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1  问题的提出

    创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。在知识经济时代，能对社会进步起到决定作用的只能是创新性人才。创新性人才不仅指那些能搞发明创造的名家、巨匠，更重要的是指那些具有创新意识、创新能力和创新人格的人。任何一个正常人都有创造潜能，都有可能成为创新型人才。创新型人才的培养需要创新教育，创新教育的主要任务应该包括三个方面：一是激发受教育者的创新意识，包括创新意向、兴趣和积极性以及创新的方向、目的；二是训练每一个受教育者的创新才能，提高其创造思维和创造实践能力；三是培养受教育者的创造个性。实践教学作为培养学生的重要环节，在创新型的人才的培养中起着重要的作用。

2  针对系统和控制的创新实验课群的建立

    自动化学科专业是一门多学科交叉的高技术学科专业，自动化学科覆盖面非常广，层次跨度非常大。但其理论基础仍然是控制论、系统论、信息论，特别是控制论和系统论。系统和控制是自动化学科专业的核心。系统和控制是自动化学科专业区别于其它学科的最大特点，更是自动化学科专业对其他多个学科技术发展所作的重要贡献所在。自动化学科专业的人才既要有控制的思想，又要了解对象，更要有系统的观念。因此，培养自动化学科专业的学生，关键是要培养学生系统的观念、系统的方法，培养学生确立控制的思想。控制的核心概念是反馈，反馈闭环控制是自动控制最基本、最常用的形式，而系统是指相互关联、互相制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。系统的性能主要取决于系统中各部分或各子系统间的配合与协调。对整个系统的控制不能简单地看作个部分或各子系统的控制，而必须是在综合考虑部分或子系统的控制及相互间的作用以及整个系统的更高层次的控制，这便是系统的观念和方法。

    自动化学科专业的特点是强调学生系统观念和控制思想的培养。培养学生确立系统的观念，将使学生具有较强的全面分析问题的能力和协调解决问题的能力；培养学生确立控制的思想，将使学生具有较强的驾驭工作的能力。从自动化学科专业的学科特点看，培养学生系统和控制的观点，既是学科专业的特点所决定的，也是培养学生综合能力从而培养创新型人才的基本要求。自动化学科专业是强调理论和实践统一的应用型学科专业，纯粹的理论教学很难全面培养学生系统的观念和控制的思想。必须坚持理论与实践的统一，加强实践教学，特别是要加强针对系统和控制的综合性、设计性和研究性实践训练。

    在以往的硕士研究生和博士研究生课程教学中，往往以理论为主，或者只有理论教学。而控制科学与工程学科专业的研究生的原有知识结构差异很大，根据专业方向的不同，研究生的研究课题也有纯控制理论研究，具有工程背景的应用研究，控制单元研究，控制系统研究等等不同。也就是说，部分研究生在研究生学习阶段得不到试验能力的训练、实验研究能力的训练、系统实验和系统控制的训练。即使从事具有工程背景的应用研究的学生，虽然在结合科研的学位论文阶段通过参加导师的研究项目的实践，使学生能够得到充分的锻炼，但由于目前研究生人数的大量增加，以及导师的课题一般具有一定的片面性，从而使培养出来的部分研究生的实践能力往往非常缺乏，实验研究能力更加缺乏。为此，我校自动控制系在培养方案的制定上将实验环节列入硕士研究生和博士研究生课程培养中，开设了名为“高等自动控制系统实验”的实践性课程，作为硕士学位选修课，开设了名为“控制科学实践”的实践性课程，作为博士研究生的学位课。兼顾本科一般的实践性教学环节，重点建立和实施了本硕博一体化的针对系统和控制的创新实验课群。以培养学生的系统观和控制观，培养学生的实验系统设计和研究能力，培养学生的创新能力。一体化包括培养方案制定的一体化，实验装置利用的一体化，实验设计思路的一体化，实验室管理的一体化，实验指导的一体化等。

3  创新实验装置的选择

    在实验装置的选择上，全部选择系统级的实验装置，并注意选用最新、最先进的试验系统和试验装置作为典型的控制试验系统。

    例如，由DSP作为控制器构成的运动控制系统，采用DCS和FCS控制的过程控制系统，可以进行运动控制、顺序控制、群控策略、远程监控综合实验、分布式网络控制综合实验以及嵌入式系统设计综合实验的电梯单控及群控系统，典型的非线性、强耦合、多变量的不稳定系统―倒立摆系统，具有大滞后特性的多变量炉温控制系统。还有机器人控制系统，数据采集系统，集散控制系统，流体传动控制系统，电气传动控制系统，可编程控制器典型应用等等。

    DSP控制器及其构成的运动控制系统，主要包括以DSP为控制核心的全数字化运动控制平台、采用智能模块的功率变换器、多功能实验机组、相关软件控制平台，以及相关外围设备。该实验系统有一个非常优秀的软件控制平台，不仅提供了丰富的应用控制例程，可以让学生非常容易地利用模块化软件控制例程搭建自己的应用程序，而且有一个专门系统调试软件。该系统调试软件，可以让学生了解实时变化的DSP内部运行的所有变量，而且可以在线对变量进行调整。这样可以让学生更加深刻地了解DSP以及数字控制的原理。使复杂的微处理器的内部透明化。不仅可以提高学生实验的兴趣，而且可以激发学生的灵感和创造性。

    过程控制实验装置是由一组三层水箱和一个电热锅炉组成完整的被控过程对象，和由DCS、PLC和智能控制仪表组成的控制系统，共同组成的模拟整套工业过程控制系统（包括对象）的小型试验装置。整套被控对象中包含了三个串接的水箱，以及配套的变频控制水泵、电动调节阀、液位变送器、流量变送器、压力变送器等；包含了一个电热锅炉，以及盘绕在锅炉外的盘管以模拟大纯滞后过程。整个被控对象比较典型地代表了多数工业实际流程的特性。对象包含了一个典型的三阶过程，并且能够实现时间常数的调整和模拟时变特性的功能；包含了典型的串级控制对象、配比控制对象以及前馈回路，适于组合成一定复杂程度的控制回路或被控对象；控制回路之间还存在一定程度的耦合性，适于建立解耦控制；具有大滞后特性的温度被控对象和大纯滞后模拟对象（盘管）；调节阀的非线性特性也提供了一定的非线性模型。因此整个被控对象的特性相对比较完整，通过组合和调整，能够模拟出大量不同形式的复杂被控对象特性，从而可以设计出各种实验，进行现代先进的控制理论试验研究。

4  实验装置的综合利用

    在实验装置的利用上，大部分实验系统、实验装置可以兼顾本、硕、博三个层次的实验课的要求。

    例如，电梯单控和电梯群控实验系统，由4套虚拟电梯模型、4套实物电梯模型、交通流发生器、电梯群控单元和监视单元组成。虚拟电梯由一台PC机，一块数据通信卡，一台PLC组成。PC机模拟电梯的轿厢和井道，PLC作为电梯的控制器，通讯卡作为PLC、PC机和监视单元的通信桥梁。群控系统由4套虚拟电梯、群控器和一个交通流发生器组成。系统运行时由交通流发生器产生特定的交通流，由群控器完成群控调度，由4套虚拟电梯实时接收调度信号并运行显示，系统运行完毕后由分析软件给出相应的分析结果，通过CAN总线进行数据的交换。群控系统的主要功能是根据交通流发生器产生的交通流，调用嵌入的群控算法对虚拟电梯进行动态调度，然后利用性能分析器对调度结果进行分析，得出系统的各项性能指标，从而对嵌入的群控算法进行评价。监视单元通过现场总线实时监视四套虚拟电梯模型和四套实物电梯模型的运行，对所有的电梯模型的运行进行数据管理、统计分析以及故障报警等。本科生可以利用该实验平台进行运动控制、顺序控制、现场总线通讯等设计性、综合性实验。硕士生可以利用该实验平台进行运动控制、网络控制、远程监控、群控调度等研究性实验。博士生可以进行群控策略、网络控制等先进控制策略的更深层次的研究性实验。

    针对倒立摆系统，可分别用经典控制理论设计控制器（如PID控制器），用现代控制理论设计控制器（如最优控制器），用智能控制理论设计控制器（如神经元控制器），等多个层次来分析比较控制性能，优化控制器控制策略，最终达到倒立摆稳定倒立的目的，以此研究运动系统的稳定性与控制策略等。

5  创新实验的实验方法和内容

    在创新性实验课群的实验内容、方法的设计思路上，本科生设立以设计性、综合性为主的控制系统实验选修课课群。硕士生设立以研究性实验为主和系统分析设计为辅的针对系统和控制的实践性学位课选修实验课群。博士生设立了以深入研究型实验为主的针对系统和控制的实践性学位课必修课实验课群。硕士生层次的实验课群为优秀本科生开放。博士生层次的实验课群为优秀硕士生开放。

    以培养系统的观念、确立控制的思想为主线确定实验方法。具体针对DSP运动控制系统的典型实验课方式和指导步骤如下。首先，通过课堂讲解让学生从系统的高度来了解全数字化运动控制系统的组成，了解各个子系统之间的相互关系以及性能要求。让学生结合实物掌握控制单元、功率变换单元、仿真接口单元，实验机组、信号采集与转换单元、外围控制接口单元、软件控制平台等的功能和使用调试方法。第二，通过课堂讲解让学生针对实验系统了解DSP的基本工作原理，以及所有外围设备的工作过程，以及与编程有关的知识。并且让学生掌握全数字化运动控制系统控制软件的开发流程以及相关注意事项和软、硬件调试方法。第三，指导学生自己搭建相应的实验系统，包括软件、硬件的初步调试，并利用软件例程熟悉前面所讲述的实验方法。让学生将理论和实践有机地结合起来。第四，结合学生的先修课程讲述相关运动控制系统的控制策略和控制算法。并让学生利用软件例程搭建并实现自己的控制算法，以提高系统的控制性能。第五，在学生对系统熟练掌握的基础上进行开放性实验，只要学生提出自己的实验方法、控制策略和实验目标，经过指导教师的认可，就可以独立或者以小组团队的形式进行探索性实验研究。这样不仅可以给学生创造一个开放的、宽松的、激发潜能的实验环境，而且可以大大提高学生学习的积极性，使学生不再抱怨不知道所学的知识究竟能够应用到什么地方。由于该实验系统可以承载的系统实验完全可以跟踪世界上运动控制领域的最新前沿，因此，只要学生感兴趣，肯钻研和探索，实验可以不断深入下去，甚至可以作为学生研究课题的一个重要部分。

6  创新实验的指导和管理

    在实验的指导和实验实管理上，各相关实验项目由具有较强工程背景并具有博士学位的教授、优秀副教授负责。并强调实施博导、教授对优秀本科生和研究性创新实验的指导。每位责任教师负责他的研究领域相关的实验系统，结合他的研究经验、研究成果进行课程实验的内容选择、实验方式的设计，主讲实验课并指导实验。而实验室实验员协助指导实验和管理实验室和实验设备，在提高实验水平的同时，提高了实验员的技术水平。同时，由于研究生进行了同一实验系统高一层次的创新实验，由研究生参与开发和协助指导相应实验系统本科生的创新实验，并作为教学实践环节之一。既锻炼了研究生的能力，又解决了目前实验室人员的紧缺的问题和实验室人员整体层次低的问题。

    长期以来，实验室教学的重要地位没有得到真正体现，造成了高水平、高学历的教师上讲台、搞科研、指导研究生，学历、职称较低的教师才去指导实验。实验课指导教师一般学历低、专业知识比较单一，垮学科知识薄弱。而实际上，随着实验教学环节在人才培养中日益突现重要地位，实验设备的高科技含量不断提高，特别是系统级的实验设备及研究型、设计性实验的开设，对实验指导教师的综合素质的要求也越来越高，只有具有扎实理论功底和丰富科研实践经验的教师才能在教学过程中，不但传授书本知识，而且能把自己从事研究的经验渗透到教学中，给学生以及时而正确的指导，进而培养学生发现问题、提出问题和解决问题的意识、观念和能力，引导学生进行创新性思维，激发学生的创新精神。

    负责实验其中的一位教师，从事高等教育工作之前曾经在某研究所进行为期5年时间的飞机设计工作，后在清华大学博士后流动站从事运动控制方面的研究工作，积累了丰富的科研工作的实践经验。进入北京理工大学任教后，负责了多个项目的研究工作，担任了本科生和研究生专业课教学工作，在课堂教学和实验教学内容上丰富和生动，学生反映极好。负责实验的另一位教师，获得工学博士学位后，在北京清华紫光公司从事过程控制，智能控制，自适应控制，复杂系统建模等方面的研究工作。以项目负责人和主要完成人承担并完成横向科研攻关项目十几项。曾参加国家“九五”攻关项目并获国家科技进步二等奖。到北京理工大学任教后，承担博士生课程一门，本科生课程一门。指导实验的另一位老师，四年前本科毕业后进入实验室工作。经过协助指导创新实验课程，在实验水平上提高很快，而且，学习了很多新的知识、扩宽了视野，工作的积极性也有很大的提高。通过参加指导本科生创新实验，研究生的实验能力有了进一步的提高。

7  结论

    自动化学科专业本硕博一体化的创新实践课群已经实施一届。经过该课程的学习，学生的实验研究能力，创新能力得到了很大的提高，反映在学生对实验的兴趣大大增加，研究生进入论文研究阶段进入角色很快，研究论文的质量不断提高。同时，随着社会对创新型人才的渴望和需求日益增强，许多学生也认识到了培养创新能力的重要性。而系统观和控制观的培养又是培养学生创造能力的一个基础，学生通过该课程的学习将专业理论知识更好地与实际应用相结合。不仅锻炼了学生的科研能力和创新能力，而且让学生逐渐培养起了全局观与系统观，使学生有机会从整个系统的角度观察问题、思考问题、解决问题。为将来走向工作岗位承接和完成更重要的、更大的任务打下了坚实的基础，使学生更加有信心面向未来就业的挑战。

    建立和实施本硕博一体化的针对系统和控制的创新实验课群，可以培养学生的系统观和控制观，培养学生的实验系统设计和研究能力，培养学生的创新能力。博导、教授、优秀的副教授为主，实验员、研究生协助指导的方式，在提高创新实验水平的同时，提高了实验员的技术水平，锻炼了研究生的能力，同时解决了目前实验室人员紧缺和实验室人员整体层次偏低的问题。

[参考文献]

[1]周济，大力加强教学工作 切实提高教学质量，高等学校理工科教学指导委员会通讯，2005年第3期；
[2]刘耀年，聂宏展，实践能力、创新意识和创业精神的课外培养途径研究，第二届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集，2004年4月。