物理、虚拟相结合的分层次教学研究

吕宏诗

(燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066000 )

物理、虚拟相结合的分层次教学研究

吕宏诗

(燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066000 )

在控制理论实验教学中，采用基于物理、虚拟相结合的分层次教学，改进了单一教学模式的弊端。根据实验难度和学生能力的不同，将控理实验分了三个层次，因材施教，逐层递进。物理和虚拟的教学模式相结合，互为补充。基于物理、虚拟相结合的分层次教学，锻炼学生从不同角度加深对问题的理解和掌握，在培养学生分析、解决工程实际问题方面具有较好的效果。

虚拟实验；分层次教学；教学改革；控制理论

近年来，自动控制理论得到了飞速深远的发展。控制理论实验是高校控制理论教学中的重要实践环节，但由于自动控制理论课程理论性强、内容抽象、含有大量的数学公式推导以及图表曲线，学生很难将理论上所描述的系统和各种实际的自动控制系统联系起来，直接影响着学习效果。

自动控制理论的实验教学一般采用两种模式：利用传统自动控制实验箱连接硬件电路的物理模式和采用MATLAB软件编程仿真的虚拟模式。如果将它们有机地组合起来，取长补短，就可以在发挥各种模式优势的同时提高实验教学效果。在实验教学实践过程中，燕山大学电气工程学院提出并采用了物理——虚拟相结合的实验教学模式，两种实验教学模式互为补充，在培养学生分析、解决工程实际问题方面具有较好的效果[1-3]。

1 单一实验教学模式的缺点

自动控制理论实验教学中的物理模式是指采用传统的硬件连接，在实验箱面板上连接相应的电子元件搭建典型控制环节硬件电路，通过产品自带的软件或者示波器进行模拟仿真。这种实验方式可以在很大程度上加深学生对课程内容的理解，提高学生的动手能力。但这种模式只能在有限的范围内作定性的分析，而无法保证在任何情况下都能分析参数变化对系统性能影响的要求，并且存在对高阶系统根本就无法进行实验的问题；重复多次的连接电路，难以调动学生的主动性和积极性，不利于学生创新能力的培养[4-5]。

自动控制理论实验教学中的虚拟模式是指利用近MATLAB软件的数字仿真环境的虚拟实验模式。即采用建立在纯数学模型基础上的实验系统来进行相应实验工作。由于其实现简单、可视化效果好，因此非常适合在课堂即时对控制算法的效果进行展现和比较。学生通过MATLAB仿真实验虽然可以加深对理论教学内容的理解，学习控制算法设计和软件的编程，但是无法开展软硬件的联合调试，不能有效检验控制算法的有效性，对培养学生实际动手能力和常用仪器的使用能力不利[6-9]。

2 实验教学改革

现在，自动控制理论实验教学从传统的单一教学模式正逐步向分层教学模式转变，软硬件相结合，搭建建立物理——虚拟实验平台，更注重学生动手能力以及个性和创新意识培养。

2.1 引入分层次教学

分层次教学的宗旨就是要打破传统教学方法的束缚，树立以人为本、因材施教、尊重个性的教育理念。我们将分层教学思想引入自动控制理论实验教学，使学生通过分层设计的实验可以加深对相关理论知识的理解，提高动手能力，培养学生能够做到用科学的方法、技术来分析、解决实际问题。我们将自动控制理论实验项目根据实验的难度和学生能力的不同，将实验项目分为基础性、综合性、设计性三个层次。

第一层，基础性实验是综合性及设计性实验的基础，学生通过对实际物理系统的感性认识，能把理论上所描述的系统和各种实际控制系统联系起来。培养学生的基本动手能力，为将来更深的实验打好基础。基础性实验主要内容主要包括：典型环节的电路模拟研究、二阶系统的动态性能和稳定性分析、线性系统的串联校正实验、非线性环节的电路模拟研究、非线性系统的描述函数法分析研究等。

第二层，综合性实验是指在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上，运用某一课程或多门课程的综合知识，对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。从剖析系统的结构、建立系统的数学模型到观察、记录系统的运行特性，从而用有关知识评判一个控制系统的知识全面地分析、综合这一系统的各项特性，使学生运用所学的知识、技能进行分析和综合。锻炼学生对知识综合应用的能力，培养学生分析和解决复杂问题的能力，培养学生数据处理以及查阅中外文资料的能力。综合性实验主要有：液位控制系统实验、直流电机调速控制实验和温度控制实验等。

第三层，设计性实验是设计性实验是教师给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案，并加以实现。设计性实验是一项综合性较强的工作，它要求学生在具备了一定的实验能力的基础上，把所学到的模数电、传感器、自动控制原理、计算机等知识进行综合，用科学的方法、技术来分析、解决实际问题。设计性实验主要内容包括：天线控制系统实验、云台自动控制实验、变频调速控制实验和倒立摆系统实验等[10]。

2.2 建立物理、虚拟相结合的分层次教学平台

单纯的物理模式或者单纯的虚拟模式教学，各有利弊，二者结合可以达到单独教学都无法达到的较好实验教学效果。我们在自动控制理论实验教学中建立了物理、虚拟相结合的分层次教学平台。在实施过程中，可以根据实验的层次关系，使学生从做基础验证性的实验到综合性实验再到设计性的实验，逐步从理论的学习过渡到实践的训练，物理和虚拟的教学模式可以穿插进行，使三个层次的实验教学互为补充，逐层递进。物理、虚拟相结合的分层次教学平台基本框图如图1所示。

图1 物理、虚拟相结合的分层次教学平台基本框图

对基础性实验，物理和虚拟实验要求全部完成。在虚拟性教学中，我们先是利用1～2课时，介绍MATLAB的语言编程以及SIMULINK仿真方法，然后就实验内容、实验要求、实验结果分析等进行布置，最后进行相应的验收，验收合格的学生进行物理性实验。通过对比分析物理硬件电路实测波形和虚拟仿真结果的异同，学生可以深入理解理论概念和实际物理参数的对应关系，了解仿真分析的理想环境和实际应用的干扰环境之间的区别，对硬件电路调试中出现的各种问题进行思考分析和解决，从而锻炼理论在实践中的应用能力。

对综合性、设计性实验，主要进行物理性实验，利用实验室的硬件环境，对典型控制系统，如温度控制实验、液位控制系统实验等，进行有关的综合、设计性实验。其中在系统建模、系统性能分析和设计过程中可借助于虚拟软件实验环境进行相应地配合研究。

3 结束语

物理、虚拟相结合的分层次教学平台的建立使学生感受到了实际系统和虚拟系统的统一，较好地解决了仅在物理环境中难以完成高阶系统实验以及仅在虚拟环境中难以建立真实系统的问题。不同的实验模式着眼点不同，学生可以在不同的环境中完成同一个实验，从不同角度加深对理论的理解和掌握，提高了学习的兴趣和主动性，从而提高了实验教学效果。

[1]薛朝妹. 加强控制理论教改力度,提高教学质量[J]. 自动化与仪器仪表,2005(5)：72-74.

[2]王从庆，丁勇. 现代控制理论课程教学改革的实践与探讨[J].南京航空航天大学学报，2004,6(1)：72-75.

[3]姜淑华. 控制系统仿真实验改革的探讨.教育与职业[J].教育与职业，2011,9(26):160-161.

[4]陈茂军，倪忠进，方 亮. 控制工程基础实验教学探索[J]. 轻工科技，2012(9):150-151.

[5]黄艳岩，富雅琼. 控制系列专业实验课程的教学改革探索[J].中国电力教育，2012(5):76-77.

[6]张香云， 王家军， 贺志民.高等数学课程分层次教学理念的思考和举措[J].大学教育，2014，30(1)：56-59.

[7]贾银江， 贺莉莉，郑萍. 数据结构实验的分层次教学[J].计算机教育，2014(4)：60-62.

[8]张春峰，邹新杰，余张国. 用MATLAB语言开发自动控制原理的辅助教学系统[J]. 高教研究.2006(2)：18-2.

[9]顾海珍，邹益民. 基于OPC的MATLAB与MCGS实时通信在过程控制实验装置中的应用[J].信息化研究，2014(2)：28-32.

[10]齐晓慧，董海瑞，李建增，等. 基于/三层次0的自动控制原理实验教学研究[J]. 电气电子教学学报，2006,3(28):80-84.

Combination of Physics and Virtual Hierarchical Teaching Research

LÜ Hongshi

(Department of Electrical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China)

The combination of physics and virtual hierarchical teaching in the control theory of the experiment teaching improves the disadvantages of the single teaching mode. According to difficulty of the experiment and the ability of different students, the control theory of the experiment is divided into three levels to adapt the students’ personality and get a progressive step by step. The teaching model of physics and virtual combination complemented each other. The hierarchical teaching based on the combination of physics and virtual exercised students’ ability to deepen and master the understanding of problems from different angles and got good effect in solving practical engineering problems.

virtual experiment；hierarchical teaching；teaching reform；control theory

2014-09-24

吕宏诗(1979-)，女，硕士，实验师，主要工作方向：控制理论教学研究。

:G642.0; TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.027