智能科学技术专业实践课程内容设计
来源：UC论文网2016-05-11 10:03
摘要：
针对智能科学技术专业实践课程存在的实验设计较难、教学内容较多、实验设备有限等方 面的问题，提出以自动控制原理为理论基础、MATLAB/Simulink为实践工具的实践课程。具体而 言，在
0.引言
专业实践课程是高校工程类学科中理论与实践结合、多种知识融合的重要环节，它包含较多的动手实践内容，内容设计和教学方法与偏重于理论教学的专业理论课程大不相同。如果实践课程的内容设计得丰富新颖，能够激发学生的学习兴趣，促进学生深人理解专业理论，加强对多种专业课程的融会贯通。南开大学智能科学与技术专业是以自动化专业为基础建立起来的⑴，在专业课程的设计上提出要面向前沿高新技术、注重交叉学科、扩宽知识覆盖面p]。因此，提出了以自动控制原理为基础、以MATLAB/Simulink为工具、以磁悬浮实验系统和三自由度直升机实验系统为实践对象的专业实践课程，开展了原理分析、理论建模、仿真、实验等一系列教学内容'很好地锻炼了学生的理论与实践相结合的能力、动手能力、分析问题的能力，受到学生的欢迎，取得了很好的教学效果。
1.专业实践课程的开设时机
一般而言，高校工程类学科专业课程的体系结构可从纵向和横向两个角度来分析。从纵向看，课程可以分为基础理论教学和应用理论教学，反映的是专业的深度；从横向看，课程可分成各个类别学科，如控制类、电子类、机械类等，反映专业的广度。根据教学进度安排，本科一年级为高等数学、大学物理、电路基础等公共基础课，二年级为自动控制原理、智能技术、微分方程与复变函数等专业基础课，三年级为现代控制论、机械工程基础、智能工程、电机与拖动、电子电路设计与仿真等专业必修课和专业选修课'专业实践课程通常安排在三年级下学期，这时学生已经掌握了自动控制原理这类专业基础知识，开始学习现代控制论等更加深入的控制理论，已经具备了一定理论基础，同时，动手能力经过了一、二年级各种课程的训练，也有了较大提高。此时进行专业实践课程正好是理论联系实践的关键环节。
南开大学进行教学改革，从2013年开始实施夏季小学期，尝试将专业实践课程安排在夏季小学期的4周时间里集中进行。经过一个小学期的教学，发现效果不够理想，初步分析有两方面原因：一是理论与实践的结合是较缓慢的过程，短期的、集中式的、大量的实验练习不利于学生深入理解理论知识并将其用于指导实验；二是课程工作量较大，课上进行实验，课后书写实验报告，所有工作集中在小学期内完成，学生负担较大。因此实践课程的课时安排应按照循序渐进的原则，分散在一个正常学期里进行比较合适。
2.专业实践课程的内容设置
南开大学智能专业以自动化专业为基础。自动控制原理是智能专业的一门重要基础理论课程，也是一门难度较大的课程。在专业实践课程的内容设置上，要突出与自动控制原理的关联，要求利用自动控制原理的理论知识进行实验。同时，实验的难度应该适中，实验内容应尽量集中在控制理论上，有效利用时间。因此专业实践课程使用了固高科技公司的磁悬浮实验装置和三自由度直升机实验系统这两类教学设备，其突出特点是提供了MATLAB的接口，可以直接在Simulink环境下搭建控制模型，节省了硬件搭建和编程计算方面的时间。
2．1 MATLAB／Simulink简介
是美国MathWorks公司的高级数学计算软件，提供了高级编程语言和交互式编程环境，可用于算法开发、数据分析、数据可视化等，在矩阵运算和绘画方面有突出优点。由于使用近似数学表达式的自然化语言，提供了大量的工具包，能够让用户从繁琐的数学运算中解脱出来，因此无论对初学者还是高级用户来说，它都是一个简单易用、功能强大的数学运算工具。Simulink是的一个软件包，用来对动态系统进行建模、仿真和控制。Simulink提供了多种可用于控制系统仿真的模块，以及多种工程应用中可能使用的模块，如电机系统、机构系统、通信系统等模块集，支持各种控制系统仿真，是自动控制领域首选的仿真软件。
2．2 PID控制仿真和实验
固高科技公司生产的自动控制类教学设备中提供了MATLAB接口，可以方便地在MATLAB/Simulink环境中搭建控制系统。在智能专业实践课程中，我们使用了磁悬浮实验设备和三自由度直升机实验设备，二者操作步骤类似。下面仅以磁悬浮设备为例介绍仿真和实验过程。
磁悬浮实验设备原理较简单，由电磁铁、控制对象（即铁球）、LED光源和传感器构成，其中LED光源和传感器用来检测铁球与电磁铁之间的距离。当铁球受到的电磁力与其重力相等时，铁球就可以悬浮在空中。电磁力F与电磁铁线圈上的电压U以及磁铁与铁球之间的距离x有关。
系统的输入为线圈电压t/,输出为磁铁与铁球之间的距离；c，传递函数为C/⑷2+0-S),A,5、C为线圈参数与铁球等相关的常数。在MATLAB/Simulink中，被控对象由传递函数G描述，建立PID控制模型。
磁悬浮设备已经将实际硬件设备封装成一个模块，当使用实际设备进行实验时，使用该模块替代传递函数，而控制系统的结构无需修改。这样实现了仿真与实验的无缝转换的有力工具。使用S函数创建动画更加简单，但不支持人机交互。
2.3 使用S函数进行可视化仿真
图形动画可以使仿真过程变得更加直观。在MATLAB中可以使用回调函数和S函数两种方法来创建图形动画。回调是一种命令，在某一事件（如鼠标双击)发生时执行，有很好的人机交互性。S函数即系统函数，是扩展Simulink功能S函数是Simulink中的一个模块，同样具备Simulink模块所具备的3个基本元素：输人变量、状态变量、输出变量。在模型仿真的不同阶段，完成对S函数不同的调用任务。使用S函数画图不需要状态函数和输出变量，只需要有两个主要部分：初始化部分和更新部分。在初始化部分创建图形窗口及动画对象；在更新部分，把S函数得到的输人值作为动画对象的属性值，如动画的位置坐标，重新画图。
3.结语
智能科学与技术专业实践课程的设计体现了理论与实践的结合。本文以自动控制原理为基础、MATLAB/Simulink为工具，设计了专业实践课程内容。在课程内容上，使用磁悬浮、直升机实验设备，由于这些设备具有MATLAB接口，学生可以很快地将控制理论应用于实际硬件设备，同时避免了在编程和硬件上花费过多时间，提高了课程效率。如果缺乏实际硬件设备，可以充分利用S函数的画图功能进行动画绘制和演示，通过直观的动画效果，也能取得较好的教学效果。
在控制和仿真方面是一个强大的工具，充分使用它的仿真计算能力和可视化能力，有利于创新设计教学内容，提高教学效率，实现教学改革与创新。
作者简介：许林，男，副教授，研究方向为智能机器人、无线传感器网络、微机电系统。
