论文部分内容阅读
摘要:本文以“自动控制原理”教学为例,重点分析了仿真手段在教学的重要性、必要性和辅助性,并深入探讨了在工科电类课程教学中如何发挥仿真环节应有的作用,论证了渐近性实验教学的科学性。
关键词:仿真软件;理论教学;实验教学;渐近性
作者简介:岳明道(1979-),男,安徽萧县人,宿州学院电子与电气工程系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电子设计自动化。(安徽宿州234000)
基金项目:本文系安徽省宿州学院院级教研项目(项目编号:szxyjy200814)的研究成果。
一、“自动控制原理”教学内容简论及教学中的关键问题
“自动控制原理”是电气专业重要的基础课,其内容主要包括三大部分,即经典控制理论的三大分析方法:时域分析法、频域分析法和根轨迹法。根据处理信号的不同又分为连续系统和离散系统分析,离散系统分析方法可认为是连续系统分析方法的推广,因此牢固掌握连续系统的分析方法是至关重要的。而经典控制理论的研究对象是单入单出(SISO)的线性时不变系统(LTI系统),所讨论的问题围绕控制系统的稳定性、快速性和准确性等三个方面,在内容上又可分为系统分析和系统综合(设计)。
“自动控制原理”课程一般都设有课内实验,实验是工科电类专业课的重要组成部分,必须认真对待。为了教好、学好这门课,数学基础(如拉普拉斯变换)固然重要,掌握系统分析和综合的思路、方法更是至关重要,比如在系统校正方面,串联校正的频域设计是个重点,但基于期望特性的设计思路却很简单,无非就是用期望特性与已有特性的差别来设计校正环节。
另外,在教学中还要能让学生学有所感、学有所用,也就是让学生学有感悟、有体会,要能把书本上的理论用在指导实践上,对工科应用型人才培养来说,这一点应当成为检验教学成功与否的一个标准。达到这个目的的唯一途径就是多动手,这一点已成为广大教学同仁的共识,但是仅靠传统实验似乎很难凑效,还必须通过仿真实验这一重要环节。
二、仿真实验在教学环节中的重要性
长期以来,理论教学始终占据主导地位,除此以外就是动手实验,长期以来仿真实验没有受到足够的重视,甚至被错误地认为是一种可有可无的辅助手段,部分教师甚至认为仿真实验只是在实验设备不能满足教学时的无奈之举。实际上仿真实验的作用绝对不是动手实验所能取代的,目前,仿真软件的应用已成为考研内容的一部分,这说明很多高校已意识到仿真的不可替代性。
1.仿真环节在教学中的重要地位
工科核心课程的教学一般分为理论教学和实验教学两个方面,理论教学的目的是要在一段时间内,把课程的基本理论和方法介绍给学生,要讲得通又得让学生听得明白、记得清楚,而实验教学的目的是培养学生的动手能力。这两个方面目的都很明确,但问题是由谁或哪个环节来充当理论教学与实践教学之间的桥梁,如何让这两个很好的目的有机地联系、协调起来是教学过程中的关键。常规的思路是通过验证性的动手实验来验证所学的理论,实际上却办不到或办得不顺利,原因有二:一是动手实验的复杂性决定了它不能顺利地帮助我们更好地验证课内所学的理论。举个例子,自动控制原理研究的是单入单出的LTI系统,重点分析系统三个方面的内容,即系统的稳定性、快速性和精确性,重点引入了超调、调节时间、峰值时刻和稳态精度等性能指标,直接去做验证性实验时,很多学生竟出现“对不上号”的情况,即不能在复杂的动手环境中找到所讨论的变量,甚至有的学生做实验接不好线,或忙于应付接线,再有就是接好线的学生不会记录和分析数据,或不愿意深入思考数据所隐含的信息,结果是使我们以实验验证理论的目的没达到,动手能力也没培养出来,事倍功半;二是仿真软件的简单性使它更适合被用来从原理上分析和设计系统。这种简单性体现在不会有真实环境中的电磁干扰、不会有元件被烧坏、不用考虑具体的物理实现及元器件选型等等,这种简单性可以使学生“心无旁骛”地验证理论或分析、设计系统。所以说,正是仿真软件也只有它可以搭这个桥,使理论课的“动脑”和实验的“动手”有机协调起来。
仿真软件在教学中的地位是不可取代的,用好它可以达到事半功倍的教学效果,仿真软件可以在理论教学中穿插使用,也可以作为实验课程的一部分,可以在理论教学中有意识地采用仿真手段,从而替代纯数学形式的理论推导和求解,比如在仿真环境中搭建某闭环系统的模型,给以典型激励信号,然后让学生通过观察找到所关注的指标,至于理论推导甚至可以放在学生对仿真现象的观察之后,这样做的目的就是要尽量避免让多数学生陷入纯数学的分析或纯字面上的抽象概念,而尽量让学生们感到更实在、更实用,反过来也更能体会理论的基础性和重要性,让他们在有兴趣的基础上继续学习,应用型、创新型人才才能真正地培养出来。
2.仿真环节在教学中的辅助地位
仿真工具在学习、教学或设计中只是个辅助手段,在教学过程中我们决不能企图用仿真来完全代替动手实践,因为教学的最终目的是能培养出勤于思考、擅于动手的学生。我们曾遇到过这样一个现象,某高校学生在全国大学生电子设计大赛中,要设计一个开关电源,这组学生选好题之后,先仿真论证方案,论证好后就是要硬件实现,可惜的是尽管方案论证得很好,但是做出来的结果却不理想,为什么?原因很简单,即仿真环境和实际的硬件环境的偏差是很大的,从仿真到实现的距离必须通过动手实验来解决。因此,在实验教学中光靠仿真不行,光靠仿真来做实验会误人误事。
3.渐近性实验教学的科学性论证
为了说明问题,本文引入“渐近性实验教学”一词。常规的教学是上完理论课就动手做实验,而且多数是验证性实验,少数是综合性、设计性实验,实验平台多采用教学仪器厂家开发好的实验箱或实验台,实验方法是在实验台上按指导书上的实验步骤接线、记数,大多数学生实验后对数据的处理很粗糙,很少想到数据背后的原理性的东西,实验的真正目的很难达到,教学效果可想而知。记得某大学的一位教授说过,她们去国外电子类知名本科院校考察时发现,那些院校的基础实验室的设备远没有国内一般院校新,相反基础实验室的条件很简陋,就用几块面包板和必要的元器件和仪器来做平台,自己动手这一关是任何学生躲不掉的,教学效果不见得比我们的差。最近几年来有很多用人单位对高校现有的实验环节提出质疑,这是我们应该思考的问题,要培养本科应用型人才,实验教学尤其要改革。
渐近性实验教学就是先理论再仿真然后再实验,之所以这么安排,这是由仿真和实验的本质作用决定的。以仿真环境为平台,搭建系统模型,使学生有真实感;在仿真平台上分析系统的直接目的就是验证理论课中所介绍的概念、分析方法或校正方法,验证理论的客观性和增加真实感是仿真的目的。动手实验是教学环节中的重要一环,是学生走向工业现场的前奏,实验的真实性表现在它所采用的结构、元器件、所用的附加设备及所处环境、各种人为因素等等。它的复杂、多样性也体现其中,如元器件的老化、损坏、电源的异常、电磁干扰、误操作等等,如果我们在教学中忽视这样可变的因素而直接让学生对理论进行验证,往往会出现事倍功半的效果,或者说靠动手实验来验证理论的真实性会因为某些偶然因素导致学生找不出所理想的结果,严重时会使学生对课堂中的理论分析产生怀疑或混淆。仿真环节没有以上问题,我们安排仿真环节来验证理论知识,达到使学生对理论深入认知;之后,再用实验环节来让学生体会和认识实际系统的复杂性,掌握一种分析实际问题的能力,争取做到一方面能用所学理论来指导动手,另一方面能在理论值和实际值的偏差中找到原因、排除故障。
实践证明,以仿真为中间环节的渐近式实验教学是符合学生认知过程的,能取得很好的教学效果。
三、结语
综上所述,理论分析、仿真验证及动手实验是教学过程中缺一不可的实践环节,理论课中要讲清概念、理清思路、讲透方法,仿真环节中要做到切实地验证好理论,变理论的抽象为具体,使学生做到概念对得上号,方法派得上用场,动手实验时要体会到理论和实践的本质同一性和复杂性,切实培养出解决实际问题的能力。
在培养应用型人才的框架下,只有很好地坚持理论、仿真、实践三位一体,才能搞好电类课程的教学,才能培养出应用型、创新型人才。本文所讨论的教学思路已体现在本人的教学过程中,教学效果已初见成效,用这种方法解决了不少以往在教学过程中暴露出来的问题,最后希望在培养本科应用型、创新型人才的新模式下,本文的发表能给广大同仁的教学改革提供一些参考。
参考文献:
[1]岳明道.仿真软件在电类课程教学中的应用[J].宿州学院学报,2007,(6):156-158.
[2]崔治,崔宪普.Matlab仿真在自动控制原理课程教学中的应用[J].现代电子技术,2009,(18):108-112.
[3]郝胜玉.仿真软件在电工电子类课程教学中的应用[J].聊城大学学报(自然科学版),2008,(2):108-110.
[4]黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京:高等教育出版社,2004.
(责任编辑:刘辉)
关键词:仿真软件;理论教学;实验教学;渐近性
作者简介:岳明道(1979-),男,安徽萧县人,宿州学院电子与电气工程系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电子设计自动化。(安徽宿州234000)
基金项目:本文系安徽省宿州学院院级教研项目(项目编号:szxyjy200814)的研究成果。
一、“自动控制原理”教学内容简论及教学中的关键问题
“自动控制原理”是电气专业重要的基础课,其内容主要包括三大部分,即经典控制理论的三大分析方法:时域分析法、频域分析法和根轨迹法。根据处理信号的不同又分为连续系统和离散系统分析,离散系统分析方法可认为是连续系统分析方法的推广,因此牢固掌握连续系统的分析方法是至关重要的。而经典控制理论的研究对象是单入单出(SISO)的线性时不变系统(LTI系统),所讨论的问题围绕控制系统的稳定性、快速性和准确性等三个方面,在内容上又可分为系统分析和系统综合(设计)。
“自动控制原理”课程一般都设有课内实验,实验是工科电类专业课的重要组成部分,必须认真对待。为了教好、学好这门课,数学基础(如拉普拉斯变换)固然重要,掌握系统分析和综合的思路、方法更是至关重要,比如在系统校正方面,串联校正的频域设计是个重点,但基于期望特性的设计思路却很简单,无非就是用期望特性与已有特性的差别来设计校正环节。
另外,在教学中还要能让学生学有所感、学有所用,也就是让学生学有感悟、有体会,要能把书本上的理论用在指导实践上,对工科应用型人才培养来说,这一点应当成为检验教学成功与否的一个标准。达到这个目的的唯一途径就是多动手,这一点已成为广大教学同仁的共识,但是仅靠传统实验似乎很难凑效,还必须通过仿真实验这一重要环节。
二、仿真实验在教学环节中的重要性
长期以来,理论教学始终占据主导地位,除此以外就是动手实验,长期以来仿真实验没有受到足够的重视,甚至被错误地认为是一种可有可无的辅助手段,部分教师甚至认为仿真实验只是在实验设备不能满足教学时的无奈之举。实际上仿真实验的作用绝对不是动手实验所能取代的,目前,仿真软件的应用已成为考研内容的一部分,这说明很多高校已意识到仿真的不可替代性。
1.仿真环节在教学中的重要地位
工科核心课程的教学一般分为理论教学和实验教学两个方面,理论教学的目的是要在一段时间内,把课程的基本理论和方法介绍给学生,要讲得通又得让学生听得明白、记得清楚,而实验教学的目的是培养学生的动手能力。这两个方面目的都很明确,但问题是由谁或哪个环节来充当理论教学与实践教学之间的桥梁,如何让这两个很好的目的有机地联系、协调起来是教学过程中的关键。常规的思路是通过验证性的动手实验来验证所学的理论,实际上却办不到或办得不顺利,原因有二:一是动手实验的复杂性决定了它不能顺利地帮助我们更好地验证课内所学的理论。举个例子,自动控制原理研究的是单入单出的LTI系统,重点分析系统三个方面的内容,即系统的稳定性、快速性和精确性,重点引入了超调、调节时间、峰值时刻和稳态精度等性能指标,直接去做验证性实验时,很多学生竟出现“对不上号”的情况,即不能在复杂的动手环境中找到所讨论的变量,甚至有的学生做实验接不好线,或忙于应付接线,再有就是接好线的学生不会记录和分析数据,或不愿意深入思考数据所隐含的信息,结果是使我们以实验验证理论的目的没达到,动手能力也没培养出来,事倍功半;二是仿真软件的简单性使它更适合被用来从原理上分析和设计系统。这种简单性体现在不会有真实环境中的电磁干扰、不会有元件被烧坏、不用考虑具体的物理实现及元器件选型等等,这种简单性可以使学生“心无旁骛”地验证理论或分析、设计系统。所以说,正是仿真软件也只有它可以搭这个桥,使理论课的“动脑”和实验的“动手”有机协调起来。
仿真软件在教学中的地位是不可取代的,用好它可以达到事半功倍的教学效果,仿真软件可以在理论教学中穿插使用,也可以作为实验课程的一部分,可以在理论教学中有意识地采用仿真手段,从而替代纯数学形式的理论推导和求解,比如在仿真环境中搭建某闭环系统的模型,给以典型激励信号,然后让学生通过观察找到所关注的指标,至于理论推导甚至可以放在学生对仿真现象的观察之后,这样做的目的就是要尽量避免让多数学生陷入纯数学的分析或纯字面上的抽象概念,而尽量让学生们感到更实在、更实用,反过来也更能体会理论的基础性和重要性,让他们在有兴趣的基础上继续学习,应用型、创新型人才才能真正地培养出来。
2.仿真环节在教学中的辅助地位
仿真工具在学习、教学或设计中只是个辅助手段,在教学过程中我们决不能企图用仿真来完全代替动手实践,因为教学的最终目的是能培养出勤于思考、擅于动手的学生。我们曾遇到过这样一个现象,某高校学生在全国大学生电子设计大赛中,要设计一个开关电源,这组学生选好题之后,先仿真论证方案,论证好后就是要硬件实现,可惜的是尽管方案论证得很好,但是做出来的结果却不理想,为什么?原因很简单,即仿真环境和实际的硬件环境的偏差是很大的,从仿真到实现的距离必须通过动手实验来解决。因此,在实验教学中光靠仿真不行,光靠仿真来做实验会误人误事。
3.渐近性实验教学的科学性论证
为了说明问题,本文引入“渐近性实验教学”一词。常规的教学是上完理论课就动手做实验,而且多数是验证性实验,少数是综合性、设计性实验,实验平台多采用教学仪器厂家开发好的实验箱或实验台,实验方法是在实验台上按指导书上的实验步骤接线、记数,大多数学生实验后对数据的处理很粗糙,很少想到数据背后的原理性的东西,实验的真正目的很难达到,教学效果可想而知。记得某大学的一位教授说过,她们去国外电子类知名本科院校考察时发现,那些院校的基础实验室的设备远没有国内一般院校新,相反基础实验室的条件很简陋,就用几块面包板和必要的元器件和仪器来做平台,自己动手这一关是任何学生躲不掉的,教学效果不见得比我们的差。最近几年来有很多用人单位对高校现有的实验环节提出质疑,这是我们应该思考的问题,要培养本科应用型人才,实验教学尤其要改革。
渐近性实验教学就是先理论再仿真然后再实验,之所以这么安排,这是由仿真和实验的本质作用决定的。以仿真环境为平台,搭建系统模型,使学生有真实感;在仿真平台上分析系统的直接目的就是验证理论课中所介绍的概念、分析方法或校正方法,验证理论的客观性和增加真实感是仿真的目的。动手实验是教学环节中的重要一环,是学生走向工业现场的前奏,实验的真实性表现在它所采用的结构、元器件、所用的附加设备及所处环境、各种人为因素等等。它的复杂、多样性也体现其中,如元器件的老化、损坏、电源的异常、电磁干扰、误操作等等,如果我们在教学中忽视这样可变的因素而直接让学生对理论进行验证,往往会出现事倍功半的效果,或者说靠动手实验来验证理论的真实性会因为某些偶然因素导致学生找不出所理想的结果,严重时会使学生对课堂中的理论分析产生怀疑或混淆。仿真环节没有以上问题,我们安排仿真环节来验证理论知识,达到使学生对理论深入认知;之后,再用实验环节来让学生体会和认识实际系统的复杂性,掌握一种分析实际问题的能力,争取做到一方面能用所学理论来指导动手,另一方面能在理论值和实际值的偏差中找到原因、排除故障。
实践证明,以仿真为中间环节的渐近式实验教学是符合学生认知过程的,能取得很好的教学效果。
三、结语
综上所述,理论分析、仿真验证及动手实验是教学过程中缺一不可的实践环节,理论课中要讲清概念、理清思路、讲透方法,仿真环节中要做到切实地验证好理论,变理论的抽象为具体,使学生做到概念对得上号,方法派得上用场,动手实验时要体会到理论和实践的本质同一性和复杂性,切实培养出解决实际问题的能力。
在培养应用型人才的框架下,只有很好地坚持理论、仿真、实践三位一体,才能搞好电类课程的教学,才能培养出应用型、创新型人才。本文所讨论的教学思路已体现在本人的教学过程中,教学效果已初见成效,用这种方法解决了不少以往在教学过程中暴露出来的问题,最后希望在培养本科应用型、创新型人才的新模式下,本文的发表能给广大同仁的教学改革提供一些参考。
参考文献:
[1]岳明道.仿真软件在电类课程教学中的应用[J].宿州学院学报,2007,(6):156-158.
[2]崔治,崔宪普.Matlab仿真在自动控制原理课程教学中的应用[J].现代电子技术,2009,(18):108-112.
[3]郝胜玉.仿真软件在电工电子类课程教学中的应用[J].聊城大学学报(自然科学版),2008,(2):108-110.
[4]黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京:高等教育出版社,2004.
(责任编辑:刘辉)