本文摘要：摘要：針對(duì)自動(dòng)控制原理課程具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深、理論知識(shí)較難的特點(diǎn)，以軌道交通硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出理論實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的教學(xué)模式，開(kāi)展分層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形成以學(xué)生為中心的工程教育模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論結(jié)
摘要：針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深、理論知識(shí)較難的特點(diǎn)，以軌道交通硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”的教學(xué)模式，開(kāi)展分層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形成以學(xué)生為中心的工程教育模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力，為培養(yǎng)造就大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：“自動(dòng)控制原理”;教學(xué)模式;實(shí)驗(yàn)教改;教學(xué)體系
“自動(dòng)控制原理”這門(mén)課是自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)工程(鐵道信號(hào)方向)、測(cè)控專業(yè)等相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其最終目的是使學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用中學(xué)會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及調(diào)試。由于該門(mén)課程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深，理論知識(shí)較難，涉及的相關(guān)學(xué)科知識(shí)較多，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)理解、掌握知識(shí)困難，并且難以應(yīng)用等問(wèn)題。因此，理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)方法有助于學(xué)生在全面理解并掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)其動(dòng)手能力及工程實(shí)踐能力。
交通工程評(píng)職知識(shí)：軌道交通信號(hào)技術(shù)論文如何選刊發(fā)表
1引言
目前大部分高校“自動(dòng)控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)課時(shí)較少，內(nèi)容陳舊，模式單一，要么采用單一的電路模擬方法進(jìn)行系統(tǒng)的性能分析，要么采用Matlab軟件進(jìn)行仿真，不能將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，忽略了對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和獨(dú)立解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，束縛了學(xué)生對(duì)于新知識(shí)的探索，不利于學(xué)校培養(yǎng)出當(dāng)代社會(huì)所需要的高素質(zhì)高能力人才。
因此，對(duì)傳統(tǒng)的“自動(dòng)控制原理”實(shí)踐教學(xué)改革勢(shì)在必行。為與本校特色相結(jié)合，踐行“交通強(qiáng)國(guó)”基調(diào)，與專業(yè)緊密聯(lián)系，西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鐵道信息工程系結(jié)合3D打印、電子、無(wú)線通信以及智能控制等技術(shù)研發(fā)具有測(cè)速、定位功能的新型模擬機(jī)車的控制系統(tǒng)，搭建軌道交通硬件平臺(tái)，建成了鐵道信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)室。為建設(shè)發(fā)展新工科，以新工科理念為先導(dǎo)，分析研究新工科內(nèi)涵、特征、規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)等，充分利用現(xiàn)有的城軌實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，通過(guò)搭建硬件實(shí)物平臺(tái)，開(kāi)發(fā)“自動(dòng)控制原理”綜合性實(shí)驗(yàn)，形成以學(xué)生為中心的工程教育模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力，為培養(yǎng)造就大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”的實(shí)踐教學(xué)體系
新工科是以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑。新工科的建設(shè)對(duì)高校教師提出了更高要求。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)在更新教育理念、轉(zhuǎn)變教學(xué)方式、制訂人才培養(yǎng)新模式、提高教育教學(xué)質(zhì)量等方面做出積極探索與實(shí)踐。為滿足當(dāng)前“新工科”建設(shè)背景下的新需求，本文從教學(xué)模式、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、其他實(shí)踐教學(xué)3個(gè)方面對(duì)“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，將實(shí)踐教學(xué)貫穿于教學(xué)全過(guò)程中，著力培養(yǎng)“新工科”背景下具有綜合創(chuàng)新能力、科技開(kāi)發(fā)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。
2.1“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”的教學(xué)模式
“自動(dòng)控制原理”課程理論性較強(qiáng)，圍繞新工科建設(shè)路線，對(duì)于學(xué)生培養(yǎng)方面理論聯(lián)系實(shí)際的要求，由課堂“教師中心型”轉(zhuǎn)向“上下聯(lián)動(dòng)型”。線上教學(xué)包括MOOC的視頻和在線作業(yè)及測(cè)試、在線答疑及討論等;線下教學(xué)結(jié)合“基于問(wèn)題學(xué)習(xí)”的教學(xué)法，包括課堂講解、問(wèn)題分析及討論、問(wèn)題匯報(bào)及點(diǎn)評(píng)、課堂練習(xí)及測(cè)試等環(huán)節(jié)。此外，線下教學(xué)時(shí)可采用慕課堂等工具設(shè)置練習(xí)、討論等教學(xué)手段，使學(xué)生緊跟老師，全程思維在線。
采用“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”的教學(xué)模式，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，設(shè)計(jì)動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，達(dá)到加深學(xué)生對(duì)于“自動(dòng)控制原理”課程基礎(chǔ)知識(shí)的理解，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，進(jìn)而將實(shí)踐教學(xué)延伸到科研學(xué)術(shù)活動(dòng)，提升教學(xué)效果。部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不能理解該課程教學(xué)內(nèi)容間的聯(lián)系與區(qū)別，以自動(dòng)控制系統(tǒng)常見(jiàn)對(duì)象——電機(jī)為例采用“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”的教學(xué)模式介紹該方法。電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的獲得可通過(guò)解析法和實(shí)驗(yàn)法獲得。
課堂上，教師從理論上介紹建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型的方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立。在實(shí)踐教學(xué)中，教師指導(dǎo)學(xué)生就電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行從開(kāi)環(huán)、閉環(huán)結(jié)構(gòu)，時(shí)域、頻域分析系統(tǒng)的性能分析，選擇根軌跡法、頻率響應(yīng)法、PID等進(jìn)行校正，以改善其性能。最后，將設(shè)計(jì)的校正裝置用于新型模擬機(jī)車的測(cè)速控制系統(tǒng)，形成完整的“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”教學(xué)體系，可較好地理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生清楚掌握理論的學(xué)習(xí)目標(biāo)，完整、充分地認(rèn)識(shí)控制理論體系。
2.2開(kāi)展分層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
對(duì)已開(kāi)設(shè)的基于“Matlab軟件”的數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)和基于電模擬方式的模擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合和優(yōu)化，精選必做的驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并在已有的城市軌道交通仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，加入基于軌道交通設(shè)備、新型模擬機(jī)車的測(cè)速、定位功能的控制系統(tǒng)的綜合性實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
在掌握相關(guān)理論知識(shí)的同時(shí)，重點(diǎn)突出學(xué)生工程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自學(xué)能力的培養(yǎng)。如何理論聯(lián)系實(shí)際是“自動(dòng)控制原理”課程的一大難點(diǎn)。例如學(xué)習(xí)系統(tǒng)頻率特性時(shí)，如何讓學(xué)生從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)頻率特性的概念是這部分內(nèi)容的基礎(chǔ)，在掌握頻率特性概念后，如何分析系統(tǒng)的頻率特性是該部分的一個(gè)重點(diǎn)。在完成理論課后，可先完成“基于Matlab的線性系統(tǒng)的頻域分析”實(shí)驗(yàn)，從理論上掌握頻率特性的概念，完成Bode圖及Nyquist曲線的繪制，真正從理論上掌握頻率特性的概念及系統(tǒng)頻率特性分析方法。
此外，頻率的特性物理意義及其應(yīng)用是該部分內(nèi)容的的難點(diǎn)�？赏ㄟ^(guò)完成“線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析”實(shí)驗(yàn)，掌握對(duì)簡(jiǎn)單的可通過(guò)解析法建模的系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)法獲得其頻率特性，并能通過(guò)測(cè)量得到的頻率特性獲得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以此進(jìn)一步明確頻率特性的物理意義及其應(yīng)用。最后，理論結(jié)合實(shí)際，針對(duì)軌道交通硬件平臺(tái)的新型模擬機(jī)車?yán)妙l率特性測(cè)試其數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。采用這種方式，最終實(shí)現(xiàn)分層次遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在幫助學(xué)生融匯貫通相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的工程能力、實(shí)踐能力等。
2.3開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)及課外實(shí)踐教學(xué)
在學(xué)生積累了相應(yīng)的知識(shí)或需進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)智能控制等相關(guān)知識(shí)并實(shí)踐時(shí)，教師可指導(dǎo)性地提出問(wèn)題，例如基于各種智能控制算法的模擬車速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模擬車定點(diǎn)停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鐵道沙盤(pán)車站溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。搭建的硬件平臺(tái)由西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鐵道信息工程系的教師們自主設(shè)計(jì)，可將底層的資料開(kāi)放給學(xué)生，讓學(xué)生從本質(zhì)上了解硬件到底是什么，引導(dǎo)學(xué)生利用軌道交通的硬件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)、SRTP、畢業(yè)設(shè)計(jì)、各類競(jìng)賽及科學(xué)研究等，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、科研能力。
2.4考核模式
基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)理論教學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)開(kāi)設(shè)，要求學(xué)生掌握對(duì)應(yīng)概念及分析、設(shè)計(jì)方法，因此以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。主要考核學(xué)生能否根據(jù)給定的對(duì)象傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出校正裝置，并仿真進(jìn)行驗(yàn)證，最后根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)及完成效果進(jìn)行評(píng)分。對(duì)于基于城市軌道交通設(shè)備等的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，要求查閱相關(guān)資料，完成系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計(jì)、參數(shù)制定的設(shè)計(jì)，根據(jù)完成度給出分?jǐn)?shù)。要求學(xué)生學(xué)會(huì)工程需求分析，并選擇設(shè)計(jì)合理的控制方案，將分析和仿真結(jié)果以報(bào)告形式提交。通過(guò)以上方法引導(dǎo)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)提高自身綜合素質(zhì)。
3結(jié)論
建設(shè)發(fā)展新工科，以新工科理念為先導(dǎo)，分析研究新工科內(nèi)涵、特征、規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)等，充分利用現(xiàn)有的城軌實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，研究如何通過(guò)搭建硬件實(shí)物平臺(tái)，開(kāi)發(fā)“自動(dòng)控制原理”綜合性實(shí)驗(yàn)，形成以學(xué)生為中心的工程教育模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力，為培養(yǎng)造就大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。“理論—實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用”的教學(xué)模式和分層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)繼承了“自動(dòng)控制原理”課程的原有教學(xué)模式，進(jìn)一步深入踐行了以應(yīng)用為目的的教學(xué)思想。
和應(yīng)用相結(jié)合、基于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的綜合性實(shí)驗(yàn)等可擺脫“自動(dòng)控制原理”課程理論和實(shí)際應(yīng)用脫離的缺點(diǎn)。受益專業(yè)較廣，包括鐵道信號(hào)、城軌控制、交通運(yùn)輸、測(cè)控、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)。同時(shí)基于軌道交通硬件平臺(tái)的“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革正是適應(yīng)新工科的要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制理論與軌道交通的交叉與融合，引入更多實(shí)踐的內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)課程的掌握程度，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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作者：江樺
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