1 实验平台建设的背景和指导思想

    我校自动化系的学生，进校时，对自动化以及工业控制的应用前景、本专业知识面的广博和贯通性不甚了解；客观的说来，低年级学生没有传感器、执行器方面的知识，许多实验做不了；高年级学生虽然学习了许多书本知识，但动手实验较少，许多知识停留在书本上；还有部分学生又面临考G、考托和考研，对做实验不够重视。这样形成了理论和实际脱节严重的状况，专业学习的兴趣和潜力没能得到有效的引导和开发。在科技发展突飞猛进的今天，社会对自动化学科的本科生提出更高的要求。高水平大学建设也要求科大的本科生应具有更坚实的理论知识、更强的动手和解决实际问题的能力。如何培养符合时代要求的创新人才？教学改革若没有配套的教学实验和实验设备为基础，就会独木难撑。必须改善实验技术和实验条件，形成“理论教育、实践教育”并重，加强培养学生的实践能力，全面推进素质教育，迎接市场经济的挑战。我们从自动化学科发展态势出发，抓住教学思想更新、教学内容及课程体系改革这一核心，围绕主干课程建立了系统与控制四级实验教学体系，分层次、分级别组织本科生实验教学。由低到高，由浅到深、从基础性到设计性、综合性实验分步进行自动化学科本科生的人才培养。主要思路是：压缩课时，保留必要的基础性实验，精简内容单一的验证性实验，增加知识面广的综合性、设计性和创新性实验，彻底打破了按各自课程设立实验装置的框框。取消各门课程设立的实验，设置统一的独立实验课，即构筑具有典型性、代表性的被控对象与计算机构成的四级实验系统。“211”和“985”工程的教学建设投资，为改变我系实验室的状况，使教学实验上台阶，达到高水平目标创造了条件。“系统与控制”四级实验平台就是在这样的背景推出的。

    这几年，我们为建立“系统与控制”四级实验教学平台已经做了大量的工作，主要有以下几点：
    1．1 对原有实验体系进行科学、合理的调整和重组，即：将原单片机实验室、技能训练实验室和控制电机实验室并入“系统与控制实验室”。后来又把“智能信息处理实验室”与“系统与控制实验室”合并，建立了自动化实验教学中心。以控制理论、控制工程为基础，将自动控制技术、检测元件、执行机构、被控对象、先进控制与优化、智能信息处理等教学研究内容融为一体，建立了四级实验教学平台。各级实验已打破按各自课程设立实验装置的框框。而将实验装置为多门课程服务，既可单独为各自课程开设实验，又可做符合现代工业、科学技术水平要求的综合性系统实验。［1］

    1．2 实验教学与科研相融合：为了将前沿科学，新技术及时传授给学生，必须使科研与教学密切结合，将科研成果转化成教学实验设备。自主开发、研制的电烤箱温度控制系统和自行设计、外加工制做的双容液位计算机控制系统［2］设计中的许多设计思想，来自我们在工业过程控制领域中取得的各种科研成果，将最新的科研成果与技术反映在实验课程教学内容中，如把模糊控制、预测控制等先进的过程控制算法引进到实验研究内容中。这对于促进专业实验的改革，将高水平的科研成果转化为高水平的教学实验是一种有益的尝试。

    1．3 采取多种方式，研究、建设实验教学平台：我们根据现有的设备和自制设备，采用如下方式开发出高层次高档次的实验内容出来，一是年青教员投入，二是研究生开发实验算作“助教”，三是利用本科生做毕业论文和大学生研究计划来开发新的实验内容。这样不断用自动化学科前沿研究成果来充实实验教学的内容，我们实现了单级摆、二级摆、二轮小车倒立摆和平行摆的计算机控制，［3］［4］［5］

2 “系统与控制”的四级实验课程设置

    自动化系近年来开设了“系统与控制”四级实验课程，对自动化系列实验课程体系进行了大胆的改革、探索和实践。一级实验的对象为低年级学生，在学习完成C语言课程后，学生自己动手编制驱动机器人行走控制程序，帮助学生得到自动控制的感性认识，增强了对专业的兴趣；二级和三级实验属于典型的主干课程实验，能够体现自动控制的基本思想和方法；四级实验课程为综合设计性实验课程，实验的对象为高年级学生，由学生自主地建立控制系统环境并自主发挥，独立思考，系统地设计和解决一系列控制问题。

    各级实验内容和目标如下：［6］

    2．1 第一级实验：第一级实验为机器人教学器材编程控制，使用“能力风暴”机器传感器、伺服电机的工作特点，初步了解机器人的结构，借此调动学生专业学习的兴趣；在学习C语言后，主要通过调试不同的程序、进程完成不同的任务，加强学生编程的能力和对算法的设计能力；完成任务过程中有时需要小组成员的共同配合，从而达到培养学生团队合作的精神。我们在一年级第二学期开设了这门实验课程。 “能力风暴”机器人以单片机为核心，配有红外、超声、光敏、碰撞传感器，与喇叭、麦克风、驱动电机及电源等构成一个简易机器人。使用者可利用JVC语言在PC机上设计控制程序，将程序下载到机器人，机器人即可单独运行。移动机器人设备既可供低年级学生进行《C程序设计》训练，又给高年级学生作各种创新实验提供了更大的空间。

    2．2 第二级实验：第二级实验是在多功能传感器实验台、控制电机实验装置和自动控制学习机等装置上进行，是配合经典控制理论的课堂教学，主要涉及《自动化元件》、《自动控制原理》的有关内容，要求学生在实践中掌握传感器、控制电机和自动控制原理中的有关知识，实验重点包括掌握系统各元部件的特性的获取；系统的动静态误差、稳定性分析；系统的频率特性和根轨迹分析；控制系统设计与校正等教学实验内容。目标是提高学生用时域和频域方法分析系统的能力；通过实验了解控制系统中各种传感器、控制电机的特性、参数对系统瞬态性能及稳定性能的影响；设计校正装置满足对系统性能指标的要求。同时学会使用Matlab 和Simulink现代仿真设计工具。

    2．3 第三级实验：第三级实验是在电烤箱温度控制系统、多容水箱液位实验装置、旋转倒立摆和一级直线倒立摆上进行，它包括两部分：一部分是配合《计算机控制基础》课程的课堂理论教学，其目标及要求是：使学生加深对课堂教学主要内容的理解；增强对计算机控制系统的硬件和软件基本结构的感性认识；掌握计算机控制系统设计、调试、投运等方面的基本工程方法和技能；包括PID参数的工程整定，大林算法，smith预估器设计，及各种算法的实际调试等涉及《计算机控制基础》的实验教学内容。另一部分是为配合《现代控制理论》的教学，以各种形式的倒立摆实验装置为控制对象，目标是：通过系统状态方程的建立及其求解；系统能控性、能观性和稳定性分析；闭环极点配置和最优控制问题及其求解；控制器参数的仿真设计和实验调整，使学生能用现代控制理论的知识去解决实际控制问题。

    2．4 第四级实验：第四级实验也是在小功率随动系统、电烤箱温度控制系统、多容水箱液位实验装置、旋转倒立摆和二级直线倒立摆上进行，但要增加难度，进行更高层次的综合性实验教学。主要是配合《控制系统设计》、《系统仿真》、《模糊控制理论及应用》、《过程控制系统》、《计算机网络》、《最优化方法及应用》等课程的实验教学内容。让学生通过小功率随动系统、或水箱液位、或温度过程控制系统、或倒立摆控制系统的设计、综合和调试，将控制理论的基本概念与电子线路、执行机构、传感器技术等知识有机结合起来，进行设计性、综合性实验。首先用工程实验法获取系统的数学模型，根据对系统的性能指标要求，设计各种具有校正作用的控制器，以完成精确快速的控制任务。这级实验课程的目标是让学生用古典控制和现代控制理论的知识进行实际系统综合实践, 达到巩固深化所学理论、进一步培养学生分析问题和解决实际问题的能力，特别是提高学生的系统综合能力。这是学生将他们学到的知识用于解决理论和实际问题的重要实践。

    四级实验覆盖了自动化学科实验教学的相当大一部分内容，能满足本科生实验教学的要求，为当代大学生提供了运用知识、施展才华、自主学习，努力创新的实践平台。

3 “系统与控制”四级实验教学平台的构建

    在自动化实验教学中心，对原有实验我们选择具有典型性、代表性的设备，进行自制和购置。本平台建设的主体思想是自动化学科的人才培养必须坚持与工程实践紧密结合。即要突出先进性和综合性，又必须适应学生人数急剧膨胀带来的教学实验需求。具体实施时，各级实验配备计算机，是以先进控制软件和应用软件为基础，构成系统建模、系统分析、仿真、控制系统设计、常规控制、先进控制的软件环境；以典型、有代表性的多种被控对象为核心，采用计算机控制，依托网络系统，构成模块化的教学设备；软件环境和硬件设备的有机结合，是系统与控制实验教学平台建设的最大特点。［1］其平台结构示意图如下:

    本平台构筑了一个具有四个层次的实验教学平台；具有基础性、综合性、先进性、多用性和可发展性的四大特点。四级实验系统具有硬件设备互补，资源共享、灵活易扩展的特色。同时具有因材施教、多样化菜单式的实验内容，提供方式多样化和选择性，适合不同层次的工科类相关专业的学生个性化选择、进行综合性实验，有利于培养面向市场需求的实用性人才，和培养具有创新精神、实践能力的高素质人才的时代要求。这方面我们已通过本科生的毕业论文做了十几年的工作，有很好的研究基础。

    国内各工科院校传统的实验教学几乎全都是单科学习、分项实验，因而各实验课程之间缺乏联系，系统性较差。四级实验系统试图改变这种状况，智能机器人等设备是自控专业开设综合性系统实验的有效教学实验设备，不仅技术含量高，而且具有可容纳多项实验、培养学生综合工作能力的特点。学生通过实验加深对基础理论的理解，并通过灵活运用以获得能力和素质的提高。学生在实验过程中增强了自信心，体验了成功的快乐，明白了知识和经验能创造和提升价值，从而激发学生的求知欲，使学生树立坚持不懈的求学精神，不断发现新东西、得出新结论，并进一步付诸实际行动，提高综合运用知识的能力。

    四级实验系统力图能够体现教学内容的时代特征、能够体现教学方法及手段的现代化。给学生创造自主的进行实验活动的环境，激发学生独立思考、自主发挥、自主学习，将知识融会贯通，注重培养学生分析和解决问题的能力。

4 教学效果的评价

    在系统与控制四级实验平台上组织教学，已经收到良好效果，大体归纳如下：
    4．1激发专业学习兴趣 ：自动化涉及的行业非常广泛，控制对象五花八门，我们只能挑选具有典型和代表性的装置作为被控对象，例如倒立摆是现代控制理论与应用的最典型装置；温度和液位控制在过程控制中也是最具代表性的；机器人更是机电一体化和智能控制的结晶。四级实验系统都有一些生动形象的物理装置，它必然会引起学生学习兴趣。尤其对兴趣广泛、思维活跃的当代学生来说，这无疑是一处发挥特长、挖掘潜力的领域。

    4．2 树立系统工程概念：四级实验系统打破了以往单科学习、分项实验的旧模式，将《C程序设计》、《自动化元件》、《自动控制原理》、《控制系统设计》、《计算机控制基础》《现代控制理论》《过程控制系统》《模糊控制理论及应用》实验有机地联系起来，形成一个具有代表性的系统工程。通过实验，学生不仅可以加深对专业课程的理解；更有意义的是学生很自然地从系统工程的角度参与实验，激励学生自学相关内容，拓宽知识面，寻找知识交叉点。

    4．3 培养独立开展科学研究的能力：检验一个工科学生优劣的一个重要方面是其动手解决实际问题能力的强弱。四级实验系统为学生提供了强化动手实验的良好环境，创造了动手机会，四级实验系统用于专业的课程实验中，成为学生们看得见摸得着的具体物理存在。通过实际测试元部件的时域和频域特性，编制控制程序，独立、系统、多方位地进行机电一体化专业训练，培养了学生独立从事科学研究和工程设计的能力，使学生在后续的工作中具有了更高的起点和更强的工作能力。

5 结论及今后的设想

    四级实验的开设，已在我校本科生中实施了三年，取得了良好的教学效果；三个年级的本科生在本实验中心完成了大学生研究计划；八届60多名本科生在本实验教学环境里，做了许多设计性、创新性实验研究，完成了毕业论文工作。本系师生在该教学实验平台上进行了许多研究工作，正式发表有关实验教学内容的论文12篇。

    由于系统与控制四级实验平台具有分布式结构、灵活易扩展。可进一步增加或更新实验内容。我们打算增加通信技术、网络化控制专题、智能机器人控制、嵌入式系统设计等综合性、设计性、研究性、探索性实验课程。给学生创造自主的进行实验活动的环境。本专业争取在今后两年内侧重于建全和完善现有的四级实验教学设备，实验内容和实验教学指导书等基本建设，筹建新的硬件实验室，两年后将重心转移到更新实验教学观念、加强基本训练、着重能力培养、强化创新意识，来构建新的实验教学体系。

[参考文献]

[1]魏衡华，