自动控制类专业教学实验室建设探索

［摘 要］ 自动控制原理实验室是面向全校自动控制类专业共享开放的专业基础课程实验室。通过对实验室现状进行分析，制订实验室建设的总体方案，主要按照验证性实验、综合创新性实验和其他辅助实验等三个维度进行建设。搭建综合创新性实验平台，解决目前缺乏高质量综合创新性实验平台的问题，进一步支撑综合创新性实验和竞赛、实践、科研训练等培养环节；建设辅助实验平台，支撑实验教学等环节多种控制对象仪器设备的数据交互、运行监测，以及学生实验操作的实时评价考核、原始实验数据查询和自动打印实验报告等智能化功能。自动控制类专业教学实验室的建设很好地支撑了课程的教学改革和目标达成度，效果较好。

［关键词］ 自动控制类；实验室建设；综合创新性实验；目标达成度

［基金项目］ 2022年度西北工业大学自动开放型教学科研平台建设项目“自动控制原理实验室建设项目”（0609022GS0301007）

［作者简介］ 王京锋（1981—），男，陕西合阳人，博士，西北工业大学自动化学院副研究员，主要从事自动控制原理实验教学和实验室管理工作研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）32-0010-04 ［收稿日期］ 2023-07-10

陕西省自动化实验教学示范中心（以下简称“中心”）隶属于西北工业大学自动化学院，服务于全校和学院本科生进行实验实践创新类教学活动。自2019年我校实施大类专业招生和培养以来，自动化类各专业培养方案进一步修订完善，其中新增3门必修公共专业基础实验课程、9门专业综合实践实验课程，实验教学任务大幅增加，实验设备资源与上课学生人数出现不匹配的问题。目前在教学实验设备方面，缺乏高质量综合创新性实验平台，其数量也无法满足学生自由选课的需求，亟待改善教学条件，提升教学品质，自动化类专业包括自动控制类专业教学实验室需要更进一步的支持和建设［1］。

一、自动控制类专业教学实验室现状

中心依据自动化大类专业特点和实验室资源整合后情况，对实验室进行了专业划分，如图1所示。

划分整合后，中心实验室按照“三横三纵”进行合理布局，横向为“专业基础课程实验室—专业方向课程实验室—创新实验室/基地”三个层次，纵向为“自动化专业—电气工程专业—机器人工程专业”三个专业。

自动控制原理实验室是面向全校自动控制类专业共享开放的专业基础课程实验室。实验室使用面积约74平方米，实验设备16台（套），主要设备有ACES-Ⅱ自动控制综合实验系统及计算机设备等，如图2所示。

实验室现有的主要实验仪器设备大多采购于十年前，虽能开展课程理论的验证及综合实验，但随着技术的发展、设备的老化，已无法满足学生开展毕业设计、创意竞赛、创新实践、创业项目等活动的要求。

作为学院和中心的本科自动化大类专业基础课程实验室，自动控制原理实验室是为配合“自动控制原理”理论课（省级精品课程教学）而建设的专业核心课程实验室。该实验室目前面向全校5个学院10多个专业的本科生开设实验实践课程。其中，“自动控制原理实验Ⅰ”（独立设课）为学科基础课程，24学时/1.5学分。对于每个必修实验，可同时开出16组，每组2名学生，最多可容纳32名学生同时参加实验。

但是随着支撑课程体系的改革创新，综合性、开放型实验教学内容比例逐渐加大，实验室缺乏高质量综合创新性实验平台，也无法满足学生自由选课的需求，自动控制类专业教学实验室需要更进一步的支持和建设，亟待改善教学条件，提升教学品质。

二、自动控制教学实验室建设总体方案

为了进一步落实“双一流”建设目标，满足大类培养自动控制原理实验条件，至少满足每套设备2名本科生的小班（组）综合性实验课程教学和每年500人的实验教学需求，自动控制类专业教学实验室建设总体方案如图3所示。

自动控制类专业教学实验室建设总体思路是依据实验室支撑的“自动控制原理实验”课程等的实践竞赛环节需求，按照验证性实验、综合创新性实验和其他辅助实验三个维度进行建设［2］。验证性实验平台主要是在现有的ACES-Ⅱ自动控制综合实验系统的基础上进行更新换代，可自主研发便携式自动控制理论综合实验箱。综合创新性实验平台主要是解决目前缺乏高质量综合创新性实验平台的问题，可考虑购置倒立摆、电机伺服控制系统、球杆控制系统、无人机飞控系统、机器人控制平台、飞行器模拟加载系统等一系列丰富的控制对象，进一步支撑综合性、创新性实验和竞赛、实践、科研训练等培养环节。其他辅助实验平台建设主要是支撑实验教学等环节多种控制对象仪器设备的数据交互、运行监测，以及学生实验操作的实时评价考核、原始实验数据查询和自动打印实验报告等智能化的实验平台。

在建设自动控制类专业教学实验室后，还可对校内共享开放的实验仪器设备进行交叉复用，形成自动控制类专业共享开放综合实验平台［3］，进一步支撑校级智能无人系统创新实践基地和本科生、研究生的创新实践实验室。

三、自动控制类专业教学实验室建设

（一）搭建购置新型综合创新性实验平台

定制直线直驱二阶系统综合控制平台和直流伺服旋转二阶综合控制平台（如图4所示）等创新型仪器设备，提升自控实验室实验硬件保障条件，满足课程创新型实验教学效果。

该平台建设将丰富控制系统的被控对象，提升机器人工程专业控制类课程的实验水平。实验平台均采用系统化方案，具有完整的反馈系统，其控制系统软件平台具有开放性，能与Matlab等工具软件无缝连接，可满足实验从验证型到综合性、设计型和创新型的转变［4］。

（二）更新换代ACES-Ⅱ自动控制综合实验系统

更新后的自动控制理论综合创新实验箱采用半实物仿真的方式，可配合各种元器件自由设计多种电路，配合Matlab软件平台实时仿真实验现象和结果，实验箱设计小巧紧凑，非常适合现有自动控制类实验课程和课程设计，以及竞赛、实践等环节使用。实验箱既可以有效补充现有自动控制原理模拟机开发灵活度不够的不足，又可以和直线直驱二阶系统综合控制平台、直流伺服旋转二阶综合控制平台结合使用，让学生对模拟电路、典型控制系统有更加深入的理解，真正做到理论知识与实际操作相结合，如图5所示。

（三）自动控制类实验信息平台的建设

自动控制类实验信息平台主要采用边缘计算服务和控制装置实验信息平台，通过建设自动控制类实验信息平台，使实验室成为工业信息物联的快速赋能智能控制综合实验室［5］。

边缘计算服务平台主要对实验室的控制装置数据进行收集、处理、决策及可视化，对学生实验完成的模型、图形和数据进行快速执行和上传；控制装置实验信息平台主要完成实验室内部组网，并搭建基于局域网构架的实验信息交互平台，进而实现实验室数据、仪器设备运行信息及学生实验操作记录的共享和分析。

自动控制类实验信息平台建设完成后可实现控制类综合实验室多种控制对象仪器设备的数据交互、运行监测，以及学生实验操作的实时评价考核、原始实验数据查询和自动打印实验报告等智能化功能，满足新型综合创新性实验课程教学需求。

（四）可依托的其他实验平台

自动控制类专业教学实验室建设也可依托学校或学院其他实验平台，如无人机飞控系统、机器人控制平台、飞行器模拟加载系统等，均可共享复用，这样可以避免重复建设和资源浪费等问题［6-7］。

四、教学实验室建设支撑实验课程改革

自动控制类专业教学实验室建设完成后，较好地支撑了“自动控制原理实验I”（独立设课）等多门实验课程，新建设的实验平台已在2019级、2020级本科生教学中成功应用，教学实践表明实验教学效果较好，并得到了学生的肯定。

以“自动控制原理实验I”专业基础课程为例，课程对专业毕业要求的支撑采取课程达成度评价方式进行。课程达成度评价表建立了课程目标与毕业要求指标点之间的支撑关系，通过对平时成绩与期末成绩进行分析、统计与计算，可判断课程目标或毕业要求指标点是否被有效达成。从评价数据可以得出，课程总体达成度合格，为88.32％，各项较为均衡，效果较好。

结语

自动控制类专业教学实验室建设后，进一步支撑了综合创新性实验和竞赛、实践、科研训练等培养环节，很好地支撑了课程的教学改革和课程的目标达成度，效果较好。

参考文献

［1］张海峰.“双一流”背景下的一流实验室建设研究［J］.实验技术与管理，2017，34（12）：6-10.

［2］左铁镛.高等学校实验室建设的作用与思考［J］.实验室研究与探索，2011，30（4）：1-5.

［3］马传峰.实验室资源的开发与开放［J］.实验技术与管理，2010，27（12）：1-3+26.

［4］王杰，任佳.大力推进高水平实验室建设着力培养创新人才［J］.实验室研究与探索，2015，34（11）：233-237+258.

［5］张海峰，毛建瑞，刘一.创新人才培养视阈下的高校教学实验室综合改革［J］.实验室研究与探索，2017，36（11）：246-251.

［6］董振旗，刘鹏，陈桂明，等.“6S”管理在实验室管理中的应用研究［J］.实验室研究与探索，2012，31（7）：410-412+415.

［7］严薇，王振中，张波，等.国家级实验教学示范中心的可持续发展［J］.实验室研究与探索，2016，35（10）：151-154.

Exploration on the Construction of Teaching Laboratories for Automatic Control Majors

WANG Jing-fenga，b， FAN Ze-minga

（a. School of Automation， b. Shaanxi Provincial Automation Experimental Teaching Demonstration Center， Northwestern Polytechnical University， Xi’an， Shaanxi 710129， China）

Abstract： The Automatic Control Principles Laboratory is a professional basic course laboratory that is open and shared for all automatic control majors in the school. By analyzing the current situation of the laboratory， an overall plan for laboratory construction has been developed， mainly based on three dimensions： confirmatory experiments， comprehensive and innovative experiments， and other auxiliary experiments. This paper proposes to establish a comprehensive and innovative experimental platform to solve the current lack of high-quality comprehensive and innovative experimental platforms， and further support the cultivation process of comprehensive and innovative experiments， competitions， practices， and scientific research training; The auxiliary experimental platform supports intelligent functions such as data exchange， operation monitoring， real-time evaluation and assessment of student experimental operations， original experimental data query， and automatic printing of experimental reports for various controlled object instruments and equipment in experimental teaching. The construction of teaching laboratories for automatic control majors has effectively supported the teaching reform of the course and the achievement of course objectives， with good results.

Key words： automatic control class; laboratory construction; comprehensive and innovative experiments; goal achievement