自动控制原理课程实验教学体系改革

摘 要：为了加强对学生创新能力和实践能力的培养，针对传统自动控制原理实验教学的不足，提出了多种改革措施。实践表明，改革后的实验教学有利于对学生实际动手能力和设计能力的培养，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，教学效果显著。

关键词：自动控制原理；实验教学体系；改革；创新能力

自动控制原理是理工科院校自动化、机电以及测控等电类专业非常重要的一门专业基础课程，也是机械、动力等非电类专业必选的专业课程，授课覆盖面很广，在专业课程设置中占有重要地位[1]。自动控制原理以方法论为基础，主要研究自动控制系统在实际控制过程中表现出来的性能，理论性较强，概念抽象[2]。传统的自动控制原理教学模式重理论，轻实践，导致实验学时偏少，实验类型单一等问题，极大地制约了学生实践能力的发展和创新能力的培养[3]。为了适应国家现代化发展对人才素质和能力的要求，有必要对传统的自动控制原理实验教学体系进行改革，达到培养学生综合应用知识的能力和提高实践能力的要求。

1 自动控制原理实验教学体系具体改革措施

1.1 设计基于Matlab的网络仿真实验系统

Matlab是美国Math Works公司开发的一款高级的数值分析、处理与计算软件，包含丰富的函数集合和各种工具箱，其中的控制系统工具箱（Control Systems Toolbox）针对线性时不变系统，实现常规控制系统的设计、分析和建模，是国际控制界目前使用最广的工具软件。仿真环境（Simulink）是Matlab最重要的组件之一，它向用户提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境[4]。

设计基于Matlab-Simulink计算机仿真软件的自动控制原理教学实验系统可以进行模拟仿真、计算机仿真、计算机实时控制等形式的自动控制原理实验，使学生可以借助计算机仿真软件Matlab进行系统设计和分析，开展综合性设计实验，辅助学生理解深奥的理论知识，掌握更为全面的实验手段和实验方法，促进其综合能力的培养。

1.2 多层次的实验类型设置

自动控制原理课堂教学是按照系统建模、系统分析与设计循序渐进地开展，但在实践教学中这些知识点不是独立存在的，而是融合贯穿于各个实验之中。为解决这一矛盾，我们遵循由浅入深、循序渐进的原则，采取多元化的实验类型设置，将实验分成理论验证性、系统设计性和综合性三个层次，让实验结合工程应用背景，逐步培养学生的自主创新能力。

（1）理论验证性实验

理论验证性实验是在基础实验室进行知识和原理的演示和验证，实验内容包括典型环节的模拟、动态性能、稳定性以及稳态误差等自动控制原理的核心知识点，要求学生通过对实验过程及结果的分析，掌握基本的概念，并加深对相关知识点的理解。基础实验既可以使用以模拟电路为基础的传统实验箱，又可以用基于Matlab的网络仿真平台，两种实验方式相结合既可以使学生了解实际控制系统的模拟电路图，熟练掌握各种常规实验仪器的使用方法与性能，又可以掌握现代计算机仿真技术，从而强化学生的实践能力。

（2）系统设计性实验

系统设计性实验可以由教师给出题目或者学生自主命题，在实验过程中，教师只给出实验需要达到的目的和要求，而实验步骤和方法由学生自主设计，期间可以和教师讨论实验结果以及有疑惑的地方。通过这种自主设计的方式，可以培养学生设计方案、选择方案、实施方案直至最后分析实验结果、得出结论的能力，这将有助于培养学生的创新能力。

（3）综合性实验

综合性实验是给定一个实际的控制系统，要求分析系统各方面的性能，需要综合运用所学的自动控制原理知识，如单节倒立摆控制系统要求学生从理论上对单节倒立摆系统建模，采用PID算法设计调节器，在Matlab平台仿真获得适当的PID参数范围，并对实际的单节倒立摆控制系统进行实验，观察记录实验结果。

1.3 增加实验学时

实验教学是工科院校重要的教学环节。自动控制原理课程理论性很强，要使学生理解课程内容，必须设置相应的实验、上机等实践性教学环节[5]，以前我们只设置了8学时实验和上机教学，由于时间限制，只能完成基于实验箱的模拟验证性实验，学生按部就班地、被动地完成实验内容，缺乏灵活性和创造性，因此，有必要增加实验学时，让学生有时间和机会完成综合性实验，提高学生综合运用所学理论知识的能力和创新能力。

1.4 修订实验大纲

随着现代教学的发展和社会对人才培养要求的不断提升，自动控制原理实验内容和实验方法发生了变化，相应的实验教学大纲也必须重新设计、调整和规划，体现实验课程在学生学习中的地位和作用。

（1）由于在传统实验箱的基础上，增设了基于Matlab-Simulink计算机仿真系统的实验，同时还增加了设计性和综合性的实验类型，因此，实验项目增多，实验内容扩大，实验大纲必须随之调整，以满足现代实验教学的需要。

（2）在具体的实验内容设置上应根据不同层次学生的实际情况，紧密结合专业背景，联系实际。在实验中，在学生掌握基本知识点的情况下，尽量减少理论验证性的实验内容，增大系统设计性和综合性的实验内容。

（3）在实验指导书中，对验证性实验有完整的实验目的、要求和步骤；但对设计性和综合性实验只提实验要求和目的，而不提供具体的实验步骤，要求学生自主选择、设计实验方法；同时，对有的实验还可以扩展一些加深、加宽的内容，对部分实际动手能力强、基础好的学生提出更高的要求。

1.5 多样化的教学方式

以往实验教学和理论教学一样都是按照课表安排上课，学生按照实验指导书的步骤循规蹈矩地做，一方面，时间紧，不灵活；另一方面，助长了学生的惰性，束缚了他们的自我发展和创新思维，因此需要做到教学时间、教学内容和教学设备的开放。根据目前高校的情况，所有实验完全开放也是不可能的，所以验证性实验可以仍然按照旧的模式进行，而部分设计性和综合性实验可以进行开放式教学，学生首先在校园网上选课并预约实验时间，实验过程主要以学生为主体，教师可以提供协助和指导[6]。同时，实施灵活的实验教学方法，设计了教师示教型、学生独立完成型、学生小组合作型三种形式的实验方式，因材施教。对基础较差、能力较弱的学生给定实验题目进行实验，以教师示教为主；对学有余力的学生鼓励他们自己开发实验，以学生独立完成为主，从而培养学生的创新能力。

2 本次改革的特点

2.1 基础实验与提高实验相结合

多层次实验教学体系不但设置了巩固反馈机制、动态特性、稳定性等自动控制原理的核心理论知识的基础实验项目，还增设了扩展要求和选做实验，

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例如：开设倒立摆控制实验、单容/双容液位控制实验等提高实验项目，从而满足了不同层次特点的学生的需要。

2.2 软件仿真与硬件实物相结合

依据电气信息学科与计算机技术密不可分的特点，要求电类学生既要懂硬件也要懂软件，要“一手软一手硬”“软硬兼施”。既能熟练地用常规的实验仪器进行实验研究，也能用先进的仿真平台进行理论分析。为此，要设计基于Matlab的网络仿真实验系统，让学生随时随地进行学习和研究，也给教师教学提供一个好的辅助平台。

2.3 实验技能与工程能力相结合

“三实一创”（实训、实验、实习、创新）是本课程实验教学的指导方针，在实验教学过程中，我们注重学生实验方法的规范和实验技能的熟练掌握，同时注重方案设计，问题的分析判断，将原理与实验结果相结合的分析等工程能力培育，让学生比较全面地接受工程训练。

3 结束语

本文针对自动控制原理课程实验教学过程中存在的问题，提出了一系列实验教学体系的改革措施，实践表明：这些措施在教学实践活动中取得了较好的效果，为学生提供了不同的实验手段，加深和拓宽了实验内容和实验层次，增强了实验的灵活性，有利于培养学生的实验动手能力和创新能力，能够满足专业人才培养的需要。

参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].第五版.北京：科学出版社，2007.

[2] 田思庆，吴桂云.“自动控制原理”课程的教学研究与实践[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：112-114.

[3] 刘振全，薛薇，齐国元.自动控制理论课的实验教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2005，27（2）：90-92.

[4] 王艳秋.基于MATLAB教学平台的自动控制理论教学改革与实践[J].辽宁工学院学报，2006，8（1）：122-124.

[5] 张燕红.基于“卓越计划”自动控制原理的教学改革研究[J].中国现代教育装备，2012（17）：47-48.

[6] 宋亚男，徐荣华.参与式教学方法在“自动控制原理”教学中的思考与实践[J].广州工业大学学报：社会科学版，2010（S1）：111-115.