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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，對自動化以及工業控制的應用前景、本專業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嚴重的狀況，專業學習的興趣和潛力沒能得到有效的引導和開發。在科技發展突飛猛進的今天，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。如何培養符合時代要求的創新人才？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，加強培養學生的實踐能力，全面推進素質教育，迎接市場經濟的挑戰。我們從自動化學科發展態勢出發，抓住教學思想更新、教學內容及課程體系改革這一核心，圍繞主干課程建立了系統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。主要思路是：壓縮課時，保留必要的基礎性實驗，精簡內容單一的驗證性實驗，增加知識面廣的綜合性、設計性和創新性實驗，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，設置統一的獨立實驗課，即構筑具有典型性、代表性的被控對象與計算機構成的四級實驗系統。“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，達到高水平目標創造了條件。“系統與控制”四級實驗平臺就是在這樣的背景推出的。

    這幾年，我們為建立“系統與控制”四級實驗教學平臺已經做了大量的工作，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“系統與控制實驗室”。后來又把“智能信息處理實驗室”與“系統與控制實驗室”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、執行機構、被控對象、先進控制與優化、智能信息處理等教學研究內容融為一體，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，又可做符合現代工業、科學技術水平要求的綜合性系統實驗。［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合，將科研成果轉化成教學實驗設備。自主開發、研制的電烤箱溫度控制系統和自行設計、外加工制做的雙容液位計算機控制系統［2］設計中的許多設計思想，來自我們在工業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容中。這對于促進專業實驗的改革，將高水平的科研成果轉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：我們根據現有的設備和自制設備，采用如下方式開發出高層次高檔次的實驗內容出來，一是年青教員投入，二是研究生開發實驗算作“助教”，三是利用本科生做畢業論文和大學生研究計劃來開發新的實驗內容。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容，我們實現了單級擺、二級擺、二輪小車倒立擺和平行擺的計算機控制，［3］［4］［5］

2 “系統與控制”的四級實驗課程設置

    自動化系近年來開設了“系統與控制”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環境并自主發揮，獨立思考，系統地設計和解決一系列控制問題。

    各級實驗內容和目標如下：［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構，借此調動學生專業學習的興趣；在學習C語言后，主要通過調試不同的程序、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、驅動電機及電源等構成一個簡易機器人。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各元部件的特性的獲取；系統的動靜態誤差、穩定性分析；系統的頻率特性和根軌跡分析；控制系統設計與校正等教學實驗內容。目標是提高學生用時域和頻域方法分析系統的能力；通過實驗了解控制系統中各種傳感器、控制電機的特性、參數對系統瞬態性能及穩定性能的影響；設計校正裝置滿足對系統性能指標的要求。同時學會使用Matlab 和Simulink現代仿真設計工具。

    2．3 第三級實驗：第三級實驗是在電烤箱溫度控制系統、多容水箱液位實驗裝置、旋轉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容的理解；增強對計算機控制系統的硬件和軟件基本結構的感性認識；掌握計算機控制系統設計、調試、投運等方面的基本工程方法和技能；包括PID參數的工程整定，大林算法，smith預估器設計，及各種算法的實際調試等涉及《計算機控制基礎》的實驗教學內容。另一部分是為配合《現代控制理論》的教學，以各種形式的倒立擺實驗裝置為控制對象，目標是：通過系統狀態方程的建立及其求解；系統能控性、能觀性和穩定性分析；閉環極點配置和最優控制問題及其求解；控制器參數的仿真設計和實驗調整，使學生能用現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、電烤箱溫度控制系統、多容水箱液位實驗裝置、旋轉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《控制系統設計》、《系統仿真》、《模糊控制理論及應用》、《過程控制系統》、《計算機網絡》、《最優化方法及應用》等課程的實驗教學內容。讓學生通過小功率隨動系統、或水箱液位、或溫度過程控制系統、或倒立擺控制系統的設計、綜合和調試，將控制理論的基本概念與電子線路、執行機構、傳感器技術等知識有機結合起來，進行設計性、綜合性實驗。首先用工程實驗法獲取系統的數學模型，根據對系統的性能指標要求，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代控制理論的知識進行實際系統綜合實踐, 達到鞏固深化所學理論、進一步培養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，努力創新的實踐平臺。

3 “系統與控制”四級實驗教學平臺的構建

    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必須堅持與工程實踐緊密結合。即要突出先進性和綜合性，又必須適應學生人數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，構成系統建模、系統分析、仿真、控制系統設計、常規控制、先進控制的軟件環境；以典型、有代表性的多種被控對象為核心，采用計算機控制，依托網絡系統，構成模塊化的教學設備；軟件環境和硬件設備的有機結合，是系統與控制實驗教學平臺建設的最大特點。［1］其平臺結構示意圖如下:

    本平臺構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、多用性和可發展性的四大特點。四級實驗系統具有硬件設備互補，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的學生個性化選擇、進行綜合性實驗，有利于培養面向市場需求的實用性人才，和培養具有創新精神、實踐能力的高素質人才的時代要求。這方面我們已通過本科生的畢業論文做了十幾年的工作，有很好的研究基礎。

    國內各工科院校傳統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系，系統性較差。四級實驗系統試圖改變這種狀況，智能機器人等設備是自控專業開設綜合性系統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，明白了知識和經驗能創造和提升價值，從而激發學生的求知欲，使學生樹立堅持不懈的求學精神，不斷發現新東西、得出新結論，并進一步付諸實際行動，提高綜合運用知識的能力。

    四級實驗系統力圖能夠體現教學內容的時代特征、能夠體現教學方法及手段的現代化。給學生創造自主的進行實驗活動的環境，激發學生獨立思考、自主發揮、自主學習，將知識融會貫通，注重培養學生分析和解決問題的能力。

4 教學效果的評價

    在系統與控制四級實驗平臺上組織教學，已經收到良好效果，大體歸納如下：
    4．1激發專業學習興趣 ：自動化涉及的行業非常廣泛，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晶。四級實驗系統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，這無疑是一處發揮特長、挖掘潛力的領域。

    4．2 樹立系統工程概念：四級實驗系統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》、《控制系統設計》、《計算機控制基礎》《現代控制理論》《過程控制系統》《模糊控制理論及應用》實驗有機地聯系起來，形成一個具有代表性的系統工程。通過實驗，學生不僅可以加深對專業課程的理解；更有意義的是學生很自然地從系統工程的角度參與實驗，激勵學生自學相關內容，拓寬知識面，尋找知識交叉點。

    4．3 培養獨立開展科學研究的能力：檢驗一個工科學生優劣的一個重要方面是其動手解決實際問題能力的強弱。四級實驗系統為學生提供了強化動手實驗的良好環境，創造了動手機會，四級實驗系統用于專業的課程實驗中，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、多方位地進行機電一體化專業訓練，培養了學生獨立從事科學研究和工程設計的能力，使學生在后續的工作中具有了更高的起點和更強的工作能力。

5 結論及今后的設想

    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境里，做了許多設計性、創新性實驗研究，完成了畢業論文工作。本系師生在該教學實驗平臺上進行了許多研究工作，正式發表有關實驗教學內容的論文12篇。

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

[參考文獻]

[1]魏衡華，