《控制工程基礎》課程實驗教學的研究與探討

陳 曉

（安陽工學院機械工程學院，河南安陽455000）

《控制工程基礎》課程是諸多工科專業(yè)，例如機械設計制造及其自動化、機械電子工程的一門重要基礎課程，為后續(xù)的專業(yè)課程提供了理論基礎和分析、設計方法。該課程的特點是理論性較強，概念多，內容抽象，并涉及數(shù)學、物理等多方面知識，具有一定的深度和難度。因此，該課程實驗教學的開設就在消化、理解和吸收教學內容上起到了非常重要的作用[1]。

目前，該課程所開設的實驗大多是驗證性實驗，缺少綜合性、設計性及創(chuàng)新性實驗，且實驗內容單一，極易造成學生理論與實驗、實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)[2]，不利于學生對知識的掌握及應用。因此，根據課程特點，結合實驗條件與學時數(shù)情況，現(xiàn)提出采用“虛實結合”、原理驗證性實驗與綜合性、設計創(chuàng)新性實驗相結合的實驗教學方式，并按照課程教學重點以及各專業(yè)特色設置實驗項目，優(yōu)化實驗教學體系，規(guī)范并完善實驗教學內容。下面針對這一思路作進一步探討。

1 實驗教學目標

實驗教學對學生的動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用?！犊刂乒こ袒A》課程實驗教學的目標就是通過設置一些實驗項目，使學生充分掌握控制理論的基本知識、基本方法和基本技能，調動學生所有的感知功能，最大限度地提高教學效果及學習效率，消除學生在控制理論中因抽象而產生的畏難、厭煩心理，激發(fā)學生學習的興趣，使學生處于一種探索、發(fā)現(xiàn)的學習過程，引導學生盡早進行科學實驗設計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力[3]。

2 實驗教學內容

根據以上的教學目標，在實驗教學的內容規(guī)劃上，可以圍繞以下3方面來完成。

1）根據教學內容狀況和現(xiàn)有的實驗條件，采用“虛實結合”的實驗方法。

“虛”即是利用MATLAB仿真軟件，在SIMULINK仿真環(huán)境下，進行計算機仿真實驗。

MATLAB是一種用于工程計算和數(shù)值分析的交互式軟件，它將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，從而被廣泛地應用于科學計算，信息處理、控制系統(tǒng)等領域的分析、仿真和設計工作。其中包含的控制系統(tǒng)工具箱就是專門針對控制系統(tǒng)工程設計的函數(shù)和工具的集合，涉及了經典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內容，包括根軌跡圖的繪制、零極點的設置和最優(yōu)控制等[4]。

如果將MATLAB融入實驗教學中去，先由教師選有代表性的題目在計算機上對學生進行演示，以便學生理解本次實驗的主要目的，然后由學生進行現(xiàn)場操作，同時針對學生在仿真過程中遇到的問題進行解答。這樣不僅可以起到輔助教學的功能，而且能增強學生的感性認識，加強其對授課內容的理解，提高教學效率。

“實”即是利用控制理論實驗箱，進行實驗系統(tǒng)實驗。

常見的控制系統(tǒng)分兩大類，一類是機械系統(tǒng)，另一類是電氣系統(tǒng)。對機械系統(tǒng)的模擬往往對實驗條件要求頗多，而對電氣系統(tǒng)的模擬則相對簡單易行。根據機電相似性原則，可以利用電氣元件模擬機械系統(tǒng)，使兩者具有相同的數(shù)學模型。就動態(tài)性能來說，對電氣系統(tǒng)模擬的研究，可以替代對機械系統(tǒng)的模擬[5]。所以，在本課程的實驗教學中，可采用控制理論實驗箱來完成相關實驗。讓學生在硬件電路箱上搭建控制系統(tǒng)，通過信號發(fā)生器、示波器、頻率分析儀等設備，分析測試系統(tǒng)特性，調整系統(tǒng)參數(shù)，從而進行控制器設計、控制仿真或實際控制實驗，由此培養(yǎng)學生獨立思考能力、科研能力和實際動手能力。

2）遵循循序漸進的原則，改變單一的實驗教學方式，采用驗證性實驗與綜合性、設計創(chuàng)新性實驗相結合的方法，優(yōu)化實驗內容。

《控制工程基礎》的實驗教學，必須開設一定量的驗證性實驗，由教師指導學生對課堂上學過的定律、結論通過相關實驗加以驗證，從而深化理解。除此之外，也要加大綜合性、設計創(chuàng)新性實驗的比例，讓學生根據自己所學專業(yè)的特點及愛好進行實驗，改變學生的被動接受式學習方式，采用自主式學習為主導，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和獨立分析問題、解決問題的能力[6]。

3）根據教學內容的擴展線路，圍繞重要知識點進行實驗項目的設置。

《控制工程基礎》的教學重點有3個：系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析以及系統(tǒng)的校正和設計[7]。在實驗項目的設置上，應與這幾個重點的知識點緊密結合，開設如控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬，控制系統(tǒng)的時域響應分析、穩(wěn)定性分析，以及控制系統(tǒng)的校正與設計等實驗項目。

另外，對于非電類專業(yè)，例如機械制造、車輛工程等，也可開設一定針對各專業(yè)特點的實驗項目。比如機械制造專業(yè)，可以數(shù)控機床的運行控制為實驗內容，將機械制造與控制理論相結合，讓學生將理論知識用到實際生產中去，解決基本的工程問題，提高學生對課程及本專業(yè)的理解。

3 結語

《控制工程基礎》研究的問題帶有普遍性，對工程實踐具有重要的指導意義，該課程實驗的開設對培養(yǎng)學生運用控制原理的基本方法、提高分析和解決各種工程問題的能力具有重要意義。采用計算機仿真與控制系統(tǒng)搭建兩類實驗方式，令“虛實結合”，調整原理驗證性實驗與綜合性、設計創(chuàng)新性實驗的比例，按照課程教學重點以及各專業(yè)特色設置實驗項目，優(yōu)化實驗教學體系，對于學生掌握理論知識，并將理論與實際工程問題結合具有很大的幫助。

[1]尚銳，王曉明，宛劍業(yè).“控制工程基礎"課程的實驗方法研究[J].遼寧工業(yè)大學學報（社會科學版），2008（3）：106-108.

[2]林海鵬，王金波，董金波，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與實踐探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2011（8）：182-183.

[3]董景新.控制工程基礎[M].北京：清華大學出版社，2003．[4]董金波，任思璟.運用MATLAB仿真軟件促進《機械控制工程基礎》課程教學的改革與實踐[J].中國科技信息，2012（1）：127.

[5]嚴繼東，劉宗群.自控實驗中二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)實驗方法的探討[J].實驗室研究與探索，1992（3）：58-61.

[6]侯志敏，尚雅層.控制工程基礎實驗教學的研究與實踐[J].教育前沿，2010（4）：52.

[7]王積偉，吳振順.控制工程基礎[M].北京：高等教育出版社，2010．