便携式演示实验在应用型本科《自动控制原理》课程中的应用

郭卉

摘要：针对目前自动控制原理理论教学中存在的教师讲解难、学生理解难、理论联系实际难的问题，结合应用型人才培养目标，基于COM3Lab便携式实验设备，将课程中的一些验证、设计实验引入理论教学中进行演示，将抽象的理论知识具象化，加深学生对理论的理解同时，培养学生观察问题、分析问题、解决问题的能力，通过教学实践证明，演示实验可有效提高学生对理论知识的掌握程度。

1.引言

《自动控制原理》是自动化等相关专业的专业基础课，具有很强的理论性、工程性、综合性、方法性及实践性，知识容量多、理论极具抽象性。课程本身对于学生的预备知识的要求较高，教师讲解时难度较大，学生难以掌握。演示实验作为理论教学中引導学生理解抽象概念的重要途径，常用于物理、化学等基础学科的教学中，自动控制原理等专业基础课中则较少用到，本文从自动控制原理理论教学现状和问题出发，介绍COM3Lab便携式实验设备及其在自动控制原理课程中的应用。

2.应用型人次培养目标与自动控制原理课程理论教学现状的矛盾

我校是教育部批准的第一所应用技术大学，自动化专业是我校首批三个招收本科生的专业之一。主要面向装备制造业及新能源产业，服务区域经济社会发展和产业结构升级需要，旨在培养能胜任现代企业自动化工程相关领域的生产制造、设计改造、应用转化、运行管理等工作的现场自动化工程师。

自动控制原理是学习学生控制理论的第一门课程，直接影响后续相关专业核心课程的学习效果，以及学生解决控制领域相关工程问题能力的培养，具有举足轻重的地位。目前理论教学中，教师的教学重点往往为共性的理论知识，脱离了具体实际的应用，无法达到提高学生分析解决复杂工程问题能力的教学目标。课上教师通常以完成教学任务为目标，采用课堂讲授辅以PPT、动画等信息化手段的授课方式，形式单一。学生无法理解基本概念，应用更无从谈起，课上大部分时间做笔记，与老师交流甚少。随着教学内容的不断推进，学生学习兴趣逐渐衰减，学习动力严重不足，直接影响了最终的学习效果，与我校应用型现场工程师的培养目标相悖，亟待寻求有效的方式方法解决学生对理论知识理解不足，兴趣寡淡的问题。

3.COM3Lab便携式实验箱进课堂的理论教学实践尝试

基于以上问题，我们走访国内外多所应用型高校，对学校相关专业人才培养目标、理论基础课程的教学大纲、授课方式展开调研，发现课堂演示实验在新知识点的授课过程中能够有效加深学生的理解度。因此在我校18级自动化专业自动控制原理的理论课中开展了演示性实验的教学实践改革，选用德国莱宝公司的COM3Lab便携式实验设备。

COM3Lab实验箱由实验电子板、主单元及交互学习软件三部分组成。验电子板为不同的学习领域提供清晰的结构化课程，面板上既有现实的系统元件，也有可视化的原理图，帮助学生建立起理论与实际之间的联系。主单元兼容所有的实验电子板，为其提供电源、仪器仪表及通讯接口等。交互式学习软件中包含理论学习及实验引导，方便学生开展自主创新实验设计前的理论知识储备。课上教师可在电脑上安装交互式学习软件，投屏进行演示实验，学生观察实验现象，总结规律，加深对理论知识的理解。

3.1 演示实验进课堂教学内容设计

课程根据教学大纲以及实验箱中的模块，为突破教学中理论学习的重难点，共设计了3个相关知识点共计8个演示实验。典型环节的时域响应是学生理解被控对象自身特性的基础，设计了灯光控制系统、积分环节、一阶及二阶系统的输入输出特性分析四个演示实验;稳态性能分析知识点，设计了0型、I型及II型系统输入输出特性分析实验;PID控制作为连续控制中应用最广的控制规律，在工业中被广泛应用，选取温度、速度、光强三种负反馈控制系统为实验对象进行PID控制器设计的演示实验。演示实验过程中，让学生自己通过实验结果总结规律，并与理论数据进行对比，加深学生对理论知识的理解，帮助学生搭建起理论与实践的桥梁。

3.2 灯光控制系统输入输出特性分析演示实验教学实施过程

比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输入信号的变化。它的微分方程可总结为：

（1）

式中，c（t）是环节的输出量;r（t）是环节的输人量;K为常数，称为比例系数或增益。比例环节的单位阶跃响应曲线为一条幅值为k的直线。

随堂教学中，教师需要进行演示实验时，可将实验箱立于讲台，给学生指明需要用到的实验模块位置，模块中包含被控对象LED灯以及检测元件光敏二极管。将安装有交互软件的电脑连接至投影仪，教师根据接线图接线，运行得到实验结果。过程中，教师让学生观察实验现象，并总结出该系统中被控对象输入输出之间关系近似比例的结论，从而让学生将理论与实际联系起来，激发学生的求知欲。课后，感兴趣的同学也可以进入开放实验室，在教师指导下操作实验箱，开展创新性实验，拓宽了学生的知识面。

3.3 教学效果

我们将18级自动化期末考试中涉及演示性实验内容的题目得分情况与17级自动化学生进行了对比，理论教学中加入演示实验后，涉及的各知识点学生平均分均有所提高，典型环节输入输出特性知识点，学生平均成绩提高了16%;稳态误差计算知识点，学生平均成绩提高了19%;PID控制规律知识点，学生平均分提高了30%，效果比较显著。

4.结语

应用型人才培养过程中，理论教学如何更好的促进学生的实践能力提升直接影响了人才培养的质量。这要求我们在进行教学设计时，既要考虑理论教学的实用性，还要考虑如何提升理论教学的效果。便携式实验设备进课堂无疑是解决理论教学与实践脱节的有效途径之一，通过教学实践证明，理论教学中开展演示实验能够在学生学习理论知识时及时通过实验得到巩固，同时激发学生学习兴趣，提升内驱力，培养学生的分析应用等高阶能力。

参考文献：

[1]秦哲，杨广武等，基于便携式课堂演示实验的大学物理教学探索与实践[J]，大学物理，2021.40（11）：26-29

[2]李伟萍，便携式演示在应用型本科大学物理“驻波”知识点教学中的应用[J]，赤峰学院学报，2020.36（5）：96-99

[3]杨扬，张清勇等，基于工程教育专业认证的自动控制原理实验教学改革[J]，中国现代教育装备，2021.357（3）：74-75+78

天津中德应用技术大学优质课程建设项目：《自动控制原理》，项目编号：ZDKC2020-B1202