自动控制课程远程教学系统的研究与实践

来源:中国教育技术网 时间:2008-06-18

一、引言

自动控制课程是大多数工科大学的重要专业基础课,自动控制技术已经广泛应用于国民经济的各个领域。一个优秀的控制系统设计人员必须具备广博的知识和精湛的技能,必须能够把这些知识灵活地运用到实际工作当中。作为自动控制课程的教学人员,既要交给学生深厚的理论知识,又要培养学生的工程能力、理论知识以及一些与数学有关的技能,可以利用传统的课堂教学方式,较好的教给学生。然而,工程能力的培养则是课堂教学所不能达到的[1]。以往的工程设计人员,是通过长期的实际工作的磨练来逐步提高自己的工程能力的。计算机网络技术的飞速发展,为实施素质教育、培养学员的创新能力,提供了一条新的途径。应用计算机能够设计出非常好的人机交互式教学软件,以其形象的图形界面和高度的交互性培养学员对工程问题的直觉和敏锐的洞察力。应用网络技术,将先进的教学、实验软件移植到网上,以达到远程教学、远程实验的目的,改传统的“定时定点”的教学方式为“随时随地”的教学方式,培养学员的自学与创新能力,达到课堂教学所达不到的教学效果。本文将自动控制课程的人机交互式教学软件与计算机网络技术进行了有机的结合,对自动控制课程交互式远程教学系统进行了初步研究。 

二、组成及原理

2.1硬件

自动控制课程远程教学系统的原理框图如图1所示。该系统由服务器、教员工作站、实验室工作站、小功率随动系统、教室工作站、学员工作站等组成。

每一个可以上网的终端都可访问本系统。教学服务器作为本系统同外部窗口,所有的信息均在此发布。虚线以下部分为教学楼内各工作站。教员工作站分布在各个办公室,供教员写教案、改作业、答疑等;教室配置一台无盘工作站、投影仪和大屏幕,上课时用来调用服务器上的电子教案;实验室配置一台实验工作站、小功率随动系统及小摄像头,完成远程实验;建立一个学员工作站房,供学员自习、考试。

2.2软件

为了能够更好地配合课堂教学,本系统严格按照自动控制课程教学的各个环节来组织内容。软件部分包括远程授课、远程实验、网上答疑以及讨论、网上练习及试题库、电子教案、网上考试系统和网上教学评估等七个子系统等,与相应的硬件相配合,形成一个完备的多媒体网络教学系统。

自动控制课程远程授课子系统用于自动控制课程的远程教学,同时也为部队的继续教育提供服务;远程实验子系统用于通过网络向学员提供实验;网上答疑和讨论子系统用于教员通过网络对学员学习过程中所遇到的问题进行答疑,也可用于与学员进行网上交互式讨论教学;网上练习及习题库子系统用于向学员提供全面新颖的练习题,供学生自我测试对所学知识加深理解;电子教案子系统供教员开发电子教案,制作各类图表、曲线、演示稿等。网上考试子系统用于对学生学习情况进行检测,系统根据难度系数随机组成试题,尤其适用于远程的函授,和小范围的补考,对于大面积的考试也可以利用该系统出题;教学评估子系统,用于对教学情况进行评估与分析。 限于篇幅,本文着重介绍院承授课及远程实验子系统。

三、远程授课系统

该系统是一个具有良好交互性的多媒体教学软件。不同的学生可以根据自己的具体情况来使用该系统。比如在学习绘制根轨迹的法则时,甲学生要了解某一条法则的证明,它就可以通过单击窗口的选择证明按钮调出证明过程。乙学生需要做一道例题加深一下理解,也可以单击窗口的例题按钮调出一道相关例题。该系统可以充分利用现有的计算机软硬件功能,更形象、更直观地把抽象的知识传授给学生。

四、远程实验子系统

该子系统用于自动控制课程的远程实验,旨在帮助学生理解教学难点,掌握教学重点并提高学生的实际工程能力。数字仿真由一套完整的实验软件构成。远端用户,可以通过现有校园网访问本系统,下载并运行自己所需要的专题实验。数字仿真实验,涵盖了整个自动控制课程的实验。如时域法中的二阶系统仿真、高阶系统仿真;根轨迹法中的根轨迹绘制;频域法中的频率特性;系统校正;相轨迹绘制等。另外,该子系统还提供了部分实物,给学生提供了实际的设计、分析和综合自动控制系统的实验环境。由实验室工作站(实验台)和数控小功率随动系统组成,其原理框图如图5所示。学生可以对控制系统设计、研究并选择合适的校正装置;从原理上研究各种控制理论的应用。包括:最优控制、自适应控制、变结构控制和智能控制。具体办法为:实验者在远程终端上通过网络将控制器参数发给本系统服务器,由服务器通知实验平台准备实验,并将参数传给实验台,由实验台控制小功率随动系统进行实验。应用摄像头可以拍摄实验过程并发给远端用户。数据采集接口将按要求采集实验结果经实验台处理后发回远程用户,以便对实验结果进行分析。

五、结论

随着计算机网络技术的飞速发展,“多媒体通讯网”必将成为下世纪的重要教学工具。把高科技的工具——计算机及网络技术用于自动控制课程的教学中,充分利用网络传递信息的能力,实行远程教学,打破以往的“定时、定点、定量”教学的局限,把学习的“时间、空间、深度、广度”最大限度的延伸,以达到对课堂教学的有益补充,是教育发展的必然趋势。本文所介绍的,自动控制课程远程教学系统所体现的教学方式,仅仅是一种初步的尝试,希望这种尝试能起到抛砖引玉的作用。