基于應(yīng)用型本科教育和專業(yè)認證的《自動控制原理》課程實驗教學(xué)改革

梁春輝

(長春工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，長春 130012)

一、引言

《自動控制原理》課程是我校電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程主要闡述以線性定常單輸入單輸出負反饋控制系統(tǒng)為主的經(jīng)典控制理論及其分析方法。教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)學(xué)模型的建立，時域、復(fù)域、頻域內(nèi)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)性能分析，控制系統(tǒng)的設(shè)計，并輔以計算機輔助分析。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備初步的理論聯(lián)系實際的能力以及解決工程實際問題的能力，逐步提高學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)新能力。

學(xué)好該門課程，需要將理論與實際相結(jié)合，所以實驗教學(xué)成為理論教學(xué)的有力支撐，實驗環(huán)節(jié)實施效果的好壞是實現(xiàn)課程目標的有力保障，也是實現(xiàn)工程教育專業(yè)認證人才培養(yǎng)目標的途徑。

二、自動控制原理課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

從實驗條件方面看，由于受到客觀條件的限制，導(dǎo)致實驗器材比較落后，實驗教學(xué)的作用難以發(fā)揮。所以需要結(jié)合計算機仿真工具進行完善。

從實驗內(nèi)容方面看，基本上還是對基本理論的驗證和復(fù)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)比較單一，沒有一個完整的體系，綜合性、設(shè)計性及創(chuàng)新性的實驗比較少，學(xué)生很少有發(fā)揮主觀能動性的余地。所以需要對現(xiàn)有的實驗內(nèi)容進行研究、改革和更新。

從實驗教學(xué)方法方面看，盡管已有不少改革成果，但仍有相當多的實驗還局限于驗證原理和訓(xùn)練操作技術(shù)，而對實驗思路、實驗設(shè)計和實驗綜合分析能力重視不足，所以需要對現(xiàn)有的實驗教學(xué)方法進行研究和改革。

結(jié)合我校電氣工程及其自動化專業(yè)工程教育認證標準與課程目標，根據(jù)自動控制原理課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀及問題，課程組成員對該課程實驗教學(xué)進行一系列研究與改革，提高自動控制原理課程教學(xué)水平，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、動手能力和創(chuàng)新能力。

三、實驗教學(xué)內(nèi)容的改革

結(jié)合我?！芭囵B(yǎng)應(yīng)用型人才”的辦學(xué)定位，根據(jù)工程教育專業(yè)認證人才培養(yǎng)、目標要求，對自動控制原理實驗教學(xué)大綱進行修訂，明確基于學(xué)生畢業(yè)要求的課程目標。通過對本課程的實驗教學(xué)，使學(xué)生具備下列四項能力：

目標1：能夠根據(jù)系統(tǒng)的性能指標要求制定實驗方案并選擇相應(yīng)的元器件及匹配參數(shù)來構(gòu)建實驗系統(tǒng)。

目標2：能夠根據(jù)實驗方案正確搭建實驗系統(tǒng)，安全進行實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)。

目標3：能夠正確篩選、處理和分析實驗數(shù)據(jù)，得出合理有效的結(jié)論，并提出控制系統(tǒng)的改進方案。

目標4：能夠利用計算機仿真軟件構(gòu)建控制系統(tǒng)仿真模型，進行仿真實驗，對系統(tǒng)性能進行模擬預(yù)估。

每一個課程目標對應(yīng)一項畢業(yè)要求指標點，比如課程目標1對應(yīng)畢業(yè)要求4-2，即能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對電氣電子器件、電路、裝置以及復(fù)雜電氣工程系統(tǒng)，選擇研究路線，設(shè)計可行的實驗方案。

在教學(xué)內(nèi)容方面，增加設(shè)計性、綜合性實驗的比重。在實驗臺原有的驗證性實驗基礎(chǔ)上，新增了綜合設(shè)計性實驗 “二階控制系統(tǒng)設(shè)計”，將二階控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、動態(tài)性能指標計算、模擬電路設(shè)計與MATLAB仿真結(jié)合，能夠選用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對復(fù)雜工程問題進行預(yù)測和模擬。并將原有的驗證性實驗“控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析”調(diào)整為綜合性實驗，有效地將控制系統(tǒng)中的控制理論應(yīng)用于工程實踐，日后會使學(xué)生對控制系統(tǒng)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用做到有的放矢。

四、實驗教學(xué)方法的改革

教學(xué)方式多樣化：在互聯(lián)網(wǎng)信息時代，把Authorware、Photoshop、PowerPoint 等多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到自動控制原理實驗教學(xué)課件中，通過課件來演示實際控制系統(tǒng)的工作過程，易于學(xué)生理解，同時可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將實驗室安排信息發(fā)布在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺上，方便學(xué)生信息查詢及使用，提高實驗室使用效率。

增加計算機仿真的比重：隨著計算機技術(shù)的日益發(fā)展，在自動控制原理實驗教學(xué)增加MATLAB軟件應(yīng)用的比重，每個模擬實驗都要求學(xué)生在預(yù)習(xí)階段使用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行輔助設(shè)計和仿真，繪制出系統(tǒng)的伯德圖、根軌跡圖和階躍響應(yīng)曲線。這樣可以將抽象的問題具體化，加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握，并且為以后的科研工作奠定良好的基礎(chǔ)。

開放實驗室：本學(xué)期開始實驗室實行開放制度，可以擴大學(xué)生的發(fā)展空間，并能增加學(xué)生的發(fā)展機會。實驗室開放無論從實驗預(yù)習(xí)、實驗操作過程還是計算機仿真等方面都增加了學(xué)生對實際控制系統(tǒng)的動手操作機會。學(xué)生可以在掌握了自動控制原理課程的理論知識前提下，隨時進行實踐，這樣便進一步加深了對該課程和實踐的理解。并且實驗室開放過程可以讓學(xué)生不受固定模式約束地發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，由基礎(chǔ)實驗逐漸過渡到綜合性、設(shè)計性實驗，訓(xùn)練學(xué)生掌握扎實的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和設(shè)計能力。

五、優(yōu)化實驗考核，建立持續(xù)改進機制

針對當前考核模式的單一性，不光單純依靠實驗報告來評定學(xué)生實驗成績的考核模式，增加對學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)和實驗操作環(huán)節(jié)的考核，使實驗評分機制更趨合理和科學(xué)。課內(nèi)實驗評分細則如下：

表1 課內(nèi)實驗評分細則

其中實驗方案環(huán)節(jié)主要考察學(xué)生對實驗的預(yù)習(xí)情況，包括理論計算和電路設(shè)計等。將實驗預(yù)習(xí)的成績按照30%的比重歸入實驗評分標準中，可以提高學(xué)生對預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的重視程度和執(zhí)行力度。實驗系統(tǒng)搭建環(huán)節(jié)主要反映學(xué)生操作技能和實驗素養(yǎng)，按照40%的比重歸入實驗評分標準中，使學(xué)生更安全、熟練、規(guī)范地操作實驗設(shè)備，提高學(xué)生的動手能力以及獨立解決問題的能力。數(shù)據(jù)處理與分析這一項主要是對學(xué)生實驗報告細節(jié)的考核，按照30%的比重歸入實驗評分標準中，在實驗報告中增加“思考題”和“實驗心得”，讓學(xué)生真正做到理論聯(lián)系實際，通過實驗報告數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性來評價學(xué)生的“實驗?zāi)芰Α?。以上三個考核項目也分別對應(yīng)大綱要求學(xué)生具備的課程目標。

以工程教育認證體系的“持續(xù)改進”為原則，根據(jù)本學(xué)期自動控制原理課程達成度進行分析，成立課程持續(xù)改進組，由課程負責人組織執(zhí)行并監(jiān)督持續(xù)改進過程，制定持續(xù)改進措施。在實驗課結(jié)束后，教師綜合學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗表現(xiàn)和實驗報告等情況進行教學(xué)小結(jié)，調(diào)整并改進實驗教案，主要包括對實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容、實驗內(nèi)容的重點和難點的調(diào)整，從而形成一個良好的教學(xué)閉環(huán)模式，保證實驗教學(xué)效果的持續(xù)改進。

六、結(jié)論

以我校電氣工程及其自動化專業(yè)工程教育專業(yè)認證為契機，結(jié)合應(yīng)用型本科教育的理念，開展自動控制原理課程實驗教學(xué)改革和研究。首先基于學(xué)生畢業(yè)要求明確課程目標，針對實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進行改革和優(yōu)化，通過改革考核方式加強持續(xù)改進。實踐證明提高了教學(xué)質(zhì)量，并能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。