自動化控制類專業(yè)課實踐教學(xué)模式的探討

王巧玲 王軍茹 付興建 劉麗華

（北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，中國 北京100192）

自動化控制類專業(yè)課實踐教學(xué)模式的探討

王巧玲 王軍茹 付興建 劉麗華

（北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，中國 北京100192）

實踐教學(xué)在自動化專業(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)及中國工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，對自動化專業(yè)控制類專業(yè)課程實踐教學(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)合同一實驗室設(shè)備平臺，針對重復(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，以及改革實踐方法和手段，有效的實現(xiàn)學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

實踐教學(xué)；融合；工程實踐；創(chuàng)新能力；自動化專業(yè)

0 引言

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

針對北京信息科技大學(xué)（以下簡稱我校）“應(yīng)用技術(shù)主導(dǎo)型”自動化本科專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，自動化專業(yè)的實踐教學(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)實驗課程改革、充分利用實驗資源、加大實踐教學(xué)力度以及豐富實驗內(nèi)容等，但目前控制類各專業(yè)課實驗課程之間缺乏合作溝通，出現(xiàn)了內(nèi)容交叉、重復(fù)及部分實踐內(nèi)容不適應(yīng)培養(yǎng)目標(biāo)等問題，整體上缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和銜接。如果對該類課程實驗進(jìn)行整體設(shè)計與探討，改革實踐教學(xué)內(nèi)容，使之相輔相成銜接得當(dāng)，則將更有利于學(xué)生對專業(yè)知識的整體理解和掌握，也更有利于學(xué)生提高綜合應(yīng)用的能力，為將來的發(fā)展和就業(yè)也有一定的幫助。

1 專業(yè)課實踐教學(xué)的整體規(guī)劃

我校自動化控制類專業(yè)課程包括專業(yè)課和專業(yè)任選課，其實踐教學(xué)在本專業(yè)實踐教學(xué)體系中占有十分重要的地位。其中，過程控制、運動控制、慣性技術(shù)、計算機(jī)控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)仿真為專業(yè)必修課，應(yīng)用自適應(yīng)、樓宇自動化、集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線技術(shù)作為專業(yè)任選課，以拓寬學(xué)生知識面，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，但同時又相互獨立，每門課程都設(shè)有相應(yīng)的實驗內(nèi)容，部分課后也有課程設(shè)計及專業(yè)綜合實驗的設(shè)立，各個環(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，使學(xué)生對整個專業(yè)缺乏整體的了解。如果對這些課程的實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行整體設(shè)計與規(guī)劃，實踐內(nèi)容系統(tǒng)化，將更有利于學(xué)生掌握和運用理論知識、鍛煉綜合實踐能力。

以我校自動化專業(yè)自動控制系統(tǒng)仿真、計算機(jī)控制系統(tǒng)、過程控制、應(yīng)用自適應(yīng)、樓宇自動化、現(xiàn)場總線技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)課程設(shè)計及自動控制系統(tǒng)綜合實驗等這幾門課程實驗內(nèi)容為例，上述實驗內(nèi)容除了計算機(jī)仿真類，其他均在同一實驗平臺上操作，實驗室采用的是天煌科教THPCAT-2型現(xiàn)場總線過程控制對象系統(tǒng)實驗裝置。學(xué)生在自動控制系統(tǒng)仿真、計算機(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，可以以實驗平臺的水箱液位、鍋爐溫度等為被控參數(shù)，通過MATLAB軟件仿真實現(xiàn)控制算法的效果。過程控制、現(xiàn)場總線技術(shù)課程實驗中熟練掌握儀表、PLC的工作原理及使用方法和整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及投運方法。樓宇自動化課程實驗可以利用工控組態(tài)軟件設(shè)計樓宇給排水監(jiān)控系統(tǒng)，在掌握實驗平臺操作的基礎(chǔ)上，結(jié)合硬件完成整個系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試?，F(xiàn)場總線技術(shù)課程設(shè)計是對學(xué)生學(xué)完現(xiàn)場總線技術(shù)這門課程的一個綜合檢驗，也是對學(xué)生PLC技術(shù)掌握的綜合應(yīng)用，題目類型的設(shè)計可以多樣化，涵蓋仿真類課程中的一些實例。而后的“自動控制系統(tǒng)綜合實驗”獨立實踐環(huán)節(jié)是對所有專業(yè)課理論知識的綜合運用，實驗內(nèi)容安排上可將仿真類的課程實驗項目在實驗平臺上進(jìn)行實際的算法研究與驗證。

2 實踐教學(xué)內(nèi)容的改革

隨著自動化和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和水平提出了新的要求。近年來中國工程教育專業(yè)認(rèn)證制度成為教育界、工程界的廣泛共識，再結(jié)合我校自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案，那么在這樣的背景下，急切需要從實際工程的角度出發(fā)，探尋專業(yè)內(nèi)各課程之間實踐教學(xué)內(nèi)容相融合的新模式，旨在提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。整個實驗體系的建設(shè)要以培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實際、提出問題、分析問題及解決問題的能力為目標(biāo)，在熟練掌握基本理論知識和操作技能的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程技術(shù)，大量增加設(shè)計性、綜合性實驗內(nèi)容的比例，具體實驗內(nèi)容的安排也應(yīng)從簡單到綜合，對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)課課程實驗為基礎(chǔ)，在熟悉自動化專業(yè)所涉及的控制器設(shè)計、儀表設(shè)備的使用和測量方法后，專業(yè)課課程實驗內(nèi)容的安排則重點在于解決理論與實踐相結(jié)合、提高綜合實踐能力的問題。課程實驗內(nèi)容多以任務(wù)書的形式發(fā)放，即提出實驗要求和具體要達(dá)到實驗指標(biāo)，指導(dǎo)教師采用啟發(fā)式教學(xué)思想，實驗過程的設(shè)計包括算法程序的編寫、設(shè)備選型、方案設(shè)計等需要學(xué)生獨立完成。實驗內(nèi)容也由簡單的操作變成復(fù)雜的系統(tǒng)操作，很顯然，綜合性、設(shè)計性實驗項目能夠促進(jìn)學(xué)生扎實的掌握理論知識，以及過硬的實際操作技能。而課程設(shè)計和綜合實驗獨立實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以從實際工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計一個或多個復(fù)雜系統(tǒng)，實驗任務(wù)由選題、方案設(shè)計與論證、仿真設(shè)計、硬件設(shè)計及軟硬件聯(lián)調(diào)、總結(jié)報告等組成，必要時可以采用分組的形式進(jìn)行。同時，也可在畢業(yè)設(shè)計中增加課程相關(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)。

由于實踐教學(xué)投入不足、我校實驗室面積短缺、以及過程控制現(xiàn)場總線設(shè)備占地面積大、價格昂貴等問題，自動化專業(yè)部分專業(yè)課實踐教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重不足，臺套數(shù)比較少，而這與培養(yǎng)工程技術(shù)人才相違背，那么采取實驗室全開放，學(xué)生可以隨時進(jìn)行實踐學(xué)習(xí)顯得尤為重要。所以在完成專業(yè)必修課之外，開設(shè)了開放性實驗，為了激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的實踐精神，更好的利用實驗設(shè)備，相關(guān)老師近年來設(shè)計了一批開放實驗項目，包括課內(nèi)拓展型和自主創(chuàng)新型，同時也有學(xué)生自創(chuàng)的實驗項目，效果良好，鍛煉了學(xué)生對知識的綜合運用和實際工程的解決問題能力。同時組織各類設(shè)計大賽，鼓勵學(xué)生參加西門子杯全國大學(xué)生控制系統(tǒng)仿真大賽，進(jìn)而增強(qiáng)工程實踐能力。

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立實施課程教學(xué)，對于知識內(nèi)容的交叉重復(fù)很少交流溝通，課程的實踐教學(xué)之間也沒有很好的“協(xié)作”，學(xué)生是“被動”實踐，這種“各自為政”的教學(xué)模式，往往使學(xué)生在真正面對一個實際工程時感到困惑。有效解決的方法即加強(qiáng)與各課程任課教師的溝通，合理安排實踐教學(xué)內(nèi)容，互相滲透，在實踐中相互協(xié)作，以現(xiàn)場總線過程控制對象實驗裝置為實踐教學(xué)平臺，開展多課程融合式實踐教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

被動式實踐教學(xué)通常是指由指導(dǎo)教師擬好實驗內(nèi)容、實驗方法和實驗步驟，學(xué)生只需按照實驗指導(dǎo)書按部就班就可以順利完成實驗，這樣的方式不利于學(xué)生獨立思考及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，實驗也沒什么良好的效果。目前多數(shù)采用任務(wù)驅(qū)動式實踐教學(xué)方法，實驗前發(fā)布任務(wù)書，任務(wù)書中只包含實驗要求、實驗指標(biāo)、可選的儀器設(shè)備、實驗注意事項及實驗報告要求等，具體實驗方案的設(shè)計及實驗過程的調(diào)試均由學(xué)生獨立完成，指導(dǎo)教師對方案進(jìn)行審查，并在實際操作中給予一定的指導(dǎo)。通過這種以學(xué)生為主的、啟發(fā)式的實驗方式，很明顯能夠調(diào)動學(xué)生的積極主動性，切實提高了實踐能力與創(chuàng)新能力。對于例如現(xiàn)場總線課程設(shè)計、自動控制系統(tǒng)綜合實驗這種獨立實踐教學(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，并以小組形式匯報實驗結(jié)果。各課程任課教師也將此形式用于課堂，結(jié)合實驗設(shè)備或者實驗結(jié)果，對于學(xué)生融會貫通本課程知識點，甚至多個課程的知識點都有一定的幫助作用。

隨著互聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實踐教學(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)平臺和學(xué)校數(shù)字圖書館資源作為輔助教學(xué)，彌補(bǔ)實踐教學(xué)條件的不足。另一方面，計算機(jī)仿真軟件也為實踐教學(xué)環(huán)節(jié)提供了有力的輔助工具，自動化專業(yè)課實踐經(jīng)常用到的MATLAB、PLC Simulator，還有MCGS、STEP7、WINCC等組態(tài)軟件，這些軟件在實驗前期控制算法的設(shè)計、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等都起到了很大的作用，比如運用MATLAB軟件編寫PID或者更先進(jìn)的控制算法，調(diào)試成功后，運用組態(tài)軟件設(shè)計系統(tǒng)運行監(jiān)控界面，最后再運用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，從而實現(xiàn)了先進(jìn)控制算法在實際對象當(dāng)中的應(yīng)用，具有一定的工程實際意義。

4 結(jié)束語

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

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［責(zé)任編輯：朱麗娜］

此文受北京信息科技大學(xué)2012年教學(xué)改革 (2012JGYB14）、北京信息科技大學(xué)2016年研究生教育質(zhì)量工程類項目(5111623304)、北京信息科技大學(xué)2016年教改項目(2016JGYB14、2016JGYB16)立項資助。

王巧玲（1978—），女，陜西大荔人，實驗師，研究方向為過程控制、現(xiàn)場總線等。