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1創新課程設計的內容

1.1實驗平臺的構建

為了滿足學科素質教育的基本要求，以提高學生對專業的綜合認知水平為教學目的，我校構建了具有實用性和開發性的課程設計實驗平臺，歸納起來主要有以下3種模式。

(1)基于Matlab的計算機控制仿真實驗平臺。

Matlab軟件具有強大的繪圖和運算功能，是控制系統中計算機輔助設計與分析的一個卓越平臺。將Matlab與自動控制原理課程設計相結合，實現了對傳統教學模式的創新。作為自動化專業的學生，很有必要學會應用這一強大的工具，并掌握利用Matlab對控制理論內容進行分析和研究的技能，以達到加深對課堂上所講內容理解的目的。另外我們希望通過使用這一軟件工具把學生從煩瑣枯燥的計算負擔中解脫出來，而把更多的精力用到思考本質問題和研究解決實際生產問題上去。因此，我們設計了以下基于Matlab的實驗：控制系統的時域分析，頻域分析，根軌跡分析，超前、滯后校正等設計實驗。這些實驗要求學生掌握基于Matlab/SIMULINK的控制系統設計與分析的基本方法，編寫M程序或畫SIMULINK仿真圖。如實驗中在討論基于根軌跡的校正方法時，為了使學生能夠觀察到添加開環零、極點對閉環系統的影響以及系統動態響應發生變化的情況，在Matlab中進行仿真實驗，使學生能夠更容易加深對根軌跡校正方法機理的理解。此實驗方式方便靈活、教學成本低，拓展了學生的思維，有利于訓練學生對復雜控制系統分析與設計的能力，同時還激發了學生的學習興趣。

(2)基于實物物理對象系統的實驗平臺。

很多學生在學習過程中都會有這樣一個很困擾的問題：通過本課程的學習可以做什么？針對這樣的問題，同時為提高學生對專業的整體認知水平，設計采用實際物理系統進行實驗。本課程設計實驗三——“隨動控制系統的靜、動態性能指標及系統校正”中，設計了一個小功率的直流發電機與電動機組成的控制系統。實驗設備有：XSJ-3(或XSJ-2)型小功率直流隨動系統學習機；直流穩壓電源(用于XSJ-3型)；超低頻長余輝示波器；數字萬用表；超前網絡板(用于XSJ-3型)。此實驗與實際系統相當接近，雖然該課程設計的被控對象只是一個小型的控制系統，但是此控制系統具體、形象、直觀且具有針對性及實用性。通過這樣一個完整的課程設計實驗，學生會對本專業具體的工作流程和研究方向有明確的認識，對自己所學專業知識的掌握程度有清晰的了解，增強了學生對自己實際專業能力的信心。

(3)計算機仿真實驗和實物實驗相結合的實驗平臺。

在數字仿真環境中增加實物環節，針對計算機數字仿真系統及實物系統的特點，實物部分采用模擬實驗箱，通過運算放大器、電容、電感、電阻等模擬元件搭建電路實驗平臺。仿真部分采用CAE2000軟件搭建系統控制框圖，如串聯校正、狀態反饋等復雜系統，既能夠充分利用CAE2000中良好的圖形界面接口，又能快速有效地搭建實際控制系統模型，還可以設計和修改控制率及控制參數來完成實驗。本課程設計實驗五——“頻率特性測試”中體現這種實驗模式。一階慣性環節由模擬機實現，正弦信號源由D/A接口輸入到模擬機，模擬機輸出信號由A/D端口輸入到計算機，通過CAE2000軟件顯示并打印曲線。這種實驗模式綜合了數字仿真與實物對象的特點，不僅鍛煉了學生的動手能力，而且能將理論知識應用到實際系統，還便于學生以各自認知能力探索新領域和構建新知識。

1.2實驗內容的組成

我校自動控制原理課程設計實驗的內容主要分為兩大類：基于Matlab的計算機輔助設計實驗和綜合設計性實驗。基于Matlab的計算機輔助設計由7個實驗組成：控制系統數字仿真實驗，控制系統的時域分析、控制系統的頻域分析、控制系統的根軌跡分析、控制系統的校正、離散控制系統分析、非線性系統分析。綜合設計性實驗包括5個實驗分別為：典型環節的電模擬及其階躍響應分析，隨動系統的開環控制、閉環控制及穩定性實驗，隨動控制系統的靜、動態性能指標及系統校正，控制系統頻率特性分析，頻率特性測試。在此基礎上，增加了先進控制理論設計實驗。由于我校以電力行業為背景，結合專業特色，突出工程背景，指導學生進行先進控制理論實驗設計，以電力系統實際模型為例，進行同步發電機的勵磁系統的課程設計與分析，采用先進控制理論中的新方法進行優化控制，如模糊PID。目的在于培養學生綜合考慮問題、分析問題及解決問題的思維方式，全面鍛煉學生的實踐與創新能力，提高學生將控制理論知識應用于解決實際問題的能力，為今后進行實際系統的自動控制打下了良好的基礎。

1.3實驗教學方式的創新

傳統的實驗教學方式是主講教師首先通過對實驗設計的基本原理、實驗過程步驟、實驗儀器設備的使用方法等內容詳細的講解，然后學生按照教師講解的內容按部就班地進行操作并完成實驗。學生雖然能夠快速完成整個實驗，但這種傳統“填鴨式”和“灌輸式”的教學實踐會導致學生的惰性學習，缺乏主動思考，實驗效果大打折扣。我們采用“啟發式”和“引導式”的互動教學模式。在做實驗前，讓學生自己提前預習實驗內容，查找資料，自己動手做實驗。在實驗過程中，教師只起引導的作用，分析總結，適時調控引導學生思考，學生便成為整個實驗的主體，自由討論問題。如果沒有達到設計指標的要求，學生需要對系統及設計過程進行詳細的分析直到查找出原因，并能從失敗中總結出經驗。鼓勵學生與教師之間、學生與學生之間的相互交流與討論，在討論中能夠深化自己的知識，對理論和實際問題能有更清晰的認識，達到知識之間的相互轉化、學以致用的目的。學生在一定程度上由惰性學習轉變為積極創新性學習，調動了學生學習的積極性，提高了學習效率。

2創新課程設計的教學體系

在實踐過程中，采用多層次培養、開放式指導、多元化考核體系的創新實踐模式。

2.1多層次培養

考慮到學生自身的基礎以及能力的差異，把課程設計題目的難度分為“難、中、易”三個層次，對不同層次學生的具體要求標準不同。如基于仿真和實物實驗平臺的綜合設計實驗定為難度系數較大的課程設計，基于復雜實物系統實驗平臺的綜合設計實驗設定為中等難度，僅利用Matlab軟件進行仿真的實驗定為較為簡單的課程設計。這種培養模式既能為稍差的學生提供鍛煉的機會，又能為好的學生提供發揮潛能的平臺。

2.2開放式指導

開放式指導模式是指導教師給出課程設計題目之后，學生根據自己的實際情況，自由組隊，自主選擇題目。在布置課程設計的任務時，教師只簡單介紹題目設計的要求、要達到目的，具體實施的方案由學生自己選擇確定。鼓勵學生獨立查閱資料，分析解決問題，最終完成課程設計的任務。這種指導模式有利用達到課程設計的目的。

2.3多元化考核體系

考核雖然不是學習的最終目的，但是合理的課程考核體系是提高教學水平、調動學生學習積極性的重要環節。傳統的考核體系指學生的成績主要依賴于學生的實驗報告內容的完成程度及書寫的整潔性來決定，該成績評定方式存在一定的片面性，不利于對學生的綜合評價，達不到良好的測評效果。結合多層次培養模式，將成績的評定與課程設計題目的難易程度相聯系，不同難度的題目設置了不同的成績上限，最終的成績采用分級評分，如優秀、良好、及格和不及格。實施多元化的考核方式，教師根據學生平時表現、完成課程設計的質量、創新內容及最終答辯結果做出綜合評價，給出最后的考核成績。通過這4個方面的綜合考核，教師可以比較準確地掌握學生的實驗操作能力、觀察分析能力和創新思維能力，從而對每一位學生給予綜合評定，這種考核方式在很大程度上激發了學生學習的積極性。

3課程設計改革的成效

通過近幾年課程設計實驗的改革和實踐，我校在教學建設及教學效果方面取得了顯著成績。一方面，自動控制原理理論課程設計的教學內容、教學方式及實驗環節的不斷更新，自主開發的實驗設備“CAE2000控制系統輔助教學軟件”已經廣泛應用于實驗教學中，此系統獲得河北省教學成果二等獎，創建了省級精品課程，進行了大量的教學建設和改革工作，獲得了豐碩的教學研究成果；另一方面，創新的教學內容，激發學生的學習興趣，使學生積極參加控制領域的科研課題研究，學習前沿知識，拓寬視野，不斷提高認知水平及自主學習能力。改善的實踐教學模式，不僅提高了學生對實際系統分析、設計、研發方面的工程實踐能力，而且培養了學生的創新意識，使華北電力大學自動化及相關專業的學生獲得更扎實的理論基礎，更寬的知識面，更強的實踐創新能力。學生積極參加全國大學生電子設計競賽、機器人競賽、智能汽車競賽等各種競賽和科技活動，并取得了優秀成績。

4結束語

通過對自動控制原理課程設計的改革與實踐，構建了具有先進性、多功能性及實用性于一體的課程設計實驗平臺；基于創新教學理念，提出了多層次培養、開放式指導及多元化考核體系的創新課程設計的教學模式，使學生對該專業有明確的認識，達到了學生對所學自動控制課程知識的綜合實踐的目標。通過長期的實踐，學生主動思考、主動參與的積極性有了很大的提高，動手實踐的能力得到鍛煉，取得了良好的教學效果。要全面提高教學效果、增強學生綜合能力還需要各方的不斷努力和探索。教師在教學中需要不斷的學習教育理論，積極探索教學方法，不斷提高自身素質才能培養符合專業培養目標及社會需求的優秀人才。

作者：孫建平 郭曼利 單位：華北電力大學控制與計算機工程學院