李庆华　潘丰　冯伟

摘要：工程教育专业认证工作的开展促进了我国的工程教育人才培养国际化。在此背景下，本文对自动化专业的“自动控制原理”课程的实验教学改革进行了探讨，从实验教学内容、实验教学模式、实验成绩评定方式等方面提出了一系列的持续改进方案。

关键词：工程教育；专业认证；工程问题；“自动控制原理”；实验教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）38-0276-03

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。为了适应工程领域人才需求、提高工程教育的质量和效益、与工程领域职业资格制度相衔接、促进我国工程教育人才培养国际化，在2005年我国已经开始构建工程教育专业认证体系，并逐步开展专业认证工作，把实现国际互认作为重要目标。2016年6月2日，国际工程联盟大会一致同意我国成为《华盛顿协议》正式成员。这不仅为我国工程专业毕业生获得进入国际市场的通行证提供了可行性，而且将有力地促进我国工程教育面向世界。《华盛顿协议》倡导以学生为中心、产出导向、持续改进三大教育理念，突出强调学生对复杂工程的解决能力。通过工程教育认证的工程专业不仅要深入理解和把握复杂工程问题，更要按照国际实质等效原则培养学生具有解决复杂工程问题的能力。

“自动控制原理”课程是大学工科自动化专业学生的最重要的专业基础核心课程，该课程理论性强、抽象，尤其需要借助实验加深对理论的理解并运用到工程技术中去，因此实验的开展是非常重要的一个环节。本文将以江南大学自动化专业开设的“自动控制原理”课程的实验教学为例，探讨在工程教育背景下进行的实验教学改革，以此促进、增强学生解决复杂工程问题的能力。

一、课程实验教学的现状及存在问题

我校自动化专业“自动控制原理”课程的实验教学由4個实验8个学时组成，实验是在大学学习阶段的第四学期开展，实验的内容侧重于基础性、验证性实验。实验手段是模拟实验箱教学。上课时学生根据实验指导书上设计好的实验要求和步骤，在实验教师的现场指导下，在控制实验箱上接线实现各个内容，通过示波器观察得到实验结果，并利用已学过的自控原理对实验结果进行分析，按要求撰写纸质实验报告后递交给实验教师。

这种实验形式固定，教师占主导，学生发挥的空间不大，不利于激发学生的主观能动性，同时理论也没有充分联系实际，不能更好地培养他们发现问题、分析问题和解释问题的能力。大学二年级的学生由于之前学习的都是公共的理论课程，还没有较多地开展自动化专业基础课程和实验，因此短时间内对控制实验箱不熟悉，不能规范地使用和操作，在实验的过程中经常发生电子器件的损坏，造成部分学生在2个学时内不能完成要求的实验任务，降低了实验的效率；部分学生对高规格的数字示波器不熟悉，影响了学生获得准确的实验结果，降低了学生实验的品质，也使得学生对自控原理课程实验越来越没有兴趣。“自动控制原理”的实验教学急需改革，要改变传统的教学课时有限，教学内容固化，实验品质低，理论联系实际不充分等的实际问题。

二、实验教学改革与创新

1.实验教学内容的优化与改革。工程教育论证突出强调培养学生解决复杂工程问题的能力，这就要求在课程的教学中要以学生为中心，重视实践教学，适时给学生创造软硬件支撑条件，以培养学生对复杂工程问题的认识、分析和解决的能力。考虑到我校“自动控制原理”课程的模拟实验教学存在课时少、内容未能涵盖课程大纲要求的全部重点理论内容，且以教师为主导，实验形式固化的情况，我们对原先的部分实验内容进行优化并增加设计性和综合性的实验内容。

自动控制原理实验在以前8个学时基础上考虑增加4个学时的实验内容，其中2个学时为设计性实验，另外2个学时为综合性试验。

实验一：典型环节的电路模拟。具体内容是在了解控制实验箱的基础上熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟，测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对各典型环节动态特性的影响。由于基础性实验内容没有变化，但在今后实验开展的过程中，要向学生强调分析参数变化引起系统动态特性变化的内容，培养学生养成深入分析实验结果的习惯与解释问题的能力。

优化实验二的内容。实验二由典型系统的瞬态响应改为二阶系统和高阶系统的瞬态响应和稳定性分析，即要求学生通过实验掌握二阶系统动态性能的测试方法，了解参数阻尼比和无阻尼自然频率的变化对二阶系统动态性能的影响；研究二阶和高阶系统参数变化对闭环系统稳定性的影响。在实验二的课堂实验教学中，实验教师需引导学生在二阶系统的实验中分析，由传递函数衍生的阻尼比和阻尼自然频率的变化，如何与模拟电路中电阻和电容参数的变化对应，从而来分析二阶系统的动态性能变化情况；三阶系统中突出分析开环增益与模拟电路中的电阻的对应关系，从而分析开环增益变化引起的系统稳定性变化，以此开发学生认识实验结果，解释实验结果的能力。

优化实验三的内容。把实验三改为线性定常系统的几种常用串联校正设计方法，由验证性实验形式改为设计性实验形式，在实验指导书中只提供未加校正装置的系统，以及需要达到的系统的性能要求，让学生自己根据系统特性设计相应的串联校正电路对系统的性能进行调节，从而培养学生对自动化系统的初步设计能力。

新增实验四——控制系统的综合性设计为综合性实验。通过实验了解实际控制对象——封闭式热容器温度的基本特性，设计控制器分析温度闭环系统的稳态和动态性能，掌握PID参数对温度闭环系统性能的影响，以培养学生对自动化系统的建模和初步设计能力，并理解在实际工程中的局限性。

实验五由原来的典型非线性环节的静态特性实验内容优化和扩充为继电型非线性系统的性能分析。实验要求学生在掌握典型非线性环节的电路实现方法，了解其输出—输入静态特性的基础上，掌握用描述函数法和相平面法分析非线性系统的稳定性和产生自激震荡的条件，培养学生通过实验模拟复杂工程问题，分析和解释实验结果的能力。

新增实验六离散采样控制系统分析。通过实验让学生进一步理解香农定理和零阶保持器的原理和实现方法，验证离散采样系统在阶跃信号作用下的稳态误差，以此培养学生通过实验建模的能力，对实验结果进行分析和解释。

2.实验教学模式多维度的改革和创新。为适应工程教育认证的要求，培养学生解决复杂工程问题的能力，针对“自控原理”课程实验教学的品质低的现状，宜采用多种教学手段相结合相互补充的模式，从时间、空间、教学方式等多维度进行实验教学的改进。

多种教学手段相结合相互补充的模式主要为实验手段的虚实结合模式。基于优化与改革后的实验内容重新编写实验指导书，在实验指导书中的实验内容中明确，在完成模拟实验的基础上需通过MATLAB软件环境对已完成的模拟实验内容进行虚拟仿真，并对模拟实验和仿真实验的结果进行比对、分析。通过这种方式，学生可以很好地把理论知识和工程实际结合起来，可以发现理论在应用到工程实际中可能会遇到的问题和局限性，给学生认识工程问题提供一个环境和基础，而不仅仅是纸上谈兵。

以实验四控制系统的综合性设计实验为例，对实验箱上提供的一个加热容器，要求学生对加热容器的温度开环系统特性进行观测分析，在了解的基础上构建一个单闭环温度控制系统，并设计控制器的参数，分析在该控制系统中加热容器温度的动态变化性能。通过这个实验的模拟部分，学生不仅可以深刻认识与理解控制系统原理，而且在亲手构建一个完整系统的过程中提高了实践能力、创新能力、分析解决问题的能力。并且其对应的MATLAB仿真部分内容可以锻炼学生对实际工程问题的模拟和分析能力，两种方式的结合有效地规避了单一教学手段下的缺陷，也提高了实验教学的效率，理论联系实际更充分，为培养学生解决更复杂工程问题的能力奠定了基础。

除了虚实结合的教学手段的改进，自动控制原理实验教学也可以从时间、空间和教学方式上進行，以改进提高学生实验的效率和品质。时间上，实验教师可以充分利用预习环节，进行“视频化预习”。实验室教师把每次实验需要用到的仪器的介绍说明、使用方法及注意事项、预习任务，做成可视化的“预习视频”通过网络发送到各个班级，供大家提前下载、预习和学习。空间上，可以向学生推送“零星开放实验室”环节。在实验室没有实验课的情况下，通过网络向学生滚动发布实验室零星开放的时间，由于实验室的很多实验仪器的维护和整理需要大量的时间，空下来的可能只是一些零碎的时间，但是这个时间可以用于学生到实验室进行实验前的“预热”。

具体可以是，对一些工具性的仪器如示波器的熟悉、MATLAB软件的学习等。“视频化预习”和“实验室零星开放”不仅节省了教师讲解仪器和任务的时间，还可以减少学生在实验中对仪器和工具软件不熟练造成的时间浪费。同时，可以发挥学生的主观能动性，有效地利用课余时间，带着具体的任务和问题来做实验，对出现的实验结果认识和分析得也会更清楚。教学方式上，实验课堂也可以改变传统板书的模式，采用多媒体和传统板书相结合的讲解模式，以多媒体图片、动画，视频等把实际工程问题带到实验课堂，和实验内容衔接。这种方式一方面可以把问题解释得更清楚，学生更容易理解和接收；另一方面可以开阔学生的视野，增强对复杂工程问题的认识、分析和解释能力。

3.实验成绩评定方式的改革。由于对实验教学的重视程度不够，且对实验教学的监督和质量考评也缺乏规范而有效的依据和标准，造成学生对待实验随意，学生之间相互抄袭实验报告的现象时有发生。因此，以几份实验报告定学生实验成绩的传统评定方式是不科学的。虽然在自控原理课程中实验的成绩只占总成绩的20%或30%，但是实验却是提高学生工程应用能力，解决复杂工程问题能力构建中非常重要的一环，所以实验成绩的评定要从只关注结果转移到过程和结果都兼顾的多维度评价方式。

首先实验成绩应由三部分组成：预习、课上表现和实验报告，而不仅仅是最后提交的实验报告。其中，预习在实验成绩中占比为20%，这个占比的出现可以督促学生提前做好实验的准备，准备好要解决的问题，发挥出学生的主观能动性，也激发学生做实验的兴趣。课上表现在实验成绩中占比40%，它的考核内容根据不同的实验内容，可以分为方案设计合理性、实验操作规范程度、实验数据记录准确度、实验任务完成度等来进行打分。实验报告在实验成绩中占比40%，根据不同的实验内容，实验报告各部分的分数分布是不同的。主要包含文字图表的规范、实验数据处理正确性、实验结果分析合理性、模拟实验与仿真实验结果比对分析、实验的自我评估与建议等。实验报告这部分里的自我评估与建议是每次实验必须有的固定内容，通过这部分内容一方面可以让学生进行自我评价，在学习的过程中自我激励自我提高，同时，也提供了一个常规的反馈通道，可以收集到他们对自控控制原理课程实验教学的有用的建议，以便完善实验教学，更好地提高教学质量。

三、结语

本文针对江南大学自动化专业“自动控制原理”课程的实验教学现状，从实验教学内容的优化与改革、实验教学模式的多维度改革与创新、实验成绩评定方式改革等多方面进行了初步探讨。在以后的实验教学工作中，将继续以学生为中心，以产出为导向，持续改进，从而提高工程教育下的人才培养质量。

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