基于虚实结合的自动控制原理课程教学改革探索与实践

摘要：本文针对职教本科所開设的自动控制原理课程，分析了课程现状和存在的问题，围绕理论教学、实验教学和考核方式等环节，提出了创新理论课堂和实践课堂的授课形式，提倡采用虚实结合的方式，提高教学质量，实现学生理论与实验的知行合一。关键词：自动控制原理；虚实结合；理论教学；实验教学自动控制原理是职教本科自动化、材料成型技术及相关专业的重要基础课程，为后续课程的深入研究提供了必要的分析方法，因此，学生掌握该门课程知识对于学习后续课程和开展课题研究都具有重要意义。自动控制原理以高等数学知识为基础，同时涉及电类专业的大量基础知识，如模电、数电和信号与系统等，该课程理论性强、知识面广、内容抽象，鉴于新形势下职业教育的发展方向和职教本科生源的学情特点，传统教学形式已不能支持教学目标的达成。一、课程教学现状笔者所在学院现有自动化和材料成型及控制工程两个专升本专业，在课程教学的过程中均存在一些问题。一是课程方面。抽象理论知识缺乏生动性和实际性，学生积极学习的主观能动性无法调动；没有配套对应的实训装置，实训内容流于形式，针对性不足，导致实训效果大打折扣。二是教师方面。缺少工程实际案例的教学，课程的工程应用价值体现不足，这与培养应用型人才的定位目标不符；教学手段单一，课堂质量难达预期。大量的公式演算推导，不符合职业本科学生的学情。三是学生方面。在互联网时代，学生对于新鲜事物有强烈的好奇心，但是整体的自控力不足，需要善加引导。二、课堂教学改革的探索与实施笔者通过教学改革探索与实践，改进课程教学内容与考核方式，进一步加强理论与实验的知行合一，授课以理论教学和实验教学交替的形式开展，采用“教、学、做”一体化的教学模式推进课堂改革。创新理论课堂和实践课堂的授课内容和方式，优内容，引案例；建平台，助学习；精实验，细分类；优平台，强技能；严考核，促提高。甄选工程应用案例，引入太阳能追光系统、卷纸张力装置、倒立摆等典型控制系统。借助光机电应用技术国家职业教育教学资源库辅助教学平台，丰富课程教学形式。以仿真和实物控制系统验证为手段，切实提升学生的主观能动性，增强学生的动手实践能力，快速对接行业岗位能力要求。采取多元化的考核评价体系，从理论掌握、专业技能及职业素质三个维度设置评分细则，全过程评价学生的学习效果。以下主要从几方面阐述自动控制原理课程教学的改革内容。（一）理论教学实施1.优内容，引案例笔者所在学院职教本科自动控制原理课程的授课内容主要有：线性系统的建模、时域分析、根轨迹分析、频域分析和线性系统的校正，调整后的课时量为56学时，其中包括24学时的实验。在教学内容的安排上，以一个典型的液位控制为实际案例，分章节逐步对该装置进行分析和讲解，将储水槽建模、数学模型的时域分析、根轨迹分析和控制器校正等各个章节知识有机串接，保障理论知识的连续性和工程性，从而加深学生对控制理论基本概念和基本方法的掌握，提升理论知识的运用能力。在理论教学课堂中，学生充分建立对案例的感性认识，更有针对性地梳理基本理论和基本方法，发挥案例教学法的积极促进作用。在案例的选择上，可借助其他趣味性和生动性较强的球杆控制系统和倒立摆控制系统等实验载体，进一步开阔学生视野，使学生能从整体和局部掌握自动控制系统的框架和组成要素，同时能直观地查看控制效果。2.建平台，助学习借助光机电应用技术国家职业教育教学资源库辅助教学平台，丰富课堂教学形式。利用文本、图像、动画仿真实例等多种形式开展项目式教学，既可提高学生的学习主动性，又可培养学生的探究能力与团队合作能力，能够有效地提高教学质量。教师通过资源库教学平台，建立课程资源，开展丰富的课堂活动。通过自动控制案例、任务布置、材料收集、小测试等功能获得教学反馈，以便教师根据学情进行教学调整。（二）实验教学实施1.精实验，细分类改革和完善实验教学大纲，优化实验教学内容，突出典型性、工程性和安全性，精选一些真实的典型案例，分类整合，在知识维度上形成体系。充分利用仿真模型、自行改良的实物模型及实验指导书，广泛采用多媒体、资源库平台等媒介进行辅助教学。一是原理性实验，如典型环节模拟电路及其数学模型对照实验、典型系统时域分析实验、稳定性实验等。二是分析性实验，如根轨迹分析实验、伯德图分析实验、PID整定分析实验。三是工程性实验，如球杆控制PID调参实验和虚拟可视化液位控制实验等。2.优平台，强技能探索可视化仿真的教学方法。在虚拟仿真方面利用Multisim和MATLAB的联合仿真平台，利用Multisim的电路仿真功能和MATLAB强大的建模分析特点，取长补短，发挥各自的优势。例如，先向学生讲授PID整定的几种常用方法（经验法、临界比例法），学生在Matlab平台搭建仿真模型反复调试，寻找规律总结经验，初步学会PID的整定方法。虚拟的仿真结果使理论教学中的概念性问题简单化、工程化，同时结合可视化的控制装置设立项目任务，突出控制的直观效果。3.严考核，促提高为提升实验教学效果的质量监控水平，实施全过程的实验考核尤为关键。学生个人、实验小组、实验教师共同参与考核，形成多元化的考核评价体系，从理论掌握、专业技能及职业素质三个维度设置评分细则，全过程评价学生的学习效果。在实操环节，由于学生理论掌握程度和操作水平存在差异，导致完成时间也有先后，为更好地把控课堂进度和操作时间，应对班级学生进行合理分组，让每组学生的水平尽量均衡，通过组内成员互助及时解决练习中遇到的问题，提高学习效率。以基于PLCsim-FactoryIO可视化液位控制实验项目为例，课前教师发布本次实验有关的实验指导书和微课等学习资料和课前任务。实验小组查阅信息，完成微课学习、资料收集和小组分工等任务。课前，让学生温故知新，提前了解可视化虚拟仿真软件，快速进入学习情景，提高课堂的实战效率。以小组为单位开展实验，明确各自岗位分工，增强责任意识。以项目开发为情景，创设系统架构员、现场调试员和记录员等角色，培养学生的岗位意识。课中，小组根据任务需求商讨并绘制系统控制方框图，并上传至学习平台，教师针对学生提交的作业和巡回指导中出现的共性问题进行点评总结，随后组内成员分工合作，系统架构员继续完善控制系统方框图，并参考实验指导书的示例分别完成FactoryIO仿真软件I/O分配和博图PLC编程任务，初步完成系统控制回路的搭建和系统通信测试功能。以现场调试员为核心的团队成员可反复回看教师发布的视频，有目的地操作博图软件相关模块，逐步尝试控制策略，并实时查看可视化的液位控制效果，最终选择控制效果良好的策略和PID参数。在实验全过程中，记录员根据实验报告内容，及時做好数据记录和数据处理工作，总结实验步骤、实验方法以及实验过程中出现的各种问题和应对措施。同时，建立组间互查互助机制，充分发挥优秀学生传帮带作用，有效解决教师指导不及时的问题。课后，在学习平台发布课后拓展任务并及时查看学生完成情况，对学生进行指导。在条件允许的情况下，鼓励学有余力的学生申报校级科技项目课题或参与教师科研项目，通过动手做实物的方式，明白理论与实践存在的差距，切实提高专业技能水平。实验课教学评价的构成主要包含以下几方面：课前实验预习（10分），考核学生预习准备情况，并按要求完成答题；课中实验仿真（50分），考核学生小组独立完成实验的能力水平；实验纪律（10分），考核学生的质量意识、规范意识和科学意识等职业素养水平；课后实验拓展（30