自動(dòng)化控制類專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)模式的探討

王巧玲　王軍茹　付興建　劉麗華

【摘 要】實(shí)踐教學(xué)在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)體系中占有十分重要的地位，特別是在當(dāng)前工程應(yīng)用復(fù)合型人才的培養(yǎng)及中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)控制類專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，根據(jù)不同課程的內(nèi)容，結(jié)合同一實(shí)驗(yàn)室設(shè)備平臺(tái)，針對(duì)重復(fù)交叉內(nèi)容，采用融合貫通，提出更有效的優(yōu)化整合方法，以及改革實(shí)踐方法和手段，有效的實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】實(shí)踐教學(xué)；融合；工程實(shí)踐；創(chuàng)新能力；自動(dòng)化專業(yè)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，工程應(yīng)用復(fù)合型人才的培養(yǎng)成為趨勢(shì)，自動(dòng)化專業(yè)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生全面認(rèn)識(shí)和實(shí)踐自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等自動(dòng)化理論知識(shí)，系統(tǒng)掌握工程實(shí)際應(yīng)用設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高學(xué)生系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的能力及水平。而實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力必不可少的環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力最有效的途徑。

針對(duì)北京信息科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱我校）“應(yīng)用技術(shù)主導(dǎo)型”自動(dòng)化本科專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系也已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的改革與探索，包括加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程改革、充分利用實(shí)驗(yàn)資源、加大實(shí)踐教學(xué)力度以及豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等，但目前控制類各專業(yè)課實(shí)驗(yàn)課程之間缺乏合作溝通，出現(xiàn)了內(nèi)容交叉、重復(fù)及部分實(shí)踐內(nèi)容不適應(yīng)培養(yǎng)目標(biāo)等問(wèn)題，整體上缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和銜接。如果對(duì)該類課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)與探討，改革實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，使之相輔相成銜接得當(dāng)，則將更有利于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的整體理解和掌握，也更有利于學(xué)生提高綜合應(yīng)用的能力，為將來(lái)的發(fā)展和就業(yè)也有一定的幫助。

1 專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)的整體規(guī)劃

我校自動(dòng)化控制類專業(yè)課程包括專業(yè)課和專業(yè)任選課，其實(shí)踐教學(xué)在本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中占有十分重要的地位。其中，過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、慣性技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真為專業(yè)必修課，應(yīng)用自適應(yīng)、樓宇自動(dòng)化、集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為專業(yè)任選課，以拓寬學(xué)生知識(shí)面，增強(qiáng)專業(yè)適應(yīng)性。上述課程在內(nèi)容上聯(lián)系緊密，互相之間也都有交叉，但同時(shí)又相互獨(dú)立，每門課程都設(shè)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，部分課后也有課程設(shè)計(jì)及專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)立，各個(gè)環(huán)節(jié)未將本專業(yè)內(nèi)相互聯(lián)系的課程內(nèi)容融合貫通起來(lái)，使學(xué)生對(duì)整個(gè)專業(yè)缺乏整體的了解。如果對(duì)這些課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)與規(guī)劃，實(shí)踐內(nèi)容系統(tǒng)化，將更有利于學(xué)生掌握和運(yùn)用理論知識(shí)、鍛煉綜合實(shí)踐能力。

以我校自動(dòng)化專業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制、應(yīng)用自適應(yīng)、樓宇自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)課程設(shè)計(jì)及自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)等這幾門課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容除了計(jì)算機(jī)仿真類，其他均在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上操作，實(shí)驗(yàn)室采用的是天煌科教THPCAT-2型現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。學(xué)生在自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、應(yīng)用自適應(yīng)課程中掌握了控制系統(tǒng)常用的控制算法和先進(jìn)控制算法，可以以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水箱液位、鍋爐溫度等為被控參數(shù)，通過(guò)MATLAB軟件仿真實(shí)現(xiàn)控制算法的效果。過(guò)程控制、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)中熟練掌握儀表、PLC的工作原理及使用方法和整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及投運(yùn)方法。樓宇自動(dòng)化課程實(shí)驗(yàn)可以利用工控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)樓宇給排水監(jiān)控系統(tǒng)，在掌握實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作的基礎(chǔ)上，結(jié)合硬件完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)課程設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生學(xué)完現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)這門課程的一個(gè)綜合檢驗(yàn)，也是對(duì)學(xué)生PLC技術(shù)掌握的綜合應(yīng)用，題目類型的設(shè)計(jì)可以多樣化，涵蓋仿真類課程中的一些實(shí)例。而后的“自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)是對(duì)所有專業(yè)課理論知識(shí)的綜合運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排上可將仿真類的課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際的算法研究與驗(yàn)證。

2 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的改革

隨著自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 對(duì)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和水平提出了新的要求。近年來(lái)中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證制度成為教育界、工程界的廣泛共識(shí)，再結(jié)合我校自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案，那么在這樣的背景下，急切需要從實(shí)際工程的角度出發(fā)，探尋專業(yè)內(nèi)各課程之間實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相融合的新模式，旨在提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)要以培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力為目標(biāo)，在熟練掌握基本理論知識(shí)和操作技能的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程技術(shù)，大量增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比例，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排也應(yīng)從簡(jiǎn)單到綜合，對(duì)于各課程間交叉重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)協(xié)調(diào)合作，做到相輔相成。

以專業(yè)基礎(chǔ)課課程實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在熟悉自動(dòng)化專業(yè)所涉及的控制器設(shè)計(jì)、儀表設(shè)備的使用和測(cè)量方法后，專業(yè)課課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排則重點(diǎn)在于解決理論與實(shí)踐相結(jié)合、提高綜合實(shí)踐能力的問(wèn)題。課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多以任務(wù)書的形式發(fā)放，即提出實(shí)驗(yàn)要求和具體要達(dá)到實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，指導(dǎo)教師采用啟發(fā)式教學(xué)思想，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)包括算法程序的編寫、設(shè)備選型、方案設(shè)計(jì)等需要學(xué)生獨(dú)立完成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也由簡(jiǎn)單的操作變成復(fù)雜的系統(tǒng)操作，很顯然，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠促進(jìn)學(xué)生扎實(shí)的掌握理論知識(shí)，以及過(guò)硬的實(shí)際操作技能。而課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)獨(dú)立實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)由選題、方案設(shè)計(jì)與論證、仿真設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及軟硬件聯(lián)調(diào)、總結(jié)報(bào)告等組成，必要時(shí)可以采用分組的形式進(jìn)行。同時(shí)，也可在畢業(yè)設(shè)計(jì)中增加課程相關(guān)應(yīng)用課題，讓學(xué)生能夠?qū)φn程有更加深入的學(xué)習(xí)。

由于實(shí)踐教學(xué)投入不足、我校實(shí)驗(yàn)室面積短缺、以及過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備占地面積大、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，自動(dòng)化專業(yè)部分專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重不足，臺(tái)套數(shù)比較少，而這與培養(yǎng)工程技術(shù)人才相違背，那么采取實(shí)驗(yàn)室全開(kāi)放，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)顯得尤為重要。所以在完成專業(yè)必修課之外，開(kāi)設(shè)了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，為了激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的實(shí)踐精神，更好的利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，相關(guān)老師近年來(lái)設(shè)計(jì)了一批開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括課內(nèi)拓展型和自主創(chuàng)新型，同時(shí)也有學(xué)生自創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，效果良好，鍛煉了學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用和實(shí)際工程的解決問(wèn)題能力。同時(shí)組織各類設(shè)計(jì)大賽，鼓勵(lì)學(xué)生參加西門子杯全國(guó)大學(xué)生控制系統(tǒng)仿真大賽，進(jìn)而增強(qiáng)工程實(shí)踐能力。

3 教學(xué)方法和手段的多樣化

目前各課程任課教師各自獨(dú)立實(shí)施課程教學(xué)，對(duì)于知識(shí)內(nèi)容的交叉重復(fù)很少交流溝通，課程的實(shí)踐教學(xué)之間也沒(méi)有很好的“協(xié)作”，學(xué)生是“被動(dòng)”實(shí)踐，這種“各自為政”的教學(xué)模式，往往使學(xué)生在真正面對(duì)一個(gè)實(shí)際工程時(shí)感到困惑。有效解決的方法即加強(qiáng)與各課程任課教師的溝通，合理安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，互相滲透，在實(shí)踐中相互協(xié)作，以現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制對(duì)象實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)展多課程融合式實(shí)踐教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

被動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)通常是指由指導(dǎo)教師擬好實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班就可以順利完成實(shí)驗(yàn)，這樣的方式不利于學(xué)生獨(dú)立思考及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)也沒(méi)什么良好的效果。目前多數(shù)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)前發(fā)布任務(wù)書，任務(wù)書中只包含實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)、可選的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求等，具體實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的調(diào)試均由學(xué)生獨(dú)立完成，指導(dǎo)教師對(duì)方案進(jìn)行審查，并在實(shí)際操作中給予一定的指導(dǎo)。通過(guò)這種以學(xué)生為主的、啟發(fā)式的實(shí)驗(yàn)方式，很明顯能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性，切實(shí)提高了實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。對(duì)于例如現(xiàn)場(chǎng)總線課程設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)這種獨(dú)立實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，采用分組形式，每組同學(xué)間分配不同任務(wù)，組員合作共同完成，并以小組形式匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。各課程任課教師也將此形式用于課堂，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于學(xué)生融會(huì)貫通本課程知識(shí)點(diǎn)，甚至多個(gè)課程的知識(shí)點(diǎn)都有一定的幫助作用。

隨著互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)踐教學(xué)手段也不僅僅拘于課堂形式，可以采取慕課形式，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和學(xué)校數(shù)字圖書館資源作為輔助教學(xué)，彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足。另一方面，計(jì)算機(jī)仿真軟件也為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提供了有力的輔助工具，自動(dòng)化專業(yè)課實(shí)踐經(jīng)常用到的MATLAB、PLC Simulator，還有MCGS、STEP7、WINCC等組態(tài)軟件，這些軟件在實(shí)驗(yàn)前期控制算法的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都起到了很大的作用，比如運(yùn)用MATLAB軟件編寫PID或者更先進(jìn)的控制算法，調(diào)試成功后，運(yùn)用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面，最后再運(yùn)用OPC技術(shù)，使得MATLAB與工控組態(tài)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)控制算法在實(shí)際對(duì)象當(dāng)中的應(yīng)用，具有一定的工程實(shí)際意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)我?！皯?yīng)用技術(shù)主導(dǎo)型”自動(dòng)化本科專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有環(huán)境，提高學(xué)生系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的能力和水平，針對(duì)自動(dòng)化控制類專業(yè)課從實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的整體規(guī)劃、實(shí)踐教學(xué)方法和手段等方面進(jìn)行改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，使學(xué)生能夠系統(tǒng)的了解自動(dòng)化專業(yè)的新技術(shù)和新方法，加深對(duì)課程理論知識(shí)的理解。充分利用實(shí)驗(yàn)室資源有效提高學(xué)生動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用的能力，使學(xué)生在步入社會(huì)之前，能夠得到一些工程技術(shù)上的鍛煉。實(shí)踐過(guò)程中也難免會(huì)存在一些問(wèn)題和不足， 希望在進(jìn)一步的教學(xué)實(shí)踐中不斷完善和優(yōu)化。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]