《自动控制原理》虚拟实验系统在教学中的应用

摘要：《自动控制原理》课程具有自然科学性与工程技术型并存的特点。自动控制实践性实验教学是很重要的教学环节。《自动控制原理》虚拟实验系统为学习者提供了不受时空限制的实验平台，丰富了课程教学资源与教学手段。该系统在教学过程中的应用，积极促进了学习者的学习效果，在实验中培养了学习者的探究性学习兴趣，有利于学生创新意识和创新能力的培养。

关键词：自动控制原理；实验教学；虚拟实验系统

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）35-0234-03

自动控制技术的应用提供了人们改造自然的能力，尤其随着计算机技术的快速发展和应用，生产和生活中随处可见自动控制技术的成功应用。自动控制技术已在工农业生产、交通运输、航空航天等众多领域发挥着越来越重要的作用。《自动控制原理》是自动化及相关专业本科生的重要专业基础课或选修课，课程的基本内容是关于自动控制的基本规律，介绍基于反馈控制的思想方法和面向控制对象的系统组成，强调自然科学性与工程技术型并存。因此，实验教学是课程教学的一个重要环节。昆明理工大学《自动控制原理》作为云南省级精品课程，在实验教学方面进行了改进。实验教学是精品课程建设的重要组成部分，要体现出课程的基础性、先进性和时代性；同时，为解决学校日趋紧张的实验设备及实验场地等实验教学条件问题，针对《自动控制原理》的实验环节，研究设计了《自动控制原理》虚拟实验系统。

一、建设仿真实验系统的意义

1.突破实验时间与空间上的限制。学生可以在任何有网络终端的地方，利用学校“网络在线”提供的网络平台，开展设计性实验，以及进行与实验有关的活动。通过网上仿真实验系统，可以开展理论验证、实验设计、仿真，进行模拟实验内容的预习等。通过实验理解控制理论相关知识，强化理论教学效果。

2.克服实验条件的限制。实验教学手段的现代化摆脱了原有实验条件的约束，利用系统实验平台可进行课程验证性实验和设计性实验，还可进行自主创新实验的设计与仿真活动。

3.促进学生创新意识和创新能力的培养。实验教学手段的现代化为学生开展创新活动营造了良好的条件。

4.发挥现代教育技术在教学中的作用。实验教学一直都是课程教育中的一个重要环节，本系统的实现对深入开展现代教育技术应用于实验教学是一个很大的促进。本系统作为精品课程建设中的实验教学条件建设的一个重要内容，补充了《自动控制原理》课程模拟实验条件局限外的虚拟实验条件，发挥了现代教育技术在教学中的作用。

二、虚拟实验系统在教学中的应用

1.系统功能。虚拟实验系统应体现出课程的基础性、先进性和时代性。根据《自动控制原理》课程特点和理论教学中的难点，结合课程模拟实验内容，虚拟实验系统设计了基础实验和自主设计实验，系统功能组成如图1所示。

该虚拟实验系统有两个层面的教学作用：（1）基础实验：包括典型环节特性实验、典型系统动态特性实验、典型系统频率特性实验、校正实验等四个基础实验内容。主要用于学习者对课程理论的认识与验证。通过不同数学模型表现的环节（系统）特性或现象，加深对理论的理解；学习者通过基础实验，可以验证理论，甄别概念，加深理解，达到加强教学效果的目的。（2）自主设计实验：主要用于学习者对控制原理的应用实践。学习者可设定不同的对象，通过对PID不同组合控制的实验现象分析，加深对PID控制规律的认识和理解。提供学习者自主性创新设计与应用实践的研究。

2.系统在教学中的应用。在课程教学过程中，学习者可根据理论教学进程，利用虚拟实验系统中提供的相关基础实验，对理论知识进行实验性验证学习和深入研究。学习者在学校“网络在线”上下载《自动控制原理》虚拟实验系统可执行文件到本机，启动系统即可进行实验。系统主界面如图2所示。

3.系统应用举例。《自动控制原理》课程中典型二阶系统的特征参数与动态性能之间的关系是一个教学重点和难点。学习者可选择图1中“典型系统瞬态响应”，通过改变二阶系统的两个特征参数——阻尼比ξ和无阻尼自然振荡角频率？棕n，观察二阶系统的瞬态响应，就可实证分析归纳出两个特征参数对瞬态响应的影响规律，建立典型二阶系统的特征参数与动态性能之间的关系，辨明并强化了对该教学重点理论的理解，通过实验达到对理论教学效果的提高。如图3所示为阻尼比ξ不同取值（图3（a）ξ=0.707，（b）ξ=0.5）与二阶系统瞬态响应的关系，学习者通过实验过程观察到二阶系统瞬态响应和性能指标，就可分析归纳出特征参数阻尼比ξ对瞬态响应的影响规律，即阻尼比ξ越小，系统超调量越大，系统相对稳定性越差；阻尼比ξ越大，系统超调量越小，系统相对稳定性越好；特征参数阻尼比描述了系统的振荡性。这种通过实验与现象分析归纳出结论的过程对学习者映像是深刻的，通过实践认知验证理论知识的过程极大地诱发了学习者探究性学习兴趣。既提高了学习效果，又积极促进了学习者创新意识和创新能力的培养。

4.系统应用情况。该系统于2009年8月完成，并在2009～2010学年上学期应用于自动化系2008级280人的课程教学中。特别是该学年课程正逢新老校区实验室搬迁交替之时，该课程模拟实验不能及时安排的情况下，该虚拟实验系统及时提供了学生280人的实验环境，在理论验证与研究层面补充了该课程模拟实验的效果，起到实验教学环节的重要作用。该系统已在自动化系2009级、2010级近520人的课程教学中应用。同学们使用本系统功能进行仿真实验，辅助理论教学与实践，积极促进了学习者的学习效果，在实验中培养了学习者的探究性学习兴趣，有利于学生创新意识和创新能力的培养。

该虚拟实验系统为一个可执行文件，运行条件不高，占用资源很少，学习者只需在校园网“网络在线”进入该虚拟实验系统课程，下载该文件在客户端，即可运行。该虚拟实验系统的开放运用，对理论教学效果起到积极的促进作用。虚拟实验系统体现了本课程的教学实验内容和基础性、先进性和时代性特点，能满足本课程虚拟实验系统的要求。《自动控制原理》虚拟实验系统丰富了该课程教学资源与教学手段。《自动控制原理》虚拟实验系统获得云南省教育厅2010年教学软件评比一等奖；《自动控制原理》课程教学改革与教学实践成果获学校2011年度教学成果一等奖。

参考文献：

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作者简介：李玉惠（1964-），女，教授，博士，在昆明理工大学信息工程与自动化学院从事教学与科研工作。