基于CDIO模式的自动控制原理实验改革探索

刘明华 王彩霞

西北民族大学 甘肃兰州 730030

基于CDIO模式的自动控制原理实验改革探索

刘明华 王彩霞

西北民族大学 甘肃兰州 730030

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，其培养大纲要求以综合的培养方式全面提高学生的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力。自动控制原理是自动化专业的核心课程，自动控制原理实验是连接控制理论与实际工程的桥梁。在实验教学中引入CDIO教育模式，通过设置以实际工程为对象的实验内容，将不同的专业课程知识进行系统的整合，全面提高学生的专业素质，同时培养学生的创新能力和沟通协调能力，为走向工作岗位打下坚实的基础。

自动控制原理；实验改革；CDIO

自动控制原理是自动化专业重要的专业基础课程，是运动控制、过程控制以及各种智能控制的理论基础。随着控制理论在工业、农业、航空以及日常生活各方面的广泛应用，控制理论与各个行业的联系也越来越紧密，现代企业对自动控制方面人才的需求也越来越大。实验是自动控制原理课程的重要组成部分，通过实验可以使学生加深对理论知识的理解，同时搭建控制理论与实际工程之间的桥梁，在巩固理论知识的同时，提高学生学习理论知识的兴趣。［1］

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工科毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。［2，3］在“自动控制原理”的实验教学中引入先进的CDIO教育理念，以技术知识为核心、以人文社科知识为导向，培养具有较高专业素质的综合型自动化技术人才。

1 目前“自动控制原理”实验教学存在的问题

自动控制原理课程主要是利用应用数学的方法来分析和设计控制系统，涉及大量的数学知识的运算和推导，以致很多学生在学习过程中感觉控制理论知识比较枯燥，学习积极性严重下降，这就需要用实验的方式来引导学生，将所学的理论应用于实际的控制系统中，在巩固控制理论知识的同时提高学习积极性。［4］

本校自动化专业主要是面向工业控制，学生工作后面对的大多是实际的工程控制系统，因此需要在授课过程中要逐步培养学生将理论知识应用于实际的意识，形成系统的观念。这个培养目标的实现不但要求在理论课堂引入工程系统的概念，更应该通过实验教学来逐步培养和提高学生的专业素质和合格的控制工程技术人才所具备的能力。

传统的自动控制原理实验大多按照课堂讲授顺序对理论方法进行验证，学生在实验过程中只是按照实验指导书要求按部就班地完成实验内容，测得实验结果。这种实验教学方式使学生缺乏实验学习和思考的过程，教学效果不理想，并且影响理论学习的积极性，导致理论和实践脱节，在毕业设计，以及以后的工作中不能将专业知识系统化的应用到实际工程中。

2 在自动控制原理实验中引入CDIO理念

进行基于CDIO模式的自动控制原理实验改革，将会全面提高自动化专业学生的专业素质、个人和团队工作能力以及工程系统能力。根据CDIO教育的大纲要求，自动控制原理实验教学改革可以从课程体系出发，实验内容强调实际工程背景，实验形式突出学生能力的培养，提高学生的动手能力和分析问题解决问题的能力，全面提高学生的专业素养。

3 基于CDIO理念的自动控制原理实验改革探索

3.1 以工程项目为引导

近年来，控制理论研究取得了重要进展，但这些先进的控制理论在实际工业控制系统的应用却受到限制，作为工业控制的专业人才，自动化专业的学生必须能够很好地将控制理论应用于实际工程系统。因此，在自动控制原理实验教学过程中需要及时将所学理论知识与实际的控制系统相联系，在实验过程中培养学生将理论应用到实际工程领域的能力，同时将控制理论的思想和新的控制技术介绍给学生，引导学生开阔眼界，从整体高度把握专业发展方向。

基于CDIO模式理念的自动控制原理实验教学改革，可以采用实际工程项目为实验内容的教学模式，让学生直观地感受到控制理论在工程实际中的应用，激发理论学习积极性，同时通过实验积累工程基础知识。

例如第一次实验课可以开设演示实验，以真实的控制系统作为实验对象，如电机控制系统、液位控制系统等。通过演示实验向学生介绍控制系统的各个组成部分、控制结构、设计过程、控制性能、数学模型等，着重介绍模型参数的物理意义以及控制理论在系统中的应用，使学生正确理解实际模型与抽象数学模型的联系。通过演示实验简要介绍“自动控制原理”理论知识的应用及其重要性，培养学生对“自动控制原理”课程的学习兴趣，提高理论学习的积极性。

3.2 合理安排实验进度

自动控制原理实验的目的不仅仅是为了掌握一些测量仪器和模拟设备的操作使用，更重要的是通过实验巩固理论知识，启发学生的思维，进一步培养学生的创新能力、工程系统意识。自动控制原理实验课程可以根据理论课程的进度安排，设置不同的实验内容和实验形式。如演示型实验、验证型试验、综合型实验、创新型实验等。综合型实验和创新型实验可以设置不同的实验级别，可以让学生根据自身学习基础和兴趣爱好，进行选择。

在第一节实验课安排演示实验，演示实验课时设置2～4个课时，通过一个实际的工程系统，如直流电机调速控制系统，对自动控制原理课程做系统的介绍：首先结合自控原理课本的前两章内容，介绍如何建立系统的数学模型及用到的相关数学知识；其次，结合课本后续的理论课程，对系统的时域、频域和根轨迹分析做简单的讲解；最后简单介绍系统的矫正方法以及系统的性能分析。这样通过一个工程实验将自动控制理论的理论知识串联起来，让学生从开始就重视理论课程，同时也建立了实验学习的信心。［5］

根据自动化专业在自动控制理论课程的进度安排和实验大纲，结合其他工科院校自动化专业实验调研结果，初步设置在课程前期开设验证型实验，如典型环节的电路模拟、时域响应分析和稳定性分析等，让学生充分熟悉实验设备以及简单故障的分析和处理。在课程中期开设仿真验证型实验，如线性系统的根轨迹分析和频域响应分析等，让学生熟悉典型控制系统的数学模型的建立和仿真，掌握MATLAB编程和SIMULINK建模。课程后期开设综合型实验，如水箱控制系统、温度控制系统、湿度控制系统等，使学生在实验过程中熟悉控制系统的设计、仿真和调试方法，重点培养学生的工程实践能力。课程的最后一个实验可以设置为以小组为单位的创新型实验，培养学生收集整理资料的能力，并进一步提高动手能力和团队协作能力。

3.3 改进验证型实验

验证型实验不仅是对控制理论知识的验证，更重要的是培养学生的动手能力，学习基本的实验仪器仪表的使用和调试方法，初步培养学生基本的科研能力。自动控制原理的验证型实验主要是对典型环节时域响应的验证，主要实验设备有模拟实验箱及示波器等。在以往的自动控制原理实验中，验证型实验占的比重比较大，学生按照实验指导书搭建好模拟电路，按照要求记录数据即可完成实验内容，时间大多用于实验报告的抄写，使得实验流于形式。

验证型实验的改革主要由以下几部分组成：

（1）实验的预习。学生需要根据实验内容，提前预习实验原理，书写预习报告，预习报告主要是对实验对象的数学模型和参数的分析，如放大倍数，时间常数等。

（2）灵活安排实验形式。CDIO培养大纲一个重要的指标就是培养学生的个人实践能力。验证型实验是培养学生动手能力的重要途径。验证型实验不仅仅是连接电路和记录结果，同时还包括电路和测量仪器仪表的调试，简单故障的诊断和排除等。Matlab等仿真软件也是分析控制系统的重要工具。Matlab语言目前是国际控制界最流行的语言，拥有强大的科学数据可视化、数值计算、系统建模和仿真等功能［6］。在自动控制实验中引入Matlab仿真更有助于学生学习控制理论知识，利用计算机辅助分析设计，为综合型和创新型实验打下基础。

（3）简化实验报告形式。实验报告的重点应该在于实验过程中遇到的问题的分析，以及实验结果的分析。针对不同类型的实验，实验报告的形式也应该是多样的，而不应该笼统的抄写实验原理和实验过程。

3.4 开设综合型、创新型实验

在CDIO培养大纲中，除了要培养学生的工程基础知识、提高个人能力外，团队合作能力和工程系统能力的培养也是很重要的两个指标，在自动控制原理实验中，主要通过开设综合型实验和创新型实验来达到这两个培养目标的。

综合型实验要求学生具备一定的基本实验技能和专业课综合知识，因此开设于自动控制原理课程的后期。通过设置液位控制系统、湿度控制系统、炉温控制系统等一些结合其他专业课程的综合型实验，使学生在实验预习时将控制理论与检测技术等专业知识结合起来，在实验过程中了解控制系统的结构、工作原理，建立控制系统的数学模型、对系统进行仿真，利用仿真结果对实际的控制系统进行调试等。［7］通过这些综合型实验，搭建控制系统的数学模型与实际的控制工程之间的桥梁，使学生进一步了解工程控制系统的整体设计、仿真和调试方法，加强学生的工程实践能力。

课程的最后一个实验可以采取课程设计的形式开设创新型实验。创新型实验的项目可以参考历年的电子设计大赛的控制系统方向的题目，如旋转倒立摆、智能小车等控制系统，也可以让学生根据兴趣以及特长自主选择实验内容。这些实验以团队小组的形式进行，从资料查阅、了解实验内容、搭建系统结构、选取控制参数、建立数学模型、进行仿真分析到选择元器件、搭建硬件电路、编写控制程序，直到进行系统调试等均由学生独立完成，实验小组成员自主分配工作任务。通过这种实验形式既可以锻炼学生的知识检索及筛选能力、各科专业知识的整合能力，又能培养小组成员之间的协调合作能力，同时脱离了实验指导书，让学生充分发挥自主能动性，多方位多渠道拓展知识面。

4 结束语

CDIO教育理念在于培养应用型工程技术人才，与自动化专业的培养目标相吻合。自动控制原理是自动化专业的主线课程，实验是将控制理论与实际工程实践相联系的桥梁。因此在自动控制原理实验教学中采用CDIO教育模式，不仅可以锻炼学生的动手能力，还可以通过实验形式对各科专业知识进行系统的整合，同时基于实际工程项目的综合性实验和创新型实验既培养了学生的工程系统能力，又进一步开拓学生视野，培养创新能力，为国家和社会培养高质量的自动化专业人才。

［1］胡寿松.自动控制原理［M］.第五版.北京：科学出版社，2007.

［2］顾佩华，包能胜，康全礼.CDIO在中国（上）［J］.高等工程教育研究，2006（3）：24-40.

［3］熊玲，李忠.新世纪我国高等工程人才需求调查报告［J］.现代教育管理，2010（7）：3-6.

［4］Edward F. Crawley et al.重新认识工程教育—国际CDIO培养模式与方法［M］.顾佩华，沈民奋，陆小华译.北京：高等教育出版社，2009.

［5］刘莫尘，刘晓松.提高“自动控制原理”教学效果的几点认识［J］.中国科教创新导刊，2012（7）：103.

［6］李涛.基于Matlab自动控制原理实验教学［J］.科技信息，2012（5）：264-265.

［7］夏静萍，王瑛.自动控制原理实验教学探究—基于实物命题的递进式教学法［J］.实验室教学研究与探索.2013，32（12）：184-189.

［8］禹柳飞.CDIO模式下的《自动控制原理》教学改革实践［J］.教育教学论坛，2014（9）：37-39.

Experimental Reform of Automatic Control Principle Based on CDIO Education Model

Liu Minghua， Wang Caixia
Northwest University for Nationalities， Lanzhou， 730030， China

CDIO engineering education model is the latest achievement of the interna-tional engineering education reform in recent years， and the principle requirements to improve the students' ability in a comprehensive way， such as engineering fundamentals knowledge， personal skills， teamwork skills， and engineering capability. Automatic Control Principle is the core course of the automation， and the experiment is the bridge between control theory and practical engineering. The introduce of CDIO education model to the experimental teaching of Automatic Control Principle will improve the professional quality of students comprehensively， by setting the actual engineering objects as experiment contents， integrating the different courses of professional knowledge， and foster innovation and communication skills of students，lay a solid foundation for the future work.

Automatic Control Principle； experimental reform； CDIO

2015-03-23

刘明华，硕士，讲师。王彩霞，硕士，副教授。

本文受地区科学基金项目：西北民族大学教改项目支持（编号：6146304）。