基于虛實結(jié)合的自動控制原理課程教學改革探索與實踐

摘要：本文針對職教本科所開設(shè)的自動控制原理課程，分析了課程現(xiàn)狀和存在的問題，圍繞理論教學、實驗教學和考核方式等環(huán)節(jié)，提出了創(chuàng)新理論課堂和實踐課堂的授課形式，提倡采用虛實結(jié)合的方式，提高教學質(zhì)量，實現(xiàn)學生理論與實驗的知行合一。關(guān)鍵詞：自動控制原理；虛實結(jié)合；理論教學；實驗教學自動控制原理是職教本科自動化、材料成型技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，為后續(xù)課程的深入研究提供了必要的分析方法，因此，學生掌握該門課程知識對于學習后續(xù)課程和開展課題研究都具有重要意義。自動控制原理以高等數(shù)學知識為基礎(chǔ)，同時涉及電類專業(yè)的大量基礎(chǔ)知識，如模電、數(shù)電和信號與系統(tǒng)等，該課程理論性強、知識面廣、內(nèi)容抽象，鑒于新形勢下職業(yè)教育的發(fā)展方向和職教本科生源的學情特點，傳統(tǒng)教學形式已不能支持教學目標的達成。一、課程教學現(xiàn)狀筆者所在學院現(xiàn)有自動化和材料成型及控制工程兩個專升本專業(yè)，在課程教學的過程中均存在一些問題。一是課程方面。抽象理論知識缺乏生動性和實際性，學生積極學習的主觀能動性無法調(diào)動；沒有配套對應(yīng)的實訓(xùn)裝置，實訓(xùn)內(nèi)容流于形式，針對性不足，導(dǎo)致實訓(xùn)效果大打折扣。二是教師方面。缺少工程實際案例的教學，課程的工程應(yīng)用價值體現(xiàn)不足，這與培養(yǎng)應(yīng)用型人才的定位目標不符；教學手段單一，課堂質(zhì)量難達預(yù)期。大量的公式演算推導(dǎo)，不符合職業(yè)本科學生的學情。三是學生方面。在互聯(lián)網(wǎng)時代，學生對于新鮮事物有強烈的好奇心，但是整體的自控力不足，需要善加引導(dǎo)。二、課堂教學改革的探索與實施筆者通過教學改革探索與實踐，改進課程教學內(nèi)容與考核方式，進一步加強理論與實驗的知行合一，授課以理論教學和實驗教學交替的形式開展，采用“教、學、做”一體化的教學模式推進課堂改革。創(chuàng)新理論課堂和實踐課堂的授課內(nèi)容和方式，優(yōu)內(nèi)容，引案例；建平臺，助學習；精實驗，細分類；優(yōu)平臺，強技能；嚴考核，促提高。甄選工程應(yīng)用案例，引入太陽能追光系統(tǒng)、卷紙張力裝置、倒立擺等典型控制系統(tǒng)。借助光機電應(yīng)用技術(shù)國家職業(yè)教育教學資源庫輔助教學平臺，豐富課程教學形式。以仿真和實物控制系統(tǒng)驗證為手段，切實提升學生的主觀能動性，增強學生的動手實踐能力，快速對接行業(yè)崗位能力要求。采取多元化的考核評價體系，從理論掌握、專業(yè)技能及職業(yè)素質(zhì)三個維度設(shè)置評分細則，全過程評價學生的學習效果。以下主要從幾方面闡述自動控制原理課程教學的改革內(nèi)容。（一）理論教學實施1.優(yōu)內(nèi)容，引案例筆者所在學院職教本科自動控制原理課程的授課內(nèi)容主要有：線性系統(tǒng)的建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析和線性系統(tǒng)的校正，調(diào)整后的課時量為56學時，其中包括24學時的實驗。在教學內(nèi)容的安排上，以一個典型的液位控制為實際案例，分章節(jié)逐步對該裝置進行分析和講解，將儲水槽建模、數(shù)學模型的時域分析、根軌跡分析和控制器校正等各個章節(jié)知識有機串接，保障理論知識的連續(xù)性和工程性，從而加深學生對控制理論基本概念和基本方法的掌握，提升理論知識的運用能力。在理論教學課堂中，學生充分建立對案例的感性認識，更有針對性地梳理基本理論和基本方法，發(fā)揮案例教學法的積極促進作用。在案例的選擇上，可借助其他趣味性和生動性較強的球桿控制系統(tǒng)和倒立擺控制系統(tǒng)等實驗載體，進一步開闊學生視野，使學生能從整體和局部掌握自動控制系統(tǒng)的框架和組成要素，同時能直觀地查看控制效果。2.建平臺，助學習借助光機電應(yīng)用技術(shù)國家職業(yè)教育教學資源庫輔助教學平臺，豐富課堂教學形式。利用文本、圖像、動畫仿真實例等多種形式開展項目式教學，既可提高學生的學習主動性，又可培養(yǎng)學生的探究能力與團隊合作能力，能夠有效地提高教學質(zhì)量。教師通過資源庫教學平臺，建立課程資源，開展豐富的課堂活動。通過自動控制案例、任務(wù)布置、材料收集、小測試等功能獲得教學反饋，以便教師根據(jù)學情進行教學調(diào)整。（二）實驗教學實施1.精實驗，細分類改革和完善實驗教學大綱，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，突出典型性、工程性和安全性，精選一些真實的典型案例，分類整合，在知識維度上形成體系。充分利用仿真模型、自行改良的實物模型及實驗指導(dǎo)書，廣泛采用多媒體、資源庫平臺等媒介進行輔助教學。一是原理性實驗，如典型環(huán)節(jié)模擬電路及其數(shù)學模型對照實驗、典型系統(tǒng)時域分析實驗、穩(wěn)定性實驗等。二是分析性實驗，如根軌跡分析實驗、伯德圖分析實驗、PID整定分析實驗。三是工程性實驗，如球桿控制PID調(diào)參實驗和虛擬可視化液位控制實驗等。2.優(yōu)平臺，強技能探索可視化仿真的教學方法。在虛擬仿真方面利用Multisim和MATLAB的聯(lián)合仿真平臺，利用Multisim的電路仿真功能和MATLAB強大的建模分析特點，取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。例如，先向?qū)W生講授PID整定的幾種常用方法（經(jīng)驗法、臨界比例法），學生在Matlab平臺搭建仿真模型反復(fù)調(diào)試，尋找規(guī)律總結(jié)經(jīng)驗，初步學會PID的整定方法。虛擬的仿真結(jié)果使理論教學中的概念性問題簡單化、工程化，同時結(jié)合可視化的控制裝置設(shè)立項目任務(wù)，突出控制的直觀效果。3.嚴考核，促提高為提升實驗教學效果的質(zhì)量監(jiān)控水平，實施全過程的實驗考核尤為關(guān)鍵。學生個人、實驗小組、實驗教師共同參與考核，形成多元化的考核評價體系，從理論掌握、專業(yè)技能及職業(yè)素質(zhì)三個維度設(shè)置評分細則，全過程評價學生的學習效果。在實操環(huán)節(jié)，由于學生理論掌握程度和操作水平存在差異，導(dǎo)致完成時間也有先后，為更好地把控課堂進度和操作時間，應(yīng)對班級學生進行合理分組，讓每組學生的水平盡量均衡，通過組內(nèi)成員互助及時解決練習中遇到的問題，提高學習效率。以基于PLCsim-FactoryIO可視化液位控制實驗項目為例，課前教師發(fā)布本次實驗有關(guān)的實驗指導(dǎo)書和微課等學習資料和課前任務(wù)。實驗小組查閱信息，完成微課學習、資料收集和小組分工等任務(wù)。課前，讓學生溫故知新，提前了解可視化虛擬仿真軟件，快速進入學習情景，提高課堂的實戰(zhàn)效率。以小組為單位開展實驗，明確各自崗位分工，增強責任意識。以項目開發(fā)為情景，創(chuàng)設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)員、現(xiàn)場調(diào)試員和記錄員等角色，培養(yǎng)學生的崗位意識。課中，小組根據(jù)任務(wù)需求商討并繪制系統(tǒng)控制方框圖，并上傳至學習平臺，教師針對學生提交的作業(yè)和巡回指導(dǎo)中出現(xiàn)的共性問題進行點評總結(jié)，隨后組內(nèi)成員分工合作，系統(tǒng)架構(gòu)員繼續(xù)完善控制系統(tǒng)方框圖，并參考實驗指導(dǎo)書的示例分別完成FactoryIO仿真軟件I/O分配和博圖PLC編程任務(wù)，初步完成系統(tǒng)控制回路的搭建和系統(tǒng)通信測試功能。以現(xiàn)場調(diào)試員為核心的團隊成員可反復(fù)回看教師發(fā)布的視頻，有目的地操作博圖軟件相關(guān)模塊，逐步嘗試控制策略，并實時查看可視化的液位控制效果，最終選擇控制效果良好的策略和PID參數(shù)。在實驗全過程中，記錄員根據(jù)實驗報告內(nèi)容，及時做好數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理工作，總結(jié)實驗步驟、實驗方法以及實驗過程中出現(xiàn)的各種問題和應(yīng)對措施。同時，建立組間互查互助機制，充分發(fā)揮優(yōu)秀學生傳幫帶作用，有效解決教師指導(dǎo)不及時的問題。課后，在學習平臺發(fā)布課后拓展任務(wù)并及時查看學生完成情況，對學生進行指導(dǎo)。在條件允許的情況下，鼓勵學有余力的學生申報校級科技項目課題或參與教師科研項目，通過動手做實物的方式，明白理論與實踐存在的差距，切實提高專業(yè)技能水平。實驗課教學評價的構(gòu)成主要包含以下幾方面：課前實驗預(yù)習（10分），考核學生預(yù)習準備情況，并按要求完成答題；課中實驗仿真（50分），考核學生小組獨立完成實驗的能力水平；實驗紀律（10分），考核學生的質(zhì)量意識、規(guī)范意識和科學意識等職業(yè)素養(yǎng)水平；課后實驗拓展（30