淺談工業(yè)自動化控制理論實驗教學研究

摘 要： 對當前工業(yè)自動化控制理論實驗教學方法與實驗儀器進行分析，提出教學方法和教學儀器的改革措施。通過開設新的實驗內(nèi)容和研制新的教學儀器，使學生更好地完成自動控制理論實驗的學習任務，提高學生的綜合能力和創(chuàng)新能力。 
　　 “自動控制理論”課程是研究自動控制系統(tǒng)的共同規(guī)律，為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的分析和綜合提供基本理論和基本方法的一門專業(yè)基礎課[1]。該課程是一門重要的測控類專業(yè)的基礎課，具有較強的理論性，與前續(xù)課程聯(lián)系緊密，知識面廣，學生不易理解掌握。學好這門課程不僅可以為后續(xù)專業(yè)課的掌握打下良好的理論基礎，而且能在今后從事專業(yè)工作時，直接運用它去分析和解決實際技術(shù)問題。對于工程實踐具有重要的指導作用，受到人們的廣泛重視。在本課程的教學中，實驗教學對理論知識的理解、掌握、鞏固具有重要的作用。 
1、 當前實驗教學的不足： 
　　長期以來，傳統(tǒng)的實驗教學被一種固定的模式所束縛，教學內(nèi)容陳舊，教學方法呆板，在一定程度上限制了學生的主動性和積極性，難以激發(fā)他們獨立分析問題、解決問題的興趣和激情，沒有體驗過從失敗中自己尋找成功之路的經(jīng)歷，抑制了學生個性的發(fā)展，這樣不利于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 
　　1.1 實驗內(nèi)容固定： 
　　傳統(tǒng)的實驗主要是按章節(jié)進行驗證性實驗，實驗儀器功能固定，實驗只能按照實驗指導書設計好的步驟進行, 學生被束縛在驗證性實驗中，對出現(xiàn)的相關(guān)問題缺少系統(tǒng)、多角度的分析，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 
　　1.2 實驗時間限制： 
　　一般的實驗都要求在實驗室2個學時內(nèi)完成，學生很難全面深入地把握實驗主要內(nèi)容和方法，對實驗的目的、實驗原理無法理性地理解，更別提實驗中出現(xiàn)故障的排解分析，限制了學生的設計和創(chuàng)新，不利于鍛煉學生的綜合能力。 
　　1.3 實驗儀器制約： 
　　實驗儀器過于固化，儀器設置上未給學生留下設計性和探究問題的空間。儀器組成以理論驗證為主，缺少實際控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，特別是反饋部分的傳感部分，更不具備跟隨學科發(fā)展而開拓新實驗的延伸性。 
　　1.4 實驗方法落后： 
　　實驗技術(shù)水平和內(nèi)容更多地滿足于基礎性實踐環(huán)節(jié)，缺乏系統(tǒng)的綜合性、設計性和研究性實驗環(huán)節(jié)，以及缺少在利用多種現(xiàn)代實驗手段、方法和工具對實驗過程中的結(jié)果和現(xiàn)象進行深入分析研究方面對學生的引導。實驗過程主要完成連線操作、數(shù)據(jù)記錄等簡單的工作。
2、實驗教學改進： 
　　 針對目前實驗教學的現(xiàn)狀，摒棄以往按部就班完成指定實驗步驟操作驗證形式，按照學生對科學的自然認知進度設置靈活變換的實驗內(nèi)容。對實驗設置按多層次，從簡到難，逐步引導學生自主學習、合作學習、研究性學習，逐步走向從問題出發(fā)的探究、創(chuàng)新。同時，研究新的實驗教學儀器，開發(fā)配套軟件，保證實驗硬件滿足新環(huán)境下的要求。結(jié)合靈活的教學儀器改變教學方法，充分調(diào)動學生動手的積極性，引導其創(chuàng)新。 
　　2.1 實驗內(nèi)容設置： 
　　開設不同層次的實驗內(nèi)容，既要滿足實驗教學的驗證、演示等基本功能，又要激發(fā)學生的興趣。 
　　基礎實驗：根據(jù)給定實驗任務、方案和步驟，選擇并完成一定數(shù)量基本實驗；同時，通過調(diào)整實驗參數(shù)得到不同結(jié)果，增加思考空間。 
　　綜合實驗：將各個基礎實驗環(huán)節(jié)有機結(jié)合在一起，各課程之間關(guān)聯(lián)內(nèi)容綜合。 
　　設計實驗：以任務的形式，給定實驗題目，允許學生按照自己思路選擇設計性實驗內(nèi)容，引導學生學會設計和研究的方法。 
創(chuàng)新實驗：自行命題實驗，將學生的構(gòu)想通過儀器現(xiàn)有功能模塊來實現(xiàn)，在探究式學習中培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。
2.2 實驗儀器的改進： 
　　根據(jù)實驗內(nèi)容的要求，開發(fā)適合本專業(yè)的教學儀器。儀器具有控制系統(tǒng)需要驗證的各種典型環(huán)節(jié)模塊、信號發(fā)生器模塊等基本功能，還結(jié)合工程實際將傳感器引入反饋環(huán)節(jié)，增加執(zhí)行器件，構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng)。避免教學儀器箱只能完成信號源作為激勵，控制環(huán)節(jié)構(gòu)成系統(tǒng)的不足。同時，儀器上的控制效果通過便于觀看的形式展示出來，讓控制過程可視化。儀器要預留出擴展接口，便于在實驗中添加新的模塊。儀器在結(jié)合計算機完成實驗的同時，又能獨立完成工業(yè)自動化實驗內(nèi)容，實驗配套軟件要能對硬件平臺對的實驗內(nèi)容進行仿真和虛擬實驗。學生可以根據(jù)測試參量的不同選擇相應的傳感器，完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換，對信號進行處理，結(jié)合控制理論完成創(chuàng)新性、設計性的實驗。 
　　2.3 實驗方法的轉(zhuǎn)變： 
　　1）以學生為主體，開辟新知識領域，重視實踐能力的鍛煉；2）培養(yǎng)學生的綜合能力；3）科學知識和實驗能力培養(yǎng)上，建立系統(tǒng)、科學且開放的實驗教學體系，注重課程之間縱向和橫向的聯(lián)系。 
結(jié)合開發(fā)的教學儀器，在實驗方法上除了基本的驗證性實驗，其他實驗按任務的形式給出，不對學生做過多的限制，留出學生思考、動手、創(chuàng)新的空間。充分利用計算機的計算、分析功能以及儀器配套軟件（采用數(shù)學工具MATLAB編寫的程序）在實驗前完成必要的仿真分析，讓實驗有的放矢，理論指導實踐。實驗既做到軟硬精密結(jié)合，又能相互獨立，兩者相輔相成。克服當前實驗中儀器平臺不能脫離計算機，配套軟件不能獨立工作，學生只能在實驗課中有限的時間內(nèi)完成實驗的不足，讓實驗內(nèi)容通過軟件可以在任意計算機上完成。 
3、總結(jié)： 
　　 對當前實驗教學過程中存在的問題進行分析和總結(jié)，從實驗內(nèi)容設置、實驗儀器、實驗方法3個方面提出改進方法。自動化控制理論來源于實踐，反過來指導實踐。結(jié)合當前人才培養(yǎng)的趨勢，理論聯(lián)系實際，提高學生實踐能力，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題進而培養(yǎng)創(chuàng)新能力。