experiment teaching improves the disadvantages of the single teaching mode. According to difficulty of the experiment and the ability of different students, the control theory of the experiment is divided into three levels to adapt the students’ personality and get a progressive step by step. The teaching model of physics and virtual combination complemented each other. The hierarchical teaching based on the combination of physics and virtual exercised students’ ability to deepen and master the understanding of problems from different angles and got good effect in solving practical engineering problems.

virtual experiment；hierarchical teaching；teaching reform；control theory

2014-09-24

呂宏詩(shī)(1979-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要工作方向：控制理論教學(xué)研究。

:G642.0; TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.027