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摘 要 围绕北方民族大学应用型人才培养目标，针对当前以知识教学为基础构建的自动控制原理实践教学环节中存在的脱离工程实践、实践场地受限等问题，采用基于问题学习教学方法，以便携式倒立摆为实践教学平台，围绕其数学建模、系统分析、设计及控制实现，设计课程实验。新的课程实验内容以实际控制系统设计的一般过程为步骤，贴近工程实际，不仅激发了学生的主动学习热情，更锻炼培养了学生的创新思维和实践动手能力，强化了学生的工程素质。该实践教学方法具有较好的可操作性，实践教学效果良好。
关键词 便携式倒立摆；自动控制原理；基于问题学习；实验教学
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）24-0145-03
Practical Teaching Reform for Automatic Control Principle based on Portable Inverted Pendulum//PAN Juntao， WEI Hai-cheng， ZHANG Bai， XIAO Mingxia
Abstract Focusing on the cultivation of applied talent， this paper presents a new experimental teaching reform method for the course
of automatic control principle which aiming at solving the problem that theory disengages practice. The reform scheme is proposed based
on portable inverted pendulum which close to the actual situation. Problem-based Learning is adopted to motivate students’ initiative enthusiasm of study. Meanwhile， the innovative thinking as well as
practical skill is improved during the execution of reformation. The
proposed method is workable which yields excellent teaching results.
Key words portable inverted pendulum； automatic control principle； problem-based learning； experimental teaching
1 引言
2016年6月，中國正式成为《华盛顿协议》中的一员，这标志着中国的工程教育正式走上国际舞台。与此同时，中国工程教育专业认证也成为我国高等教育的重要内容之一。我国各高等院校，特别是以技术应用型人才为培养目标的高等院校，都把对学生的工程素质培养列为后期工科专业建设的核心内容[1-4]。工程素质[5]是指从事工程实践需具备的能力，是面向工程实践活动时所具备的潜能和适应性，包括专业理论知识、实践技能及情感意识等多个方面。其中，实践技能的培养是工程素质内涵的关键所在。相比于课堂教学环节，实验教学环节将课程理论知识与实际相结合，不仅有效地提升了学生的实践动手能力，更锻炼了学生的创新思维意识，是培养学生实践技能的重要手段。
自动控制原理课程是我国高校自动化专业及其相关专业的一门重要专业课程。为培养高质量且适应社会需求的自动化技术人才，北方民族大学围绕服务少数民族地区发展的办学宗旨，在新一轮的自动化专业本科人才培养方案修订工作中将自动控制原理课程列为专业核心课之一，并相应地增加了课程学时数，强调其在专业课程体系中的重要地位。
然而，自动控制原理课程是一门理论性较强的专业课程，其内容抽象，难以理解，且其教学内容中大量穿插复杂的公式和烦琐的证明。从现有教学调查结果看，相当一部分学生因为基础薄弱，对这门课程很难建立学习兴趣，教学效果可想而知。有鉴于此，为拉近理论知识与工程实践的距离，营造学生的学习兴趣，强化学生的工程素养，在课程教学过程中引入实验教学环节，希望以此来方便学生对各种复杂控制概念的理解。但是受实验场地和实验设备的限制，这些实验教学环节也仅仅停留在“搭建简易模拟电路，通过仿真看曲线”上，不仅无法让学生对“控制”建立一种直观理解，更无法让学生感受工程控制现场效果，不利于学生实践技能的培养。课程学习结束后，学生往往感觉学无所用，一定程度上影响了培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，同时有悖于国家“工程教育认证”的发展趋势。
因此，如何在现有教学条件下改善自动控制原理课程实验教学效果，建立控制理论概念和控制工程实践之间的联系，激发学生学习兴趣，培养学生工程实践素质，是北方民族大学培养高质量自动控制技术人才过程中亟待解决的主要问题之一。
倒立摆系统是自动控制技术研究领域中最为常见的实验平台之一，实际工程中的很多控制问题，如运载火箭的垂直发射控制、卫星姿态控制、两足机器人平衡控制等，均可抽象为倒立摆的稳摆控制问题。考虑到倒立摆系统本质为一类强耦合、多变量、不稳定的复杂高阶非线性系统，因此，其同时也是验证各种控制算法是否有效的理想平台。为此，本文以自动控制原理课程为背景，依托深圳元创新科技有限公司开发的便携式倒立摆实验平台，针对当前课程实验教学环节中存在的问题，引入基于问题学习（即PBL，Problem-based Learning）教学理念，提出一种新的基于便携式倒立摆的自动控制原理PBL实验教学改革方法。该方法不仅有效提升了学生的实践动手能力和主动创新思维意识，而且强化了学生的工程素养。
关键词 便携式倒立摆；自动控制原理；基于问题学习；实验教学
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）24-0145-03
Practical Teaching Reform for Automatic Control Principle based on Portable Inverted Pendulum//PAN Juntao， WEI Hai-cheng， ZHANG Bai， XIAO Mingxia
Abstract Focusing on the cultivation of applied talent， this paper presents a new experimental teaching reform method for the course
of automatic control principle which aiming at solving the problem that theory disengages practice. The reform scheme is proposed based
on portable inverted pendulum which close to the actual situation. Problem-based Learning is adopted to motivate students’ initiative enthusiasm of study. Meanwhile， the innovative thinking as well as
practical skill is improved during the execution of reformation. The
proposed method is workable which yields excellent teaching results.
Key words portable inverted pendulum； automatic control principle； problem-based learning； experimental teaching
1 引言
2016年6月，中國正式成为《华盛顿协议》中的一员，这标志着中国的工程教育正式走上国际舞台。与此同时，中国工程教育专业认证也成为我国高等教育的重要内容之一。我国各高等院校，特别是以技术应用型人才为培养目标的高等院校，都把对学生的工程素质培养列为后期工科专业建设的核心内容[1-4]。工程素质[5]是指从事工程实践需具备的能力，是面向工程实践活动时所具备的潜能和适应性，包括专业理论知识、实践技能及情感意识等多个方面。其中，实践技能的培养是工程素质内涵的关键所在。相比于课堂教学环节，实验教学环节将课程理论知识与实际相结合，不仅有效地提升了学生的实践动手能力，更锻炼了学生的创新思维意识，是培养学生实践技能的重要手段。
自动控制原理课程是我国高校自动化专业及其相关专业的一门重要专业课程。为培养高质量且适应社会需求的自动化技术人才，北方民族大学围绕服务少数民族地区发展的办学宗旨，在新一轮的自动化专业本科人才培养方案修订工作中将自动控制原理课程列为专业核心课之一，并相应地增加了课程学时数，强调其在专业课程体系中的重要地位。
然而，自动控制原理课程是一门理论性较强的专业课程，其内容抽象，难以理解，且其教学内容中大量穿插复杂的公式和烦琐的证明。从现有教学调查结果看，相当一部分学生因为基础薄弱，对这门课程很难建立学习兴趣，教学效果可想而知。有鉴于此，为拉近理论知识与工程实践的距离，营造学生的学习兴趣，强化学生的工程素养，在课程教学过程中引入实验教学环节，希望以此来方便学生对各种复杂控制概念的理解。但是受实验场地和实验设备的限制，这些实验教学环节也仅仅停留在“搭建简易模拟电路，通过仿真看曲线”上，不仅无法让学生对“控制”建立一种直观理解，更无法让学生感受工程控制现场效果，不利于学生实践技能的培养。课程学习结束后，学生往往感觉学无所用，一定程度上影响了培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，同时有悖于国家“工程教育认证”的发展趋势。
因此，如何在现有教学条件下改善自动控制原理课程实验教学效果，建立控制理论概念和控制工程实践之间的联系，激发学生学习兴趣，培养学生工程实践素质，是北方民族大学培养高质量自动控制技术人才过程中亟待解决的主要问题之一。
倒立摆系统是自动控制技术研究领域中最为常见的实验平台之一，实际工程中的很多控制问题，如运载火箭的垂直发射控制、卫星姿态控制、两足机器人平衡控制等，均可抽象为倒立摆的稳摆控制问题。考虑到倒立摆系统本质为一类强耦合、多变量、不稳定的复杂高阶非线性系统，因此，其同时也是验证各种控制算法是否有效的理想平台。为此，本文以自动控制原理课程为背景，依托深圳元创新科技有限公司开发的便携式倒立摆实验平台，针对当前课程实验教学环节中存在的问题，引入基于问题学习（即PBL，Problem-based Learning）教学理念，提出一种新的基于便携式倒立摆的自动控制原理PBL实验教学改革方法。该方法不仅有效提升了学生的实践动手能力和主动创新思维意识，而且强化了学生的工程素养。