淺談工業(yè)自動化控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

摘 要： 對當(dāng)前工業(yè)自動化控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行分析，提出教學(xué)方法和教學(xué)儀器的改革措施。通過開設(shè)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和研制新的教學(xué)儀器，使學(xué)生更好地完成自動控制理論實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)，提高學(xué)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(chǔ)課[1]。該課程是一門重要的測控類專業(yè)的基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的理論性，與前續(xù)課程聯(lián)系緊密，知識面廣，學(xué)生不易理解掌握。學(xué)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(chǔ)，而且能在今后從事專業(yè)工作時(shí)，直接運(yùn)用它去分析和解決實(shí)際技術(shù)問題。對于工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用，受到人們的廣泛重視。在本課程的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對理論知識的理解、掌握、鞏固具有重要的作用。 
1、 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足： 
　　長期以來，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)被一種固定的模式所束縛，教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法呆板，在一定程度上限制了學(xué)生的主動性和積極性，難以激發(fā)他們獨(dú)立分析問題、解決問題的興趣和激情，沒有體驗(yàn)過從失敗中自己尋找成功之路的經(jīng)歷，抑制了學(xué)生個(gè)性的發(fā)展，這樣不利于對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 
　　1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定： 
　　傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)主要是按章節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器功能固定，實(shí)驗(yàn)只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書設(shè)計(jì)好的步驟進(jìn)行, 學(xué)生被束縛在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)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(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 
　　1.2 實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制： 
　　一般的實(shí)驗(yàn)都要求在實(shí)驗(yàn)室2個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成，學(xué)生很難全面深入地把握實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容和方法，對實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)原理無法理性地理解，更別提實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)故障的排解分析，限制了學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，不利于鍛煉學(xué)生的綜合能力。 
　　1.3 實(shí)驗(yàn)儀器制約： 
　　實(shí)驗(yàn)儀器過于固化，儀器設(shè)置上未給學(xué)生留下設(shè)計(jì)性和探究問題的空間。儀器組成以理論驗(yàn)證為主，缺少實(shí)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(xué)科發(fā)展而開拓新實(shí)驗(yàn)的延伸性。 
　　1.4 實(shí)驗(yàn)方法落后： 
　　實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平和內(nèi)容更多地滿足于基礎(chǔ)性實(shí)踐環(huán)節(jié)，缺乏系統(tǒng)的綜合性、設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以及缺少在利用多種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段、方法和工具對實(shí)驗(yàn)過程中的結(jié)果和現(xiàn)象進(jìn)行深入分析研究方面對學(xué)生的引導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)過程主要完成連線操作、數(shù)據(jù)記錄等簡單的工作。
2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)： 
　　 針對目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，摒棄以往按部就班完成指定實(shí)驗(yàn)步驟操作驗(yàn)證形式，按照學(xué)生對科學(xué)的自然認(rèn)知進(jìn)度設(shè)置靈活變換的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對實(shí)驗(yàn)設(shè)置按多層次，從簡到難，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)，逐步走向從問題出發(fā)的探究、創(chuàng)新。同時(shí)，研究新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，開發(fā)配套軟件，保證實(shí)驗(yàn)硬件滿足新環(huán)境下的要求。結(jié)合靈活的教學(xué)儀器改變教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生動手的積極性，引導(dǎo)其創(chuàng)新。 
　　2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置： 
　　開設(shè)不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既要滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的驗(yàn)證、演示等基本功能，又要激發(fā)學(xué)生的興趣。 
　　基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：根據(jù)給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)、方案和步驟，選擇并完成一定數(shù)量基本實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到不同結(jié)果，增加思考空間。 
　　綜合實(shí)驗(yàn)：將各個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合在一起，各課程之間關(guān)聯(lián)內(nèi)容綜合。 
　　設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：以任務(wù)的形式，給定實(shí)驗(yàn)題目，允許學(xué)生按照自己思路選擇設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會設(shè)計(jì)和研究的方法。 
創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：自行命題實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生的構(gòu)想通過儀器現(xiàn)有功能模塊來實(shí)現(xiàn)，在探究式學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。
2.2 實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)： 
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，開發(fā)適合本專業(yè)的教學(xué)儀器。儀器具有控制系統(tǒng)需要驗(yàn)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(shí)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(xué)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(shí)，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(yù)留出擴(kuò)展接口，便于在實(shí)驗(yàn)中添加新的模塊。儀器在結(jié)合計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，又能獨(dú)立完成工業(yè)自動化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)配套軟件要能對硬件平臺對的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以根據(jù)測試參量的不同選擇相應(yīng)的傳感器，完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換，對信號進(jìn)行處理，結(jié)合控制理論完成創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。 
　　2.3 實(shí)驗(yàn)方法的轉(zhuǎn)變： 
　　1）以學(xué)生為主體，開辟新知識領(lǐng)域，重視實(shí)踐能力的鍛煉；2）培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力；3）科學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)上，建立系統(tǒng)、科學(xué)且開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)儀器，在實(shí)驗(yàn)方法上除了基本的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)按任務(wù)的形式給出，不對學(xué)生做過多的限制，留出學(xué)生思考、動手、創(chuàng)新的空間。充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算、分析功能以及儀器配套軟件（采用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB編寫的程序）在實(shí)驗(yàn)前完成必要的仿真分析，讓實(shí)驗(yàn)有的放矢，理論指導(dǎo)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)既做到軟硬精密結(jié)合，又能相互獨(dú)立，兩者相輔相成�？朔�當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中儀器平臺不能脫離計(jì)算機(jī)，配套軟件不能獨(dú)立工作，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課中有限的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)的不足，讓實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過軟件可以在任意計(jì)算機(jī)上完成。 
3、總結(jié)： 
　　 對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行分析和總結(jié)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法3個(gè)方面提出改進(jìn)方法。自動化控制理論來源于實(shí)踐，反過來指導(dǎo)實(shí)踐。結(jié)合當(dāng)前人才培養(yǎng)的趨勢，理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生實(shí)踐能力，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新能力。