構(gòu)建測控實(shí)踐教學(xué)體系 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新科研能力

杜云 孟凡華 黃公發(fā) 宋哲英

摘 要：為了使畢業(yè)生和企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)“零對(duì)接”，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新科研能力，測控技術(shù)與儀器專業(yè)以專業(yè)知識(shí)為背景，結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程，構(gòu)建了基于應(yīng)用型人才的實(shí)踐教學(xué)體系。該體系包括相互交叉、各有特色、點(diǎn)面結(jié)合的四個(gè)層次：“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)”、“綜合設(shè)計(jì)”、“創(chuàng)新研究”和“工程實(shí)踐”，為培養(yǎng)測控專業(yè)面向21世紀(jì)專業(yè)人才，全面推進(jìn)素質(zhì)教育奠定了良好的基礎(chǔ)。并以單片微機(jī)六周個(gè)性化環(huán)節(jié)為例，具體介紹了該環(huán)節(jié)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)模式，為學(xué)生提供了創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)平臺(tái)，培養(yǎng)了其完整開發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品的能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)體系；創(chuàng)新教育；零對(duì)接；素質(zhì)教育；個(gè)性化訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）14-0029-03

Abstract： In order to make the graduates and enterprises truly realize the "zero docking" and train students ability of innovate scientific research， the practice teaching system is set up in the Measurement and Control Major. It is based on the background of professional knowledge and the actual industrial production process.The system includes four interdisciplinary and distinctive levels： "in-class experiment"， "comprehensive design"， "innovation research" and "engineering practice"， which are designed to cultivate the professional and technical talents of the 21st century and lay a good foundation on promote quality education. Taking a single microcomputer as an example， it is personalized for six weeks， which specifically introduces the task-driven practice teaching model. It provides a creative learning platform for students and cultivates students' ability to develop a complete microcomputer products.

Keywords： practical teaching system； innovation education； zero docking； quality education； individualized training

一、概述

美國曾做過一個(gè)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)50年代，研究開發(fā)人才、一線技術(shù)工程人員、熟練工人的比例為2：2：6，到90年代變?yōu)?：6：2。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果不僅反映出經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)應(yīng)用型、創(chuàng)新型本科人才需求的增加[1]，對(duì)高校畢業(yè)生實(shí)際應(yīng)用水平的提高提出了要求，也從另一面反映出高校應(yīng)根據(jù)這種變化及時(shí)調(diào)整人才培養(yǎng)模式。培養(yǎng)創(chuàng)新人才是社會(huì)發(fā)展的需求，更是當(dāng)前高等教育的首要任務(wù)。如何構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，更新實(shí)踐教學(xué)體系，成為地方本科院校亟待解決的任務(wù)。作為寬口徑的電氣信息類測控技術(shù)與儀器專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)該是能綜合運(yùn)用理論和方法分析、解決實(shí)際問題的高級(jí)復(fù)合型、應(yīng)用型人才，所以專業(yè)依據(jù)自身辦學(xué)條件和專業(yè)特點(diǎn)，根據(jù)“加強(qiáng)基礎(chǔ)、淡化專業(yè)、拓寬知識(shí)面、注重工程實(shí)踐”的教學(xué)指導(dǎo)思想，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的探索與實(shí)踐[2]。

二、遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)體系

多年來，測控技術(shù)與儀器專業(yè)在培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力方面，依托各種實(shí)踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建了遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)體系如圖1所示。該體系包括課內(nèi)實(shí)踐和課外實(shí)踐兩方面，共分四個(gè)層面：第一層為專業(yè)基本能力層，訓(xùn)練學(xué)生基本技能，掌握本課程的基本知識(shí)；第二層為工程師能力層，通過綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)，提高設(shè)計(jì)能力；第三層為創(chuàng)新研究層，通過課外科技活動(dòng)、科技競賽等，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；第四層為工程實(shí)踐層，通過各種實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，真正實(shí)現(xiàn)“零對(duì)接”。通過該實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建，可在不同分支實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)及教學(xué)過程中，根據(jù)各層次對(duì)學(xué)生基本技能的要求，對(duì)教學(xué)軟硬件條件、師資隊(duì)伍、教學(xué)方法和模式方面進(jìn)行針對(duì)性的建設(shè)，使各個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)既能承擔(dān)整個(gè)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)鏈條中的特定實(shí)踐訓(xùn)練任務(wù)，又具有承上啟下的功能[3]。

在整個(gè)實(shí)踐教學(xué)體系中，很多實(shí)踐環(huán)節(jié)并沒有考慮學(xué)生個(gè)性差異，因此在第七學(xué)期，增加了六周個(gè)性化訓(xùn)練環(huán)節(jié)。在六周個(gè)性化訓(xùn)練中，專業(yè)老師根據(jù)自己的特長，設(shè)立了包括單片機(jī)、PLC、虛擬儀器、組態(tài)軟件等在內(nèi)的6個(gè)專題。學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和擅長的技能，自由選擇某個(gè)專題。該環(huán)節(jié)設(shè)置在畢業(yè)設(shè)計(jì)之前，生產(chǎn)實(shí)習(xí)之后，起到承上啟下的作用，使學(xué)生即能對(duì)理論知識(shí)掌握得更加深入，又能對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)階段獲得的能力得到強(qiáng)化和拓展；為畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供很好的方法論，使得學(xué)生能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段快速進(jìn)入狀態(tài)，自主完成設(shè)計(jì)。

三、單片機(jī)個(gè)性化訓(xùn)練專題

（一）專題設(shè)計(jì)目的

單片機(jī)既有一般微型計(jì)算機(jī)的功能、特點(diǎn)和原理，又具有技術(shù)水平高、應(yīng)用起點(diǎn)低的特點(diǎn)，很容易和某一行業(yè)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。以往單片機(jī)實(shí)訓(xùn)課程采取“理論+實(shí)驗(yàn)+綜合設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式，按照教材順序進(jìn)行理論講解。實(shí)踐環(huán)節(jié)主要是用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，往往停留在學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行插線、輸入程序進(jìn)行驗(yàn)證的傳統(tǒng)教學(xué)模式。這種教學(xué)模式雖然有利于理論知識(shí)的鞏固，鍛煉學(xué)生的編程設(shè)計(jì)能力，但會(huì)使學(xué)生不知道單片機(jī)在實(shí)踐中的真正作用，容易喪失學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生沒有一個(gè)整體的測控系統(tǒng)概念，缺乏開發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品的經(jīng)歷和能力。因此專業(yè)老師提出的單片機(jī)個(gè)性化訓(xùn)練專題，以單片機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)貫穿測控技術(shù)與儀器大部分專業(yè)知識(shí)。

（二）單片機(jī)技術(shù)專題內(nèi)容

1. 整體方案

專題訓(xùn)練采取項(xiàng)目式教學(xué)，在實(shí)訓(xùn)室集中訓(xùn)練組織實(shí)施。先由教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行必要的課堂講解和分析，要求學(xué)生在六周內(nèi)完成硬件電路設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試、軟件編程、下載運(yùn)行、故障排除等。

單片機(jī)專題每年內(nèi)容會(huì)有所不同，以2016年要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)溫度測控系統(tǒng)為例，從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位的訓(xùn)練。

理論方面從系統(tǒng)概念入手，通過實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，分析對(duì)象物理特性，建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在建立數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)對(duì)溫度參量的測控系統(tǒng)，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，用MATLAB語言仿真，分析系統(tǒng)性能。

實(shí)踐方面從制作溫度對(duì)象入手，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制器的軟硬件測控系統(tǒng)。包括單片機(jī)的選型、溫度信號(hào)測量電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、必要的人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)等。完成方案設(shè)計(jì)、器件選型、焊接實(shí)物和實(shí)際調(diào)試的全過程。

2. 設(shè)計(jì)步驟

整個(gè)設(shè)計(jì)具體步驟分為硬件設(shè)計(jì)、理論分析與仿真、系統(tǒng)焊接調(diào)試三個(gè)方面。

（1）硬件設(shè)計(jì)

a. 制作溫度對(duì)象

一般來講，最簡易最便宜的溫度對(duì)象是電爐絲，所以購買了2000瓦的交流電爐絲加熱爐。但是考慮學(xué)生安全操作要求，把220V交流電爐絲按照長度比例，并考慮有效值，截取12V長度的電爐絲即可，對(duì)應(yīng)的功率約108瓦，改造為直流12V的電爐絲，采用直流供電加熱，這樣既安全又容易制作直流電壓可調(diào)的功率放大器。

b. 選擇合理的傳感器

對(duì)于溫度對(duì)象，可以采用熱電阻、熱電偶或單片集成測溫芯片18B20等測溫元件完成溫度測量。學(xué)生可以根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)、自主選擇傳感器。本部分要求學(xué)生根據(jù)《檢測儀表》、《誤差分析》等相關(guān)知識(shí)，考察當(dāng)前市場上各型號(hào)產(chǎn)品的應(yīng)用情況，合理選擇溫度傳感器。

c. 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路

學(xué)生需要考慮電爐絲的功率108W，供電電壓直流12V，所以額定電流最大不超過9A，所以必須選擇功率放大元件耐壓24V以上、耐流20A以上的器件。本部分要求學(xué)生根據(jù)《電路》和《模擬電子技術(shù)》等相關(guān)知識(shí)，選擇合理的功放元件，設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)電路。

d. 單片機(jī)選型

學(xué)生需要選用性價(jià)比較高的單片機(jī)構(gòu)成核心控制電路，控制輸出采用PWM（即脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)。為了使單片機(jī)穩(wěn)定工作，需要設(shè)計(jì)適合于單片機(jī)的穩(wěn)壓電路，而且設(shè)計(jì)中要考慮單片機(jī)工作的抗干擾問題。

e. 輔助功能電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定值可調(diào)，需要設(shè)計(jì)按鍵電路；為了實(shí)現(xiàn)溫度值的實(shí)時(shí)顯示，需要設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示電路。

f. 電路仿真

將上面設(shè)計(jì)的電路搭建起來后，需要通過電路仿真軟件進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證硬件電路的正確性。

（2）理論分析與仿真

a. 建立控制對(duì)象的模型

給電爐絲突加一個(gè)階躍信號(hào)，獲得溫度變化曲線，根據(jù)曲線響應(yīng)法獲得對(duì)象模型，經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)分析，建立電阻爐這個(gè)一階慣性加純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)行PID控制提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本部分要求學(xué)生根據(jù)《自動(dòng)控制原理》等相關(guān)知識(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，構(gòu)建出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

b. 控制系統(tǒng)仿真并整定PID控制器參數(shù)

應(yīng)用MATLAB語言，搭建溫度對(duì)象的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器采用常規(guī)的PID，通過仿真，選擇合理的控制器參數(shù)。

（3）系統(tǒng)調(diào)試

a. 編制匯編程序?qū)崿F(xiàn)控制器的運(yùn)算

將理論仿真的控制方法，移植到單片機(jī)上，用匯編語言編寫PID控制程序、按鍵功能、顯示功能和溫度采集功能等程序。

b. 運(yùn)行和調(diào)試系統(tǒng)

運(yùn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)，觀察實(shí)際控制效果，通過微調(diào)控制參數(shù)，最后取得理想的預(yù)期效果。

本部分要求學(xué)生綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)理論知識(shí)，對(duì)出現(xiàn)的實(shí)際問題加以分析、調(diào)試、解決，最終得到滿意的控制效果。

3. 實(shí)施效果

通過理論分析，進(jìn)而對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，取得了很好的預(yù)期效果，讓學(xué)生體驗(yàn)到了自己動(dòng)手設(shè)計(jì)并取得成功的喜悅。使學(xué)生真正獲得理論聯(lián)系實(shí)際，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論的實(shí)戰(zhàn)能力。該環(huán)節(jié)已實(shí)施五屆，學(xué)生對(duì)單片機(jī)的理解和認(rèn)識(shí)有了明顯的進(jìn)步：在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中，進(jìn)一步掌握了課程要求的知識(shí)和技能，縮短了從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過程，加強(qiáng)了分析問題和解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，有利于提高實(shí)際應(yīng)用能力，增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)；很好地培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)興趣，大部分學(xué)生在實(shí)踐中通過對(duì)硬件和軟件的認(rèn)知、操作和編程，對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了較濃厚的興趣，有些學(xué)生自選單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)課題在課下自行設(shè)計(jì)研究，促進(jìn)了學(xué)生的電子設(shè)計(jì)能力；提高了就業(yè)能力，真正達(dá)到了實(shí)施個(gè)性化訓(xùn)練的目的[6]。

四、結(jié)束語

在測控專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系中，四個(gè)環(huán)節(jié)定位準(zhǔn)確、銜接緊密，平滑過渡與重復(fù)強(qiáng)化相結(jié)合，注重學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性、集成環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性；注重創(chuàng)新思維意識(shí)和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學(xué)生的基本動(dòng)手能力和規(guī)范的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將學(xué)生的知識(shí)系統(tǒng)化，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知能力，使學(xué)生初步具有分析、設(shè)計(jì)能力。其中個(gè)性化訓(xùn)練環(huán)節(jié)涉及到多門課程的綜合運(yùn)用，通過六周的訓(xùn)練和實(shí)踐，使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握了所學(xué)的專業(yè)知識(shí)。創(chuàng)新研究環(huán)節(jié)是對(duì)綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的強(qiáng)化，又是工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。最后，通過工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，將一個(gè)大學(xué)的“學(xué)才”轉(zhuǎn)化為社會(huì)需求的“人才”[7]。經(jīng)過幾年來的實(shí)踐結(jié)果表明，該遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)合理，效果明顯，我院學(xué)生由于創(chuàng)新能力突出，深受用人單位的歡迎，一次就業(yè)率逐年上升。

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