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1 實驗平臺建設的背景和指導思想

    我校自動化系的學生，進校時，對自動化以及工業(yè)控制的應用前景、本專業(yè)知識面的廣博和貫通性不甚了解；客觀的說來，低年級學生沒有傳感器、執(zhí)行器方面的知識，許多實驗做不了；高年級學生雖然學習了許多書本知識，但動手實驗較少，許多知識停留在書本上；還有部分學生又面臨考G、考托和考研，對做實驗不夠重視。這樣形成了理論和實際脫節(jié)嚴重的狀況，專業(yè)學習的興趣和潛力沒能得到有效的引導和開發(fā)。在科技發(fā)展突飛猛進的今天，社會對自動化學科的本科生提出更高的要求。高水平大學建設也要求科大的本科生應具有更堅實的理論知識、更強的動手和解決實際問題的能力。如何培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新人才？教學改革若沒有配套的教學實驗和實驗設備為基礎，就會獨木難撐。必須改善實驗技術和實驗條件，形成“理論教育、實踐教育”并重，加強培養(yǎng)學生的實踐能力，全面推進素質(zhì)教育，迎接市場經(jīng)濟的挑戰(zhàn)。我們從自動化學科發(fā)展態(tài)勢出發(fā)，抓住教學思想更新、教學內(nèi)容及課程體系改革這一核心，圍繞主干課程建立了系統(tǒng)與控制四級實驗教學體系，分層次、分級別組織本科生實驗教學。由低到高，由淺到深、從基礎性到設計性、綜合性實驗分步進行自動化學科本科生的人才培養(yǎng)。主要思路是：壓縮課時，保留必要的基礎性實驗，精簡內(nèi)容單一的驗證性實驗，增加知識面廣的綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗，徹底打破了按各自課程設立實驗裝置的框框。取消各門課程設立的實驗，設置統(tǒng)一的獨立實驗課，即構(gòu)筑具有典型性、代表性的被控對象與計算機構(gòu)成的四級實驗系統(tǒng)。“211”和“985”工程的教學建設投資，為改變我系實驗室的狀況，使教學實驗上臺階，達到高水平目標創(chuàng)造了條件。“系統(tǒng)與控制”四級實驗平臺就是在這樣的背景推出的。

    這幾年，我們?yōu)榻ⅰ跋到y(tǒng)與控制”四級實驗教學平臺已經(jīng)做了大量的工作，主要有以下幾點：
    1．1 對原有實驗體系進行科學、合理的調(diào)整和重組，即：將原單片機實驗室、技能訓練實驗室和控制電機實驗室并入“系統(tǒng)與控制實驗室”。后來又把“智能信息處理實驗室”與“系統(tǒng)與控制實驗室”合并，建立了自動化實驗教學中心。以控制理論、控制工程為基礎，將自動控制技術、檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、先進控制與優(yōu)化、智能信息處理等教學研究內(nèi)容融為一體，建立了四級實驗教學平臺。各級實驗已打破按各自課程設立實驗裝置的框框。而將實驗裝置為多門課程服務，既可單獨為各自課程開設實驗，又可做符合現(xiàn)代工業(yè)、科學技術水平要求的綜合性系統(tǒng)實驗。［1］

    1．2 實驗教學與科研相融合：為了將前沿科學，新技術及時傳授給學生，必須使科研與教學密切結(jié)合，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學實驗設備。自主開發(fā)、研制的電烤箱溫度控制系統(tǒng)和自行設計、外加工制做的雙容液位計算機控制系統(tǒng)［2］設計中的許多設計思想，來自我們在工業(yè)過程控制領域中取得的各種科研成果，將最新的科研成果與技術反映在實驗課程教學內(nèi)容中，如把模糊控制、預測控制等先進的過程控制算法引進到實驗研究內(nèi)容中。這對于促進專業(yè)實驗的改革，將高水平的科研成果轉(zhuǎn)化為高水平的教學實驗是一種有益的嘗試。

    1．3 采取多種方式，研究、建設實驗教學平臺：我們根據(jù)現(xiàn)有的設備和自制設備，采用如下方式開發(fā)出高層次高檔次的實驗內(nèi)容出來，一是年青教員投入，二是研究生開發(fā)實驗算作“助教”，三是利用本科生做畢業(yè)論文和大學生研究計劃來開發(fā)新的實驗內(nèi)容。這樣不斷用自動化學科前沿研究成果來充實實驗教學的內(nèi)容，我們實現(xiàn)了單級擺、二級擺、二輪小車倒立擺和平行擺的計算機控制，［3］［4］［5］

2 “系統(tǒng)與控制”的四級實驗課程設置

    自動化系近年來開設了“系統(tǒng)與控制”四級實驗課程，對自動化系列實驗課程體系進行了大膽的改革、探索和實踐。一級實驗的對象為低年級學生，在學習完成C語言課程后，學生自己動手編制驅(qū)動機器人行走控制程序，幫助學生得到自動控制的感性認識，增強了對專業(yè)的興趣；二級和三級實驗屬于典型的主干課程實驗，能夠體現(xiàn)自動控制的基本思想和方法；四級實驗課程為綜合設計性實驗課程，實驗的對象為高年級學生，由學生自主地建立控制系統(tǒng)環(huán)境并自主發(fā)揮，獨立思考，系統(tǒng)地設計和解決一系列控制問題。

    各級實驗內(nèi)容和目標如下：［6］

    2．1 第一級實驗：第一級實驗為機器人教學器材編程控制，使用“能力風暴”機器傳感器、伺服電機的工作特點，初步了解機器人的結(jié)構(gòu)，借此調(diào)動學生專業(yè)學習的興趣；在學習C語言后，主要通過調(diào)試不同的程序、進程完成不同的任務，加強學生編程的能力和對算法的設計能力；完成任務過程中有時需要小組成員的共同配合，從而達到培養(yǎng)學生團隊合作的精神。我們在一年級第二學期開設了這門實驗課程。 “能力風暴”機器人以單片機為核心，配有紅外、超聲、光敏、碰撞傳感器，與喇叭、麥克風、驅(qū)動電機及電源等構(gòu)成一個簡易機器人。使用者可利用JVC語言在PC機上設計控制程序，將程序下載到機器人，機器人即可單獨運行。移動機器人設備既可供低年級學生進行《C程序設計》訓練，又給高年級學生作各種創(chuàng)新實驗提供了更大的空間。

    2．2 第二級實驗：第二級實驗是在多功能傳感器實驗臺、控制電機實驗裝置和自動控制學習機等裝置上進行，是配合經(jīng)典控制理論的課堂教學，主要涉及《自動化元件》、《自動控制原理》的有關內(nèi)容，要求學生在實踐中掌握傳感器、控制電機和自動控制原理中的有關知識，實驗重點包括掌握系統(tǒng)各元部件的特性的獲取；系統(tǒng)的動靜態(tài)誤差、穩(wěn)定性分析；系統(tǒng)的頻率特性和根軌跡分析；控制系統(tǒng)設計與校正等教學實驗內(nèi)容。目標是提高學生用時域和頻域方法分析系統(tǒng)的能力；通過實驗了解控制系統(tǒng)中各種傳感器、控制電機的特性、參數(shù)對系統(tǒng)瞬態(tài)性能及穩(wěn)定性能的影響；設計校正裝置滿足對系統(tǒng)性能指標的要求。同時學會使用Matlab 和Simulink現(xiàn)代仿真設計工具。

    2．3 第三級實驗：第三級實驗是在電烤箱溫度控制系統(tǒng)、多容水箱液位實驗裝置、旋轉(zhuǎn)倒立擺和一級直線倒立擺上進行，它包括兩部分：一部分是配合《計算機控制基礎》課程的課堂理論教學，其目標及要求是：使學生加深對課堂教學主要內(nèi)容的理解；增強對計算機控制系統(tǒng)的硬件和軟件基本結(jié)構(gòu)的感性認識；掌握計算機控制系統(tǒng)設計、調(diào)試、投運等方面的基本工程方法和技能；包括PID參數(shù)的工程整定，大林算法，smith預估器設計，及各種算法的實際調(diào)試等涉及《計算機控制基礎》的實驗教學內(nèi)容。另一部分是為配合《現(xiàn)代控制理論》的教學，以各種形式的倒立擺實驗裝置為控制對象，目標是：通過系統(tǒng)狀態(tài)方程的建立及其求解；系統(tǒng)能控性、能觀性和穩(wěn)定性分析；閉環(huán)極點配置和最優(yōu)控制問題及其求解；控制器參數(shù)的仿真設計和實驗調(diào)整，使學生能用現(xiàn)代控制理論的知識去解決實際控制問題。

    2．4 第四級實驗：第四級實驗也是在小功率隨動系統(tǒng)、電烤箱溫度控制系統(tǒng)、多容水箱液位實驗裝置、旋轉(zhuǎn)倒立擺和二級直線倒立擺上進行，但要增加難度，進行更高層次的綜合性實驗教學。主要是配合《控制系統(tǒng)設計》、《系統(tǒng)仿真》、《模糊控制理論及應用》、《過程控制系統(tǒng)》、《計算機網(wǎng)絡》、《最優(yōu)化方法及應用》等課程的實驗教學內(nèi)容。讓學生通過小功率隨動系統(tǒng)、或水箱液位、或溫度過程控制系統(tǒng)、或倒立擺控制系統(tǒng)的設計、綜合和調(diào)試，將控制理論的基本概念與電子線路、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器技術等知識有機結(jié)合起來，進行設計性、綜合性實驗。首先用工程實驗法獲取系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)對系統(tǒng)的性能指標要求，設計各種具有校正作用的控制器，以完成精確快速的控制任務。這級實驗課程的目標是讓學生用古典控制和現(xiàn)代控制理論的知識進行實際系統(tǒng)綜合實踐, 達到鞏固深化所學理論、進一步培養(yǎng)學生分析問題和解決實際問題的能力，特別是提高學生的系統(tǒng)綜合能力。這是學生將他們學到的知識用于解決理論和實際問題的重要實踐。

    四級實驗覆蓋了自動化學科實驗教學的相當大一部分內(nèi)容，能滿足本科生實驗教學的要求，為當代大學生提供了運用知識、施展才華、自主學習，努力創(chuàng)新的實踐平臺。

3 “系統(tǒng)與控制”四級實驗教學平臺的構(gòu)建

    在自動化實驗教學中心，對原有實驗我們選擇具有典型性、代表性的設備，進行自制和購置。本平臺建設的主體思想是自動化學科的人才培養(yǎng)必須堅持與工程實踐緊密結(jié)合。即要突出先進性和綜合性，又必須適應學生人數(shù)急劇膨脹帶來的教學實驗需求。具體實施時，各級實驗配備計算機，是以先進控制軟件和應用軟件為基礎，構(gòu)成系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、仿真、控制系統(tǒng)設計、常規(guī)控制、先進控制的軟件環(huán)境；以典型、有代表性的多種被控對象為核心，采用計算機控制，依托網(wǎng)絡系統(tǒng)，構(gòu)成模塊化的教學設備；軟件環(huán)境和硬件設備的有機結(jié)合，是系統(tǒng)與控制實驗教學平臺建設的最大特點。［1］其平臺結(jié)構(gòu)示意圖如下:

    本平臺構(gòu)筑了一個具有四個層次的實驗教學平臺；具有基礎性、綜合性、先進性、多用性和可發(fā)展性的四大特點。四級實驗系統(tǒng)具有硬件設備互補，資源共享、靈活易擴展的特色。同時具有因材施教、多樣化菜單式的實驗內(nèi)容，提供方式多樣化和選擇性，適合不同層次的工科類相關專業(yè)的學生個性化選擇、進行綜合性實驗，有利于培養(yǎng)面向市場需求的實用性人才，和培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力的高素質(zhì)人才的時代要求。這方面我們已通過本科生的畢業(yè)論文做了十幾年的工作，有很好的研究基礎。

    國內(nèi)各工科院校傳統(tǒng)的實驗教學幾乎全都是單科學習、分項實驗，因而各實驗課程之間缺乏聯(lián)系，系統(tǒng)性較差。四級實驗系統(tǒng)試圖改變這種狀況，智能機器人等設備是自控專業(yè)開設綜合性系統(tǒng)實驗的有效教學實驗設備，不僅技術含量高，而且具有可容納多項實驗、培養(yǎng)學生綜合工作能力的特點。學生通過實驗加深對基礎理論的理解，并通過靈活運用以獲得能力和素質(zhì)的提高。學生在實驗過程中增強了自信心，體驗了成功的快樂，明白了知識和經(jīng)驗能創(chuàng)造和提升價值，從而激發(fā)學生的求知欲，使學生樹立堅持不懈的求學精神，不斷發(fā)現(xiàn)新東西、得出新結(jié)論，并進一步付諸實際行動，提高綜合運用知識的能力。

    四級實驗系統(tǒng)力圖能夠體現(xiàn)教學內(nèi)容的時代特征、能夠體現(xiàn)教學方法及手段的現(xiàn)代化。給學生創(chuàng)造自主的進行實驗活動的環(huán)境，激發(fā)學生獨立思考、自主發(fā)揮、自主學習，將知識融會貫通，注重培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。

4 教學效果的評價

    在系統(tǒng)與控制四級實驗平臺上組織教學，已經(jīng)收到良好效果，大體歸納如下：
    4．1激發(fā)專業(yè)學習興趣 ：自動化涉及的行業(yè)非常廣泛，控制對象五花八門，我們只能挑選具有典型和代表性的裝置作為被控對象，例如倒立擺是現(xiàn)代控制理論與應用的最典型裝置；溫度和液位控制在過程控制中也是最具代表性的；機器人更是機電一體化和智能控制的結(jié)晶。四級實驗系統(tǒng)都有一些生動形象的物理裝置，它必然會引起學生學習興趣。尤其對興趣廣泛、思維活躍的當代學生來說，這無疑是一處發(fā)揮特長、挖掘潛力的領域。

    4．2 樹立系統(tǒng)工程概念：四級實驗系統(tǒng)打破了以往單科學習、分項實驗的舊模式，將《C程序設計》、《自動化元件》、《自動控制原理》、《控制系統(tǒng)設計》、《計算機控制基礎》《現(xiàn)代控制理論》《過程控制系統(tǒng)》《模糊控制理論及應用》實驗有機地聯(lián)系起來，形成一個具有代表性的系統(tǒng)工程。通過實驗，學生不僅可以加深對專業(yè)課程的理解；更有意義的是學生很自然地從系統(tǒng)工程的角度參與實驗，激勵學生自學相關內(nèi)容，拓寬知識面，尋找知識交叉點。

    4．3 培養(yǎng)獨立開展科學研究的能力：檢驗一個工科學生優(yōu)劣的一個重要方面是其動手解決實際問題能力的強弱。四級實驗系統(tǒng)為學生提供了強化動手實驗的良好環(huán)境，創(chuàng)造了動手機會，四級實驗系統(tǒng)用于專業(yè)的課程實驗中，成為學生們看得見摸得著的具體物理存在。通過實際測試元部件的時域和頻域特性，編制控制程序，獨立、系統(tǒng)、多方位地進行機電一體化專業(yè)訓練，培養(yǎng)了學生獨立從事科學研究和工程設計的能力，使學生在后續(xù)的工作中具有了更高的起點和更強的工作能力。

5 結(jié)論及今后的設想

    四級實驗的開設，已在我校本科生中實施了三年，取得了良好的教學效果；三個年級的本科生在本實驗中心完成了大學生研究計劃；八屆60多名本科生在本實驗教學環(huán)境里，做了許多設計性、創(chuàng)新性實驗研究，完成了畢業(yè)論文工作。本系師生在該教學實驗平臺上進行了許多研究工作，正式發(fā)表有關實驗教學內(nèi)容的論文12篇。

    由于系統(tǒng)與控制四級實驗平臺具有分布式結(jié)構(gòu)、靈活易擴展。可進一步增加或更新實驗內(nèi)容。我們打算增加通信技術、網(wǎng)絡化控制專題、智能機器人控制、嵌入式系統(tǒng)設計等綜合性、設計性、研究性、探索性實驗課程。給學生創(chuàng)造自主的進行實驗活動的環(huán)境。本專業(yè)爭取在今后兩年內(nèi)側(cè)重于建全和完善現(xiàn)有的四級實驗教學設備，實驗內(nèi)容和實驗教學指導書等基本建設，籌建新的硬件實驗室，兩年后將重心轉(zhuǎn)移到更新實驗教學觀念、加強基本訓練、著重能力培養(yǎng)、強化創(chuàng)新意識，來構(gòu)建新的實驗教學體系。

[參考文獻]

[1]魏衡華，