轨道交通信号与控制专业《自动控制原理》课程实验教学改革研究

刘桂涛

(湖北工程学院 计算机与信息科学学院，湖北 孝感 432000)

轨道交通信号与控制专业《自动控制原理》课程实验教学改革研究

刘桂涛

(湖北工程学院 计算机与信息科学学院，湖北 孝感 432000)

本文阐述了《自动控制原理》课程开展实验教学的必要性，提出了《自动控制原理》实验教学的改革措施。实施这些措施，不仅可以使学生巩固所学的理论知识，还可以使学生提高动手能力、创新能力和工程实践能力，取得理想的实验教学效果。

自动控制原理；实验教学；教学改革

1 引言

轨道交通信号与控制专业属于自动化学科门类，《自动控制原理》是轨道交通信号与控制专业必修的专业主干课。本课程的特点是理论深奥，涉及知识点多，掌握重点内容有一定难度[1]。《自动控制原理》实验课是本课程教学中的重要一环，教好本课程的实验课，对学生加深理解基本理论，掌握基本分析方法，培养学生分析问题、解决问题的能力，以及使抽象的概念形象化、具体化，对增强学生的学习兴趣有极大的好处。

2 课程实验概况

目前，轨道交通信号与控制专业开设的《自动控制原理》课程共56学时，其中实验学时有8学时，这样就出现了理论内容及实验内容多、总学时少的矛盾，教师要在培养计划规定的学时内完成理论教学和实验教学，势必使得《自动控制原理》这门课程的实验只能用来验证课程理论，没有时间进行设计型实验和综合型实验，从而不能提高学生分析和解决问题的能力以及创新能力。

轨道交通信号与控制专业是一个新兴专业，专业知识在不断更新，《自动控制原理》作为这个专业的专业主干课，理论内容基本没有改变，但其实验内容和实验手段必须不断更新，以适应专业的发展趋势。通过《自动控制原理》实验教学，既要使课程理论知识和专业知识有机结合起来，又要提高学生分析与设计控制系统的能力，同时培养学生的工程意识和实践能力。

3 实验教学改革措施

3.1 调整实验内容，增加实验学时

依据新的《自动控制原理》实验课程教学大纲要求，对《自动控制原理》实验教学内容作了较大调整：大幅减少了验证型实验的内容，增加了设计型实验和综合型实验，注重实验的应用性，注重学生实践能力和创新能力的培养。在实验的体验效果上也要注意吸引和激发学生，增加趣味性和逻辑性，形式新颖，灵活多样，从简到繁，循序渐进[2]。并且针对轨道交通信号与控制专业的特点，开设了与本专业相关的控制类实验。

经过对学生就业反馈信息分析，我校轨道交通信号与控制专业的学生毕业后主要从事轨道交通信号与控制，以及现有系统的维护或故障检修工作，基本上没有从事轨道交通信号与控制系统的设计工作，因此，《自动控制原理》教学目标重点不是要使学生掌握丰富的理论知识，而是要使学生在理解信号与控制系统的工作原理的基础上，培养工程实践能力。因此对轨道交通信号与控制专业的《自动控制原理》课程教学内容进行了调整：加大实验环节，实验学时由原来的8学时增加到16学时；删除了典型环节的电路模拟实验和三阶系统的阶跃响应及稳定性分析实验。加深了如下实验的内容：系统频率特性实验、PID控制器的动态特性实验、线性系统串联校正实验。对实验时间的安排也进行了调整：实验时间不再统一安排在一学期的最后几周，而是当一个重要的理论或知识点讲授完后，马上进行相应的实验，这样能够使学生将理论知识和实践衔接起来，加深对知识的理解。

3.2 改变实验形式，强化专业的工程应用

轨道交通信号与控制专业属于工科专业，对于应用型本科院校，该专业的《自动控制原理》的理论教学不再注重理论的分析和定理证明，而是加强工程背景应用，同样，这门课程的实验教学也应强化轨道交通信号专业的工程背景应用，使得专业知识和工程实践紧密结合起来。

对学生来说，自动控制系统比较抽象，比如轨道岔道自动控制系统，若在课堂上讲解其工作原理和工作过程，学生很难将理论知识和实际操作控制系统联系起来。进行这部分内容的实验时，将学生带到本市火车站车间练兵场，由火车站技术工作人员演示实际的轨道贫道控制系统工作过程，然后由带队老师讲解其工作原理，这样学生会对轨道岔道控制系统感觉十分真切，而且提高了学生的实验学习兴趣。3.3 改进实验教学规则和方法，注重学生实践能力的培养

进行《自动控制原理》实验教学时，应注重改进实验教学规则和方法，培养学生动手能力，《自动控制原理》课程实验教学可以有效地将理论知识和工程实践结合起来，可以培养学生解决实际工程问题的能力。培养学生动手能力，主要应从两个方面着手：一是实行单人实验制，即每个实验每个学生都要单独完成，不能两人一组或三人一组：二是实验指导老师不参与实验，只观察学生做出来实验结果是否正确或符合要求，如果学生的实验结果不正确或不符合要求，则要求学生自己检查原因，直至实验结果正确或符合要求为止，这样，学生就少了依赖思想，必须自己动手将实验做出来。例如，在进行线性系统(二阶系统)串联校正的电路模拟实验时，学生按图1所示电路图接好模拟电路，然后用示波器观察系统的输入输出结果，如图2所示，再根据图2分析计算出未校正二阶系统的超调量Mp是否在63%左右，调节时间ts是否在4s左右，静态误差系数KV是否在25 1/s左右，若观察不到图2或性能指标不满足要求，则重新检查实验，直至观察到图2及性能指标符合要求为止。

图1 线性系统串联校正电路

图2 串联校正前系统的阶跃响应

当未校正二阶系统性能指标符合要求后，则按图3接好已加入串联校正装置的系统模拟电路图，然后用示波器观察系统的输入输出结果，如图4所示，再根据图4分析计算得出系统校正后的性能指标是否满足要求：超调量Mp≤20%，调节时间ts≤1s，静态误差系数KV≥25 1/s，若观察不到图4或性能指标不满足要求，则重新检查实验，直至观察到图4及性能指标符合要求为止。

图3 加入串联校正装置的系统模拟电路

4 实验教学进一步改革措施

4.1 实验教学与理论教学相统一

对于应用型本科院校，实验教学和理论教学相统一时能加强理论知识的应用，要做到时理论教学与实验教学相统一，可从以下三个方面着手：

(1)实验教学教师和理论教学教师相统一。理论教学教师在多年的《自动控制原理》讲授中，对这门课程的重点难点了然于胸，知道哪些理论知识需要通过实验验证，哪些理论知识需要通过实验加深理解，哪些理论知识可以通过实验拓展应用。实验教师和理论教师统一起来，可以使理论教学和实验教学有机结合起来，取得完美的教学效果。

(2)实验教学内容与理论教学内容相统一。实验教学是理论教学的延伸和拓展，实验教学内容理应与理论教学内容相统一，实验教学内容与理论教学内容统一时，既可以巩固学生所学的理论知识，又可以提高学生的实践创新能力。

(3)实验教学时间与理论教学时间相统一。当某阶段理论内容讲授完后，立即进行相应的实验教学，这样既可以激发学生的学习兴趣，又可以使学生理解理论知识间的联系。

4.2 改革实验考核内容

在实际教学中，一般是轻实验教学考核，重理论教学考核，根据《自动控制原理》实验教学的特点，实验教学考核与理论教学考核同等重要，其实验教学考核主要应从三个方面着手：

(1)实验态度。这方面考核主要是考核学生的考勤和实验预习报告，重点是看学生的预习实验报告是否有实验内容、实验步骤、实验表格等。

(2)实验结果。这方面考核主要是考核学生对实验过程的分析、实验数据的处理、实验结果分析[3]。

(3)实验能力。这方面考核主要是考核学生的动手能力，考核的重点放在学生运用基本知识和基本技能解决工程实际问题的能力上。

这三个方面考核的百分比如表1。

表1 实验成绩构成表

5 结束语

加强轨道交通信号与控制专业《自动控制原理》课程的实验教学改革，可以使学生加深对理论知识的理解，提高学生的工程实践能力，锻炼学生的动手能力，充分调动学生的创新能力，使学生进一步加深对《自动控制原理》课程的认识和理解，同时激发了学生们对轨道交通信号与控制专业的深厚兴趣。

[1]张慧．《自动控制原理》实验教学研究[J]．实验科学与技术，2014，(4)：141—143．

[2]孟颖，段洁，徐东明．自动控制原理实验教学的探索与研究[J]．吉林省教育学院学报，2014，(12)：42—43．

[3]鄢圣茂，宋立忠．“自动控制原理”实验教学研究与实践[J]．中国电力教育，2011，(9)：137—139．

Research on the Experimental Teaching Reform of the Principle of Automatic Control for Specialty of Track Traffic Signal and Control

Liu Guitao
(Hubei Engineering University,Xiaogan 432000,Hubei)

This paper expounds the necessity to promote experimental teaching of the principle of automatic control,and puts forward the reform measures.The implementation of these measures can not only make the students consolidate what they have learned,but also improve students’practice ability,innovation ability and engineering practice ability,obtaining ideal experimental teaching effect.

principle of automatic;experimental teaching;teaching reform

TP13-4

A

1008-6609(2015)10-0040-03

刘桂涛，男，湖北云梦人，硕士，副教授，研究方向：计算机与信息科学。

湖北工程学院教学研究项目，项目编号：2015A34。