王伟

摘要：本文主要讨论在实验教学环节如何培养学生的创新能力。论文分析了《控制理论》课程的教学对象的特点和经典控制实验的过程特点，在实验教学的内容和实施目标中引入一定的柔性设计。实践表明这种尝试发挥了学生在实验过程中的积极性和主动性，培养了学生自主学习的习惯，提高了学生的系统性思维能力和实验设计能力。

关键词：创新能力；柔性实验教学；教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）14-0259-03

在中国经济发展的新的历史阶段，高校的人才培养要符合创新型国家建设的战略目标。为此，很多教育工作者都做出了不懈的努力[1-3]。本文讨论的是本校电类专业试点班《控制理论》课程的实验教学实践。试点班学生的特点是素质高、学习能力强。试点班学生培养的宗旨是培养高水平的科学家和工程师，在培养过程中崇尚“做中学、探中学”的教育理念和“交叉·融合·体验·自主”的指导思想。根据试点班学生的培养宗旨和教育理念及指导思想，《控制理论》课程教学的特点是：理论课程强度大、实验教学占比高，对学生掌握和运用课程知识的要求高。在实验占比高的高素质学生课程教学中，如何充分发挥实验教学在学生素质培养中的作用，是本论文探讨的主要问题。

一、课程教学的总体安排

该课程共64学时，教学内容分經典控制和现代控制两个部分，分别为34和30学时。课程的经典控制教学部分由理论教学、示范实验教学和实践实验教学三个部分组成，这三部分学时占比分别为56%、17%和28%。在经典控制教学中，总的实验学时占比高达44.5%，而在普通班的经典控制教学中，实验学时占比一般为总课时的9.4%-12.5%。从上述数据可以看出：试点班的《控制理论》课程特点是单位学时内学习内容强度大、实验占比高，更加注重学生在实践中学习，充分体现了“做中学”的教育理念。

二、随动系统实验教学设计

1.实验教学的目标和要求。本文讨论的随动系统控制实验为《控制理论》课程中经典控制教学的实践实验教学部分，旨在通过该实验的训练使学生掌握经典控制理论的分析和设计方法，并能将这些方法应用到实际控制系统的分析、设计和性能调试中。对应经典控制理论教学，该随动系统实验教学的要求是学生能够运用经典控制理论分析和设计方法，对实际随动系统进行建模、性能测试和分析，然后根据随动系统的实际情况，设计合适的校正装置，使得校正后的随动系统达到随动性能的要求。与普通班实验教学要求相比，该实验更加注重培养学生的系统性思维能力和解决实际控制系统问题的能力。普通班的实验由于时间上的限制，一般强调的是对局部知识的验证和掌握。本实验则是研究一个整体的控制系统，大跨度的实验内容包括：（1）建立系统数学模型、通过测试各环节输入输出特性获得数学模型的参数；（2）通过测量不同系统参数下的系统动态性能和稳态性能，来分析系统的特性；（3）设计校正环节，通过电阻电容和运算放大器来物理实现校正环节，经过理论设计和在线调试的迭代过程，使得整个反馈系统满足随动性能要求。该实验需要学生在实验的过程中有很强的系统观念。作为实验对象的随动系统是一个实际的模拟系统，系统模型只能在一定程度上描述真实系统，也就是说学生面临的控制对象不再是理论学习中由数学模型方程描述的理想线性系统，而是一个具有死区和饱和等现象的真实物理系统。校正环节的RC网络物理实现，也只能在有限的电阻值和电容值中选择。如何正确认识理想系统与真实系统的差异，在现实约束条件下，成功实现闭环随动系统的校正控制，是学生在实验中的面临的一个挑战，学生在实验中需要有比较强的系统观念和分析处理实际控制系统问题的综合能力。因此，实验教学是理论教学的一个重要补充。

2.柔性实验设计。一般在普通班的实验教学中，由教师设计好具体的实验步骤和要填的实验数据表格，学生按照实验指导书按部就班地执行实验、记录实验数据，总结结论并撰写实验报告。考虑到试点班学生素质高、自学和主动工作能力强，本实验内容的安排是设定实验目标，具体实验过程、测试手段和校正方案设计可以一定程度上由学生自主选择或者设计。例如，校正方案中采用哪种校正网络、PID校正网络参数的确定使用哪种方法可以由学生自主决定。具体实验中的测量方法，学生可以采用指导书上的方案，也可以使用自己设计的测量方案；仿真辅助设计采用的软件和方案也可由学生自主选择。指导老师给出实验的目标和实验的大致过程，学生可以根据自己的兴趣和能力来选择系统建模、系统设计和实验调试的实验过程方案，也就说在满足实验最基本的要求下，实验的内容和工作量是柔性的。这样的柔性实验安排，可以给有兴趣并且能力较强的学生充分的自由发挥空间，最基本的实验目标要求保证学生完成最基本的实验任务。

3.柔性实验的内容。随动系统实验内容由以下几个部分组成：

（1）理解系统各模块的数学模型结构，通过测量系统各模块的输入输出特性，确定模块数学模型的参数，最终获得系统的开环传递函数。其中对于实验数据分析、模型参数拟合，学生们可以自己选择软件工具，如可以选MATLAB或者Origin软件。要求学生们能够分析出数学模型的大致适用范围。学生也可以自己设计测量方法完成各环节输入-输出特性的测量。例如对于电机速度的测量，学生可以选择或自主设计测量方法。

（2）调试系统参数值，测量系统的动态和稳态性能，理解系统参数对系统性能的影响，为后续的系统校正参数调试打下基础。通过性能测试让学生了解实验对象的电路特点，理解性能测量方法原理和测量波形的形状。学生可以通过调试参数了解系统的性能，如临界稳定状态、临界阻尼状态等，学生也可以根据自己的设想，验证在理论课所学的线性系统原理。

（3）进行校正系统设计和在线调试，使系统达到随动系统性能指标的要求。要求学生必做的是超前校正和PID校正的设计与调试。在校正系统设计中，学生可以用理论课所学的计算方法、仿真软件辅助设计方法或者参考文献上学习的任何方法来确定系统的校正网络参数，在线调试系统参数的策略也可以自己选定和设计。

（4）实验报告撰写。学生在查阅文献、独立思考和实验设计与实施的基础上，阐述实验的原理、实验过程、归纳总结实验结果，并对实验结果进行分析。实验报告没有统一的格式要求，学生可以根据自己的独立思考，撰写有特色的实验报告。

从上述实验内容要求看，任何一個实验环节都有学生必做的基本部分，也有学生可以按兴趣做的扩充部分，体现了柔性实验的特点。学生可以根据自己的可用时间、兴趣、能力，做自己设想的实验，撰写具有特色的实验报告。任何自主提出的实验想法和实施方法，都会在实验成绩评估中有加分。

4.柔性实验教学的实施方式。柔性实验教学的方式采用课堂教学、实验实践教学和自学相结合的方式。课堂教学主要是用多媒体技术讲解随动系统的组成、原理，给学生讲解实验的总体目标、课程实验的大致步骤和要求，以及可以深入研究设计系统的各种可能性。教师还为学生提供课外参考学习文献，拓展学生学习和思考问题的范围，为提高学生思维的系统性提供基础。学生根据实验的要求，查阅并自学相关文献资料以及相关仿真软件工具的使用，研讨随动系统分析和设计方法。实验实践教学则要求学生在实验室完成实验的所有操作，如测试系统性能测试，校正网络实现、在线调试和性能测试。为了更好地支持有兴趣的学生尝试新的实验方案，除了按照传统方式为学生安排课时内实验室实验时间，实验室还为学生提供开放实验时间，只要学生预约，学生可以在课时外的时间到实验室做实验。

5.实验成绩评估。传统的实验评估通常是检查学生完成固定实验内容的程度。与传统实验教学相比，在柔性实验中，由于学生对实验的兴趣和能力的不同，学生实验的内容和深度可以有所不同，成绩评估方式更具有开放性。柔性实验的评估方式包括二个方面，一是评估学生实验基本目标的完成情况，如传递性能基本测试、系统模型建立、系统性能的基本测试和校正网络的基本设计和调试；二是评估学生在实验中的自主设计和工作主动性，主要是看学生对实验的系统性理解认识，评估学生实验方案的设计能力及实验方法的创新能力。

三、柔性实验教学效果分析与思考

经过三届试点班实验教学的实践，结果表明：上述柔性实验教学发挥了学生的主观能动性，锻炼了学生的自主学习和设计的独立工作能力。比如，有些学生在实验中提出了自己的确定校正电路参数的计算机软件辅助设计过程，也有学生提出了自己的电机转速测量方案。这种柔性实验教学一定程度培养了学生的自主实验设计能力和在实验中发现问题、解决问题的能力。

在本文讨论的教学对象范围内，学生的基本状态是求知欲强、学习能力强、认真预习，努力实现高标准的实验要求。学生的能力和兴趣差异决定了学生对待实验的不同状态，一部分学生实验非常主动、努力，一部分学生由于兴趣方向和对自己职业方向设计的不同，对实验精力的投入有限；试点班学生是差异化的，高素质学生各具特点，在引导学生对课程实践的兴趣、尽量挖掘学生的潜能同时，包容学生有不同节奏的认知发展过程和对培养领域的不同学习兴趣，创造宽松、柔性的学习环境，对于培养人格健全的高素质人才也是不可缺少的。最基本的实验要求，是对由于各种原因对实验投入精力有限的学生的包容。虽然实验没有提供非常刚性的要求，但大部分同学都对实验做了认真、积极主动的实践努力，体现了试点班学生学习的潜能和主动性。特别是对实验兴趣高、能力比较强的学生，柔性实验的教学方式为他们提供了自由发挥的空间。这些学生通过查阅文献和学习使用相关软件工具，尝试了课堂教学范围以外的系统设计方法，提高了学生的自主学习和实验设计能力。学生们提出的好的设计和实验方法可以在下一届实验教学中推广，使得实验教学的持续改进主体由参与教学的老师和学生共同组成。

试点班的柔性实验教学是新的教学理念的实践，试点班学生的高强度重实践的教学模式的形成是教学过程和学生学习需求的一种不断磨合过程。在实验报告中要求学生表述自己的实验收获和感想，对实验教学的方式和实验安排提出反馈和改进意见。实验的教学方法会根据学生的反馈不断调整。每届学生的选课情况都会有所变化，适时收集学生对实验安排的反馈意见，是适配学生学习需求的保证措施。

参考文献：

[1]盛守照，叶冯超，孙臣武.“自动控制原理”实验设计与教学改革思考[J].电气电子教学学报，2017，39，（1）.

[2]冯其红，胡伟，王增宝.改革实验教学模式培养大学生的工程实践能力[J].2013，32（2）.

[3]王京梅，贾利军.高等教育中开放式柔性实验教学平台的探讨[J].实验研究与探索，2017，36（4）.