学习目标导向的自动控制理论实验教学改革

宫萍萍，胡立坤，施武生，陈柏轩

（广西大学 国家级电气工程实验教学示范中心，广西南宁 530004）

自动控制理论是一门理论与实践紧密结合的工程基础类课程。但是目前部分学生将其当成数学学习，机械性地掌握模型变换、图形绘制和计算方法，而忽略了自动控制的基本思想以及这些数学方程背后的物理定律，导致难以将该理论知识应用到实际工程问题中[1-2]。为避免这一现象，需强化自动控制理论实验教学环节，调动学生的学习主动性，辅助学生理解所学理论知识并应用到实际工程，培养学生工程设计思维，提高学生设计开发能力[3～4]。然而，传统实验教学导向多以内容而非学生为中心，且多为验证性实验，综合设计性、创新性实验较少，因此传统实验教学方式在引导学生自主学习，培养其问题抽象、理性分析以及工程设计思维方式(发现问题-分析问题-解决问题-检验问题)[4]，提高其解决复杂工程问题[5～6]的能力等方面相对薄弱。因此，有必要对自动控制理论实验课程进行产出导向的教学改革[7～8]。一些学校结合教学现状和学生情况对自控控制理论课程实验进行改革[9～12]。西安交通大学以“加强基础知识，注重工程实践能力”为理念，建设过程控制实验平台，改革自动控制原理实验教学方式[10]。东华大学采用创新校企协同育人的人才培养模式，改革智能制造的实践教学方式，实现工程实践和创新能力的培养[11]。

为建立产出导向的自动控制理论实验，我校自动化专业教学团队自主研发契合我院自动控制理论教学大纲培养目标的自动控制理论实验装置，以“学生忙起来，教师强起来、管理严起来、效果实起来”为宗旨，对实验教学实施环节进行改革，建立开放、弹性的实验教学模式，以预期学习产出为目标，将工程设计思维贯穿整个实验教学环节，帮助学生掌握将理论应用到实际的方法，培养学生解决实际复杂工程问题的能力，以匹配高等工程教育人才培养的要求。

1 实验学习目标以及实验平台构建

1.1 实验学习产出目标

我校结合自身实际情况制定自动控制理论课程目标：通过课外自主学习、课堂讲授与实验（同步开设）相结合，使学生掌握反馈控制系统的基本概念，学会利用自动控制理论的方法分析和设计控制系统，熟练地掌握反馈控制自动调节的原理，学会应用数学工具分析解决工程问题，逐步掌握“定性分析、定量估算和仿真实验”的研究性学习方法，具备常规自动控制系统“构思、设计、实现、运行”的技能，掌握自动控制领域复杂工程问题描述、结构单元分析、系统功能设计与联调等方面的综合技术能力。基于上述目标，自动控制理论课程实验教学目标设计如表1所示。

表1中给出了各实验教学目标对应的实验能力点。其中，对解决复杂工程问题能力培养的贡献点为：

表1 实验教学目标对应的能力点支撑关系

（1）运用电子、电气等专业领域的工程原理和知识，将自动化工程问题用一个由多个相互联系的环节构成的系统来模拟和等效，并综合运用数理知识、自动控制方面的理论对系统进行分析和设计。

（2）问题的解决涉及数据处理、控制计算、传输、执行等方面的技术。

（3）需要运用虚拟仿真软件等工具，考虑各种影响因素和变量，通过变换和简化，建立实体系统的抽象模型。

（4）具有较强的综合性，包含设计、调试、集成多个相互关联的子问题，需要综合运用自动化专业知识予以解决。

1.2 实验平台构建

结合我校自动化专业实际教学情况与需求，对标自动控制理论实验教学目标，我院信号与控制课群团队自主研发信号与控制课群实验箱。实验平台中的硬件资源包括直流电机调速模块、嵌入式控制器模块、LabVIEW 接口及控制模块、有源运放模块、函数信号发生器模块等，实验箱部分模块如图1所示。实验电路集成于各个模块板上，并实现相应功能。本装置依托LabVIEW 接口及控制驱动模块实现上位机监控软件虚拟示波器功能，设计了不同显示界面，以满足不同的实验需求。各界面如图2所示，包含时域显示界面、频率特性显示界面以及控制监视界面。实验过程中通过设置实验所需的输入信号，搭建模拟运算电路，并使用示波器或本实验装置提供的虚拟示波器观察和分析各种信号的响应曲线，完成相关实验内容。

图1 实验箱以及部分模块

图2 上位机操作界面

学生在完成必选实验的基础上，还可以利用实验箱所提供的开放性资源进行探索与设计，如倒立摆系统的起摆与直立控制、板球系统铁球运动以及定点定位控制等，倒立摆与板球模块如图3所示。该实验装置自主设计性强、扩展性好，为学生提供诸多开放性设备资源，学生可以综合利用所学知识在该实验设备上进行多课程、多学科的实验、实践设计，进一步提高学生创新思维和实践能力，培养学生工程设计思维，锻炼学生解决复杂工程问题的能力。

图3 实验箱部分开放性资源

1.3 基于学习目标的实验项目设计

按照逆向设计思维方式[13]，我院设计了三个实验项目，实验学习目标与项目支撑关系如表2所示。其中实验学习目标1 分为两部分：时域特性学习目标部分(目标1.1)以及频域特性学习目标部分(目标1.2)。实验项目1 中基本环节测试包括比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节，为验证性实验内容，以巩固学生对基本环节的理解；而二阶、三阶系统建模与性能分析环节以及实验2 均为综合设计性实验，需要学生根据实验现有条件设计满足各项要求与指标的实验电路；实验3 为综合性实验，学生自由选取被控对象并进行分析与设计。

表2 实验学习目标与实验项目支撑

其中，实验1、实验2 对应1.1 节中复杂工程问题贡献点的第1 点，且还需要使用仿真软件，故对应贡献点的第3 点。实验3 要求学生对实际被控对象进行分析建模与仿真，并对比各仿真参数对系统的影响。其将所需MATLAB、单片机、C 语言、自动控制理论的知识单元联系起来，从而锻炼学生将不同学科知识的交叉融合和综合应用，以解决复杂工程问题，其对应表1中所有复杂工程问题的贡献点。

实验1、实验2 的设计，在契合实验学习目标的基础上，实现能力递进式培养，逐步训练学生的工程设计思维。实验3 要求学生设计实际被控对象（直流电机/保温箱）的PID 控制器。如，电机调速控制要求：（1）在给出的程序框架的基础上进行编程，利用PID 控制算法试凑出最佳参数进行实验，完成空载下的电机调速稳定控制；（2）带载后，设置初始转速为2 500r/min，当电机转速在误差允许的范围内稳定后（误差范围内保持5s），提高转速设定值至3 500r/min，而后采用同样方式将转速提高至4 500r/min；（3）电机正反转连续切换控制，当电机转速在误差允许的范围内稳定5s 后自动改变旋转方向，当且仅当电机转速再次在误差允许的范围内稳定后旋转方向发生改变，不停重复。温室温度控制模块中含三个温度传感器T1～T3，要求：（1）取T1、T2、T3 号温度传感器的温度权重2:6:2 计算温室的实际平均温度，作为控制反馈量，利用PID 控制算法试凑出最佳的实验参数进行实验；（2）取T2 号温度传感器的反馈值，在给出的程序框架内进行编程，使控制器输出固定的控制信号（PWM 波占空比固定）。学生可以通过使用嵌入式控制器（单片机）或Labview 接口模块完成实验3 内容。在保证学生完成经典PID 控制算法编程的基础上，鼓励学生自主设计改进PID、自适应PID 等算法。同时，为学生提供开源的实验资源（如图3所示的倒立摆和板球模块）供其设计研究，学生可以依据自身情况挑战难度适合的开放性实验内容。

依据课程达成方案开展实验教学，对于产出的课程质量具有较好的闭环改进效果[14-15]。因此，本课程结合各子目标达到的难易程度以及往年课程的实验期望得分与各子目标达成度期望值，设置如表3所示的课程子目标达成度期望值。其中，实验总成绩期望值设置为65%，总目标达成度期望值为60%。

表3 得分与目标达成度期望值

2 实验教学实施路径

2.1 实验教学流程设计

自动控制理论实验教学环节围绕“学生忙起来，教师强起来、管理严起来、效果实起来”这一主题设计实验教学流程。实验教学流程包含课前预习推送（微课）、课上集中指导与重点讲解、课中与课后完成实验项目（实验室开放）、上交实验报告、实验答疑释惑5 个环节。具体实验教学环节如下：

（1）课前通过慕课平台推送实验相关知识点以及设备使用的微课或微视频，以辅助学生做好预习。

实验前通过慕课平台推送实验相关设备使用方法的视频以及涉及的知识点，并包含章节测试，如图4所示，旨在帮助学生在进入实验室前对该实验内容以及相关设备有较好的了解，监测学生的预习情况，如图5所示。

图4 基于慕课平台的实验任务发布界面

图5 部分章节内容的学生学习完成度

提供线上答疑：实验预习阶段，学生可针对实验内容向实验教师提出问题。

（2）课上集中指导与重点讲解：包括设备使用注意事项以及相关实验内容。

课前要求学生对本次实验内容进行离线仿真设计，仿真以Multisim 为主、MATLAB 为辅。实验课上需要当场检查学生的预习报告，并向学生随机提问，实验教师根据学生预习报告撰写以及现场回答情况当场给出预习报告分数。

（3）课中与课后完成实验项目：每个实验涵盖内容较多，无法全部在课上完成，需要学生课后继续预约实验时间。

实验室全天开放：向学生开放实验室，供学生完成实验内容。允许参加电子设计比赛、综合实践以及毕业设计的学生预约使用实验设备。

（4）课后将实验报告上传至慕课平台。

（5）实验后答疑：完成实验后，若学生对实验存在疑问，可向实验教师提出。

2.2 实验考核方式

在自动控制理论实验教学中，实验考核是非常重要的环节。每个实验项目根据课前预习推送、预习报告、实验及其实验报告综合评定实验成绩。自动控制理论的实验考核方式分为预习测验（10%）、预习报告（40%）、实操（30%）、实验报告（20%）。上述四个环节共同组成一次实验的实验成绩。通过加强对实验前的预习要求、测试以及现场提问的方式，综合学生预习、实操以及课后实验总结情况，尽量全面考核学生。

2.3 实验教学改革实施效果

根据课程达成度评价办法，计算得出各子目标值（百分制），得到每位学生的实验课程目标定量达成度情况。年级有效成绩总人数为468。目标1.1 定量达成人数为379，占比80.1%；目标1.2 定量达成人数为341，占比72.9%；目标2 定量达成人数为309，占比66%。另外，按总成绩达成与课程总目标达成两种口径统计定量达成人数分别为421 人和304 人，按这两种口径计算定量达成度实际值分别为91%和65%，均已超过设定期望值。

上述数据表明我院设计的实验教学改革方式已取得积极效果，基本达到期望目标。现从以下几个方面总结我院自动控制理论的实验教学改革效果：

（1）课内实验教学结合相对严格的考核机制以督促学生主动学习，实时在线答疑帮助学生解惑，学生可以更好地理解理论知识，提高分析解决问题的能力。

（2）完善的实验考核机制。预习报告和实操分数根据课上随机提问以及现场操作情况实时打分，再结合课后实验总结情况全面考核学生，能更加准确客观地反映学生的真实学习情况。

（3）丰富的课内外实验教学资源，帮助学生明确实验任务和目标，掌握对应的理论知识。同时，为学生提供诸多开放性资源，供其对自动控制理论以及其他课程进行探索与研究。同时还可以在该实验箱上进行自动化综合实践、毕业设计等内容。

3 结语

我院依据自动控制理论的OBE 教学大纲要求，自主研发配套的自动控制理论实验装置，同时结合教师团队的情况、学生的意见和建议，对实验方式、内容进行改革。让自动控制理论实验过程实现“管理严起来”，以培养学生规范、严谨的实验态度，促进学生自主学习，通过三阶段五环节的实验教学模式“让学生忙起来”。在此过程中辅助学生运用理论知识进行综合设计。同时，实验教师也不断充实自我，观察、分析总结实验改革实施过程出现的问题，以持续改进实验教学内容及方式，实现“教师强起来”，从而提高实验教学质量与效率，最终让实验“效果实起来”，学生的获得感增强，培养其工程设计思维，提升其解决复杂工程问题的能力。