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1  問題的提出

    創新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力。在知識經濟時代，能對社會進步起到決定作用的只能是創新性人才。創新性人才不僅指那些能搞發明創造的名家、巨匠，更重要的是指那些具有創新意識、創新能力和創新人格的人。任何一個正常人都有創造潛能，都有可能成為創新型人才。創新型人才的培養需要創新教育，創新教育的主要任務應該包括三個方面：一是激發受教育者的創新意識，包括創新意向、興趣和積極性以及創新的方向、目的；二是訓練每一個受教育者的創新才能，提高其創造思維和創造實踐能力；三是培養受教育者的創造個性。實踐教學作為培養學生的重要環節，在創新型的人才的培養中起著重要的作用。

2  針對系統和控制的創新實驗課群的建立

    自動化學科專業是一門多學科交叉的高技術學科專業，自動化學科覆蓋面非常廣，層次跨度非常大。但其理論基礎仍然是控制論、系統論、信息論，特別是控制論和系統論。系統和控制是自動化學科專業的核心。系統和控制是自動化學科專業區別于其它學科的最大特點，更是自動化學科專業對其他多個學科技術發展所作的重要貢獻所在。自動化學科專業的人才既要有控制的思想，又要了解對象，更要有系統的觀念。因此，培養自動化學科專業的學生，關鍵是要培養學生系統的觀念、系統的方法，培養學生確立控制的思想。控制的核心概念是反饋，反饋閉環控制是自動控制最基本、最常用的形式，而系統是指相互關聯、互相制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。系統的性能主要取決于系統中各部分或各子系統間的配合與協調。對整個系統的控制不能簡單地看作個部分或各子系統的控制，而必須是在綜合考慮部分或子系統的控制及相互間的作用以及整個系統的更高層次的控制，這便是系統的觀念和方法。

    自動化學科專業的特點是強調學生系統觀念和控制思想的培養。培養學生確立系統的觀念，將使學生具有較強的全面分析問題的能力和協調解決問題的能力；培養學生確立控制的思想，將使學生具有較強的駕馭工作的能力。從自動化學科專業的學科特點看，培養學生系統和控制的觀點，既是學科專業的特點所決定的，也是培養學生綜合能力從而培養創新型人才的基本要求。自動化學科專業是強調理論和實踐統一的應用型學科專業，純粹的理論教學很難全面培養學生系統的觀念和控制的思想。必須堅持理論與實踐的統一，加強實踐教學，特別是要加強針對系統和控制的綜合性、設計性和研究性實踐訓練。

    在以往的碩士研究生和博士研究生課程教學中，往往以理論為主，或者只有理論教學。而控制科學與工程學科專業的研究生的原有知識結構差異很大，根據專業方向的不同，研究生的研究課題也有純控制理論研究，具有工程背景的應用研究，控制單元研究，控制系統研究等等不同。也就是說，部分研究生在研究生學習階段得不到試驗能力的訓練、實驗研究能力的訓練、系統實驗和系統控制的訓練。即使從事具有工程背景的應用研究的學生，雖然在結合科研的學位論文階段通過參加導師的研究項目的實踐，使學生能夠得到充分的鍛煉，但由于目前研究生人數的大量增加，以及導師的課題一般具有一定的片面性，從而使培養出來的部分研究生的實踐能力往往非常缺乏，實驗研究能力更加缺乏。為此，我校自動控制系在培養方案的制定上將實驗環節列入碩士研究生和博士研究生課程培養中，開設了名為“高等自動控制系統實驗”的實踐性課程，作為碩士學位選修課，開設了名為“控制科學實踐”的實踐性課程，作為博士研究生的學位課。兼顧本科一般的實踐性教學環節，重點建立和實施了本碩博一體化的針對系統和控制的創新實驗課群。以培養學生的系統觀和控制觀，培養學生的實驗系統設計和研究能力，培養學生的創新能力。一體化包括培養方案制定的一體化，實驗裝置利用的一體化，實驗設計思路的一體化，實驗室管理的一體化，實驗指導的一體化等。

3  創新實驗裝置的選擇

    在實驗裝置的選擇上，全部選擇系統級的實驗裝置，并注意選用最新、最先進的試驗系統和試驗裝置作為典型的控制試驗系統。

    例如，由DSP作為控制器構成的運動控制系統，采用DCS和FCS控制的過程控制系統，可以進行運動控制、順序控制、群控策略、遠程監控綜合實驗、分布式網絡控制綜合實驗以及嵌入式系統設計綜合實驗的電梯單控及群控系統，典型的非線性、強耦合、多變量的不穩定系統―倒立擺系統，具有大滯后特性的多變量爐溫控制系統。還有機器人控制系統，數據采集系統，集散控制系統，流體傳動控制系統，電氣傳動控制系統，可編程控制器典型應用等等。

    DSP控制器及其構成的運動控制系統，主要包括以DSP為控制核心的全數字化運動控制平臺、采用智能模塊的功率變換器、多功能實驗機組、相關軟件控制平臺，以及相關外圍設備。該實驗系統有一個非常優秀的軟件控制平臺，不僅提供了豐富的應用控制例程，可以讓學生非常容易地利用模塊化軟件控制例程搭建自己的應用程序，而且有一個專門系統調試軟件。該系統調試軟件，可以讓學生了解實時變化的DSP內部運行的所有變量，而且可以在線對變量進行調整。這樣可以讓學生更加深刻地了解DSP以及數字控制的原理。使復雜的微處理器的內部透明化。不僅可以提高學生實驗的興趣，而且可以激發學生的靈感和創造性。

    過程控制實驗裝置是由一組三層水箱和一個電熱鍋爐組成完整的被控過程對象，和由DCS、PLC和智能控制儀表組成的控制系統，共同組成的模擬整套工業過程控制系統（包括對象）的小型試驗裝置。整套被控對象中包含了三個串接的水箱，以及配套的變頻控制水泵、電動調節閥、液位變送器、流量變送器、壓力變送器等；包含了一個電熱鍋爐，以及盤繞在鍋爐外的盤管以模擬大純滯后過程。整個被控對象比較典型地代表了多數工業實際流程的特性。對象包含了一個典型的三階過程，并且能夠實現時間常數的調整和模擬時變特性的功能；包含了典型的串級控制對象、配比控制對象以及前饋回路，適于組合成一定復雜程度的控制回路或被控對象；控制回路之間還存在一定程度的耦合性，適于建立解耦控制；具有大滯后特性的溫度被控對象和大純滯后模擬對象（盤管）；調節閥的非線性特性也提供了一定的非線性模型。因此整個被控對象的特性相對比較完整，通過組合和調整，能夠模擬出大量不同形式的復雜被控對象特性，從而可以設計出各種實驗，進行現代先進的控制理論試驗研究。

4  實驗裝置的綜合利用

    在實驗裝置的利用上，大部分實驗系統、實驗裝置可以兼顧本、碩、博三個層次的實驗課的要求。

    例如，電梯單控和電梯群控實驗系統，由4套虛擬電梯模型、4套實物電梯模型、交通流發生器、電梯群控單元和監視單元組成。虛擬電梯由一臺PC機，一塊數據通信卡，一臺PLC組成。PC機模擬電梯的轎廂和井道，PLC作為電梯的控制器，通訊卡作為PLC、PC機和監視單元的通信橋梁。群控系統由4套虛擬電梯、群控器和一個交通流發生器組成。系統運行時由交通流發生器產生特定的交通流，由群控器完成群控調度，由4套虛擬電梯實時接收調度信號并運行顯示，系統運行完畢后由分析軟件給出相應的分析結果，通過CAN總線進行數據的交換。群控系統的主要功能是根據交通流發生器產生的交通流，調用嵌入的群控算法對虛擬電梯進行動態調度，然后利用性能分析器對調度結果進行分析，得出系統的各項性能指標，從而對嵌入的群控算法進行評價。監視單元通過現場總線實時監視四套虛擬電梯模型和四套實物電梯模型的運行，對所有的電梯模型的運行進行數據管理、統計分析以及故障報警等。本科生可以利用該實驗平臺進行運動控制、順序控制、現場總線通訊等設計性、綜合性實驗。碩士生可以利用該實驗平臺進行運動控制、網絡控制、遠程監控、群控調度等研究性實驗。博士生可以進行群控策略、網絡控制等先進控制策略的更深層次的研究性實驗。

    針對倒立擺系統，可分別用經典控制理論設計控制器（如PID控制器），用現代控制理論設計控制器（如最優控制器），用智能控制理論設計控制器（如神經元控制器），等多個層次來分析比較控制性能，優化控制器控制策略，最終達到倒立擺穩定倒立的目的，以此研究運動系統的穩定性與控制策略等。

5  創新實驗的實驗方法和內容

    在創新性實驗課群的實驗內容、方法的設計思路上，本科生設立以設計性、綜合性為主的控制系統實驗選修課課群。碩士生設立以研究性實驗為主和系統分析設計為輔的針對系統和控制的實踐性學位課選修實驗課群。博士生設立了以深入研究型實驗為主的針對系統和控制的實踐性學位課必修課實驗課群。碩士生層次的實驗課群為優秀本科生開放。博士生層次的實驗課群為優秀碩士生開放。

    以培養系統的觀念、確立控制的思想為主線確定實驗方法。具體針對DSP運動控制系統的典型實驗課方式和指導步驟如下。首先，通過課堂講解讓學生從系統的高度來了解全數字化運動控制系統的組成，了解各個子系統之間的相互關系以及性能要求。讓學生結合實物掌握控制單元、功率變換單元、仿真接口單元，實驗機組、信號采集與轉換單元、外圍控制接口單元、軟件控制平臺等的功能和使用調試方法。第二，通過課堂講解讓學生針對實驗系統了解DSP的基本工作原理，以及所有外圍設備的工作過程，以及與編程有關的知識。并且讓學生掌握全數字化運動控制系統控制軟件的開發流程以及相關注意事項和軟、硬件調試方法。第三，指導學生自己搭建相應的實驗系統，包括軟件、硬件的初步調試，并利用軟件例程熟悉前面所講述的實驗方法。讓學生將理論和實踐有機地結合起來。第四，結合學生的先修課程講述相關運動控制系統的控制策略和控制算法。并讓學生利用軟件例程搭建并實現自己的控制算法，以提高系統的控制性能。第五，在學生對系統熟練掌握的基礎上進行開放性實驗，只要學生提出自己的實驗方法、控制策略和實驗目標，經過指導教師的認可，就可以獨立或者以小組團隊的形式進行探索性實驗研究。這樣不僅可以給學生創造一個開放的、寬松的、激發潛能的實驗環境，而且可以大大提高學生學習的積極性，使學生不再抱怨不知道所學的知識究竟能夠應用到什么地方。由于該實驗系統可以承載的系統實驗完全可以跟蹤世界上運動控制領域的最新前沿，因此，只要學生感興趣，肯鉆研和探索，實驗可以不斷深入下去，甚至可以作為學生研究課題的一個重要部分。

6  創新實驗的指導和管理

    在實驗的指導和實驗實管理上，各相關實驗項目由具有較強工程背景并具有博士學位的教授、優秀副教授負責。并強調實施博導、教授對優秀本科生和研究性創新實驗的指導。每位責任教師負責他的研究領域相關的實驗系統，結合他的研究經驗、研究成果進行課程實驗的內容選擇、實驗方式的設計，主講實驗課并指導實驗。而實驗室實驗員協助指導實驗和管理實驗室和實驗設備，在提高實驗水平的同時，提高了實驗員的技術水平。同時，由于研究生進行了同一實驗系統高一層次的創新實驗，由研究生參與開發和協助指導相應實驗系統本科生的創新實驗，并作為教學實踐環節之一。既鍛煉了研究生的能力，又解決了目前實驗室人員的緊缺的問題和實驗室人員整體層次低的問題。

    長期以來，實驗室教學的重要地位沒有得到真正體現，造成了高水平、高學歷的教師上講臺、搞科研、指導研究生，學歷、職稱較低的教師才去指導實驗。實驗課指導教師一般學歷低、專業知識比較單一，垮學科知識薄弱。而實際上，隨著實驗教學環節在人才培養中日益突現重要地位，實驗設備的高科技含量不斷提高，特別是系統級的實驗設備及研究型、設計性實驗的開設，對實驗指導教師的綜合素質的要求也越來越高，只有具有扎實理論功底和豐富科研實踐經驗的教師才能在教學過程中，不但傳授書本知識，而且能把自己從事研究的經驗滲透到教學中，給學生以及時而正確的指導，進而培養學生發現問題、提出問題和解決問題的意識、觀念和能力，引導學生進行創新性思維，激發學生的創新精神。

    負責實驗其中的一位教師，從事高等教育工作之前曾經在某研究所進行為期5年時間的飛機設計工作，后在清華大學博士后流動站從事運動控制方面的研究工作，積累了豐富的科研工作的實踐經驗。進入北京理工大學任教后，負責了多個項目的研究工作，擔任了本科生和研究生專業課教學工作，在課堂教學和實驗教學內容上豐富和生動，學生反映極好。負責實驗的另一位教師，獲得工學博士學位后，在北京清華紫光公司從事過程控制，智能控制，自適應控制，復雜系統建模等方面的研究工作。以項目負責人和主要完成人承擔并完成橫向科研攻關項目十幾項。曾參加國家“九五”攻關項目并獲國家科技進步二等獎。到北京理工大學任教后，承擔博士生課程一門，本科生課程一門。指導實驗的另一位老師，四年前本科畢業后進入實驗室工作。經過協助指導創新實驗課程，在實驗水平上提高很快，而且，學習了很多新的知識、擴寬了視野，工作的積極性也有很大的提高。通過參加指導本科生創新實驗，研究生的實驗能力有了進一步的提高。

7  結論

    自動化學科專業本碩博一體化的創新實踐課群已經實施一屆。經過該課程的學習，學生的實驗研究能力，創新能力得到了很大的提高，反映在學生對實驗的興趣大大增加，研究生進入論文研究階段進入角色很快，研究論文的質量不斷提高。同時，隨著社會對創新型人才的渴望和需求日益增強，許多學生也認識到了培養創新能力的重要性。而系統觀和控制觀的培養又是培養學生創造能力的一個基礎，學生通過該課程的學習將專業理論知識更好地與實際應用相結合。不僅鍛煉了學生的科研能力和創新能力，而且讓學生逐漸培養起了全局觀與系統觀，使學生有機會從整個系統的角度觀察問題、思考問題、解決問題。為將來走向工作崗位承接和完成更重要的、更大的任務打下了堅實的基礎，使學生更加有信心面向未來就業的挑戰。

    建立和實施本碩博一體化的針對系統和控制的創新實驗課群，可以培養學生的系統觀和控制觀，培養學生的實驗系統設計和研究能力，培養學生的創新能力。博導、教授、優秀的副教授為主，實驗員、研究生協助指導的方式，在提高創新實驗水平的同時，提高了實驗員的技術水平，鍛煉了研究生的能力，同時解決了目前實驗室人員緊缺和實驗室人員整體層次偏低的問題。

[參考文獻]

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