以提升自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生工程意識為導(dǎo)向教學(xué)改革研究

周煥銀， 王平風(fēng)， 劉樹博， 黃永忠， 李百余

(東華理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江西 南昌 330013)

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以提升自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生工程意識為導(dǎo)向教學(xué)改革研究

周煥銀， 王平風(fēng)， 劉樹博， 黃永忠， 李百余

(東華理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江西 南昌 330013)

通過對學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)以及相關(guān)工程類院系的調(diào)研，總結(jié)了教學(xué)中在理論、實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐等方面存在的一些問題。通過與多位專業(yè)課教師共同研究，介紹了以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為導(dǎo)向的一系列教學(xué)改革措施，并在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用。

工程素質(zhì)；自動(dòng)化；實(shí)踐訓(xùn)練；教學(xué)改革

周煥銀，王平風(fēng)，劉樹博，等.以提升自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生工程意識為導(dǎo)向教學(xué)改革研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2017，36(2)：178-181.

Zhou Huan-yin, Wang Ping-feng, Liu Shu-bo, et al.Teaching reform to improve the engineering quality of students majoring in automation [J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2017，36(2)：178-181.

自動(dòng)化專業(yè)工程教育是伴隨著自動(dòng)化技術(shù)在社會生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用而興起的，是一門面向被控對象，解決實(shí)際問題的學(xué)科[1,2]。自動(dòng)化工程領(lǐng)域要求相關(guān)專業(yè)能培養(yǎng)出知識面廣、理論基礎(chǔ)雄厚、能力強(qiáng)、高素質(zhì)的復(fù)合型人才[3,4]。自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生不僅應(yīng)掌握自動(dòng)控制方面的理論知識，同時(shí)應(yīng)具有理論聯(lián)系實(shí)際的能力，具備較強(qiáng)的工程意識。工程意識以創(chuàng)新意識、實(shí)踐意識和團(tuán)隊(duì)意識為主要特征[5]。在科技、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代社會更需要大批具有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和多學(xué)科適應(yīng)性的高素質(zhì)工程人才[6]。工程意識是工程教育最重要、最基本的素質(zhì)之一，也是當(dāng)今高等工程教育的薄弱環(huán)節(jié)之一。

實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生工程意識與素質(zhì)方面有著重要的作用。工程意識與素質(zhì)的形成需要人們在長期從事工程實(shí)踐中逐漸積累關(guān)于客觀世界的一種潛在認(rèn)識與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[7-9]。在大學(xué)期間，通過實(shí)踐教學(xué)的形式對學(xué)生工程意識與素質(zhì)進(jìn)行潛移默化的培養(yǎng)，不僅可為理解理論知識如何在工程中應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)有助于學(xué)生進(jìn)入社會后快速熟悉工程項(xiàng)目，從而加快學(xué)生對實(shí)際工程的理解。

1 自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的教育體系下，中國的高等工程教育仍存在一些問題，工程技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量問題亟待解決。自動(dòng)化專業(yè)在控制類課程教學(xué)方面存在如下問題：(1) 過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生理論教學(xué)知識的掌握程度，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱；(2) 綜合型、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)少，對學(xué)生未進(jìn)行良好的科研素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)；(3) 工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)雖然受到一定程度的重視，但往往側(cè)重于操作技能的培養(yǎng)，而忽略了對學(xué)生獲取信息能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖1 教學(xué)改革的總體方案圖

2 相應(yīng)解決方案

為了提高自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)生的工程素質(zhì)與工程意識，本文根據(jù)學(xué)校相關(guān)專業(yè)出現(xiàn)的教學(xué)問題，對理論、實(shí)驗(yàn)、校外實(shí)習(xí)等內(nèi)容進(jìn)行了一系列教學(xué)改革。在理論教學(xué)改革中注重專業(yè)理論與實(shí)際工程的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)有所用的理念；在實(shí)驗(yàn)中，多開發(fā)綜合型實(shí)驗(yàn)，注重培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析解決實(shí)際問題的能力，以培養(yǎng)學(xué)生工程意識為目的；在校內(nèi)、外實(shí)踐環(huán)節(jié)中根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，進(jìn)行老師放手、自主選題、共同完成小型控制類工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路，以挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力以及培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，提升學(xué)生工程素質(zhì)與工程意識。采用的主要改革方案如圖1所示。

2.1 理論教學(xué)改革

理論教學(xué)過程中，以理論為主、經(jīng)典工程案例為輔，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。自動(dòng)化專業(yè)是以培養(yǎng)社會需要的具有較高控制工程意識的人才為目標(biāo)的?？刂祁悓I(yè)課程具有原理復(fù)雜和算法抽象等特點(diǎn)，而在理論教學(xué)當(dāng)中，教師偏重于控制理論與原理的理論分析、推導(dǎo)、驗(yàn)證和控制算法的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，使得學(xué)生對相關(guān)控制理論作用與意義無明確概念，造成學(xué)生錯(cuò)以為專業(yè)課用處不大，無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值等消極觀念。另外，由于學(xué)生未參與過工程實(shí)踐，學(xué)生認(rèn)為這些理論晦澀難懂，不知所云，興趣不高。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對“自動(dòng)控制原理”、“微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“現(xiàn)代控制理論”等控制類講授系統(tǒng)和理論的課程，應(yīng)在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生了解相關(guān)理論與工程系統(tǒng)的應(yīng)用背景。理論教學(xué)改革中，學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教師所授相關(guān)控制類課程，選用簡單明了而不乏生動(dòng)有趣的工程案例，同時(shí)不偏離實(shí)際，這樣學(xué)生在有趣環(huán)境中激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，讓學(xué)生體會到相關(guān)理論的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀并充分利用學(xué)校教學(xué)資源，理論教學(xué)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改革。

(1)項(xiàng)目式教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。對于理論分析、算法驗(yàn)證等抽象問題，通過一個(gè)個(gè)實(shí)際工程進(jìn)行講解，采用多種手段并進(jìn)的方法驗(yàn)證重要算法，從而提高學(xué)生探索問題、解決問題的興趣。對一些基本理論(如自動(dòng)控制原理的動(dòng)態(tài)性能分析、穩(wěn)定性分析等) 通過MATLAB仿真工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、講解、說明，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；對于一些重要控制理論或控制算法，如自動(dòng)控制原理PID控制算法、微計(jì)算機(jī)控制原理的大林算法、現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋法等，則通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或錄制影像的方式再現(xiàn)某些工程類項(xiàng)目背景，讓學(xué)生了解控制理論在工程中作用意義等，激發(fā)他們學(xué)習(xí)興趣，加深對理論或算法的理解與掌握，并培養(yǎng)工程意識。

(2)多門控制類課程綜合教學(xué)方法，提升工程意識。自動(dòng)化專業(yè)的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀與控制觀，專業(yè)面廣，涉及控制類多門課程、單片機(jī)、電力電子技術(shù)等，且在某些工程案例中可能涉及到多門學(xué)科內(nèi)容，這就要求教學(xué)中在偏重本門課程相關(guān)理論的前提下，對所涉及的其它理論內(nèi)容簡單介紹、講解，讓學(xué)生較全面地了解被控對象的本質(zhì)，理解控制理論在工程中的應(yīng)用背景。拓展學(xué)生視野，從多方面了解控制理論應(yīng)用價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)與提升工程意識。圖2為理論教學(xué)研究現(xiàn)狀以及本文所提理論教學(xué)改革措施。

圖2 理論教學(xué)現(xiàn)狀與擬改進(jìn)的理論教學(xué)方法

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和系統(tǒng)安排、學(xué)科內(nèi)各門課程的實(shí)驗(yàn)裝置相對獨(dú)立、缺乏課程聯(lián)系與交叉等問題。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多以演示性與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)較少，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力不足。

本課題擬通過加強(qiáng)綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以工程項(xiàng)目引導(dǎo)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺，平臺根據(jù)學(xué)生愛好自己搭建，以更好地培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析問題的能力、自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，提高學(xué)生創(chuàng)新能力與培養(yǎng)學(xué)生工程意識。

加強(qiáng)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)建設(shè)，為學(xué)生工程意識的培養(yǎng)提供有效途徑。綜合性設(shè)計(jì)平臺的開發(fā)內(nèi)容是通過工程項(xiàng)目的方式引導(dǎo)，將大的工程項(xiàng)目分解為多個(gè)子項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)自己所長，選擇子項(xiàng)目，組隊(duì)搭建完成子項(xiàng)目所需要的實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)驗(yàn)過程中完善實(shí)驗(yàn)平臺、教師放手實(shí)驗(yàn)平臺等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力。綜合性實(shí)驗(yàn)平臺采用學(xué)生自主研發(fā)，教師放手的改革方法。首先，教師根據(jù)工程項(xiàng)目各子項(xiàng)目的研究內(nèi)容，分解子項(xiàng)目以及工程目標(biāo)；然后，學(xué)生組隊(duì)分析研究目標(biāo)，對平臺進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，將其設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師在期間根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，以團(tuán)隊(duì)形式分配任務(wù)，任務(wù)下達(dá)后，團(tuán)隊(duì)根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)指導(dǎo)教師要求或自發(fā)組織研討會，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求；最后，一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期完成后，教師分析實(shí)驗(yàn)平臺優(yōu)缺點(diǎn)，完善實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)以激發(fā)學(xué)生積極性為主，以挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力為輔，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神，根據(jù)各團(tuán)隊(duì)執(zhí)行任務(wù)期間解決問題、分析問題的方式，設(shè)置不同獎(jiǎng)勵(lì)與懲罰措施，避免只看結(jié)果不看過程的考核方式。圖3為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)改革研究方案。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革方案

2.3 校外實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革

當(dāng)前學(xué)生對校外實(shí)踐重視程度不夠。學(xué)生在校外企業(yè)參觀實(shí)習(xí)期間，由于時(shí)間短或?yàn)榱藢W(xué)生安全，學(xué)生無法系統(tǒng)地了解一些儀器設(shè)備的工作原理，生產(chǎn)流水線中相關(guān)控制工程的應(yīng)用，此期間動(dòng)手機(jī)會更少，短期內(nèi)無法達(dá)到預(yù)期的培養(yǎng)學(xué)生工程意識的目標(biāo)。返校后，對學(xué)生的考核方式只是一些簡單的實(shí)踐報(bào)告，這不僅沒有達(dá)到校企合作培養(yǎng)學(xué)生對工程項(xiàng)目了解的目的，且浪費(fèi)了許多資源。

為了克服以上問題，通過校企合作、學(xué)生校外實(shí)踐的機(jī)會提升學(xué)生工程素質(zhì)與工程意識，本課題擬采用延長實(shí)習(xí)時(shí)間與改進(jìn)考核方式的方法。通過加長學(xué)生的實(shí)習(xí)時(shí)間，為學(xué)生創(chuàng)造與企業(yè)員工、師傅、工程師等進(jìn)行交流的機(jī)會，保證學(xué)生既了解行業(yè)背景和企業(yè)需求，同時(shí)通過看、學(xué)、做的方式讓學(xué)生們較系統(tǒng)地了解生產(chǎn)流程與控制類儀器設(shè)備在實(shí)際中的應(yīng)用?？己朔绞絼t通過學(xué)生外出實(shí)習(xí)期間對工程的了解情況，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬，通過實(shí)際工程與虛擬環(huán)境模擬相結(jié)合的方式，提升學(xué)生的工程意識?？己瞬襟E為：首先，學(xué)生通過校外實(shí)習(xí)了解控制類系統(tǒng)工作流程，返校后學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬所理解的“實(shí)際控制工程”，構(gòu)建虛擬環(huán)境下的控制工程，提高學(xué)生獲取知識的能力；然后，根據(jù)所模擬的虛擬環(huán)境工程平臺分析相關(guān)控制理論的應(yīng)用與在實(shí)踐中的作用，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，激發(fā)學(xué)生實(shí)習(xí)的興趣；最后，教師根據(jù)實(shí)際控制工程特點(diǎn)與學(xué)生所構(gòu)建的虛擬環(huán)境控制工程平臺進(jìn)行對比，分析學(xué)生所設(shè)計(jì)平臺的優(yōu)缺點(diǎn)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新等能力。通過以上改革達(dá)到提升學(xué)生工程意識的目的。學(xué)生校外實(shí)踐環(huán)節(jié)改革研究方案如圖4。

圖4 校外實(shí)踐環(huán)節(jié)改革研究方案

2.4 理論與實(shí)踐內(nèi)容相結(jié)合的教學(xué)案例

為了提高學(xué)生對知識掌握程度，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，學(xué)校教師結(jié)合《自動(dòng)控制原理》《微計(jì)算機(jī)控制》《虛擬儀器》等課程，設(shè)置了一次虛擬環(huán)境模擬綜合型設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)校外實(shí)踐部分內(nèi)容，設(shè)計(jì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)的主、副調(diào)節(jié)器輸入，并通過MATLAB軟件得到“最佳參數(shù)”，通過PID控制算法進(jìn)行液位控制。由于雙容水箱的特點(diǎn)存在大時(shí)滯，即時(shí)間上的延遲等，這就要求學(xué)生用到微機(jī)控制中的大林算法等相關(guān)控制理論進(jìn)行解決。圖5為學(xué)生利用組態(tài)軟件構(gòu)建的雙容水箱液位虛擬控制平臺。通過此平臺的構(gòu)建與說明，學(xué)生基本掌握了相關(guān)供水工程中的液位控制過程，并達(dá)到學(xué)以致用的目的。

圖5 學(xué)生構(gòu)建的雙容水箱液位控制虛擬環(huán)境

3 結(jié)束語

通過相關(guān)教學(xué)方案的逐步改革，有望達(dá)到以下目標(biāo)：(1)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，夯實(shí)理論基礎(chǔ)：通過優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容，改革理論教學(xué)方法與手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過實(shí)際工程案例分析，加深學(xué)生對專業(yè)理論的理解。(2)自學(xué)自練能力：通過對綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、校外實(shí)踐環(huán)節(jié)方法的改革，培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)、分析能力和解決問題的能力。(3)挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力：通過項(xiàng)目引導(dǎo)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐能力、“工程創(chuàng)新”能力，培養(yǎng)學(xué)生工程意識。(4)再學(xué)習(xí)能力和綜合技能、實(shí)踐能力：通過學(xué)生外出參觀企業(yè)工程流程，返校后模擬實(shí)際工程的方式，培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力、綜合實(shí)踐

能力，以及提升工程意識的目的。(5)互幫互助、團(tuán)隊(duì)合作精神：通過團(tuán)隊(duì)搭建實(shí)驗(yàn)平臺方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生合作，互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)、共同進(jìn)步，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神與創(chuàng)新能力。通過以上目標(biāo)的逐步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)時(shí)具備一定的工程素質(zhì)與工程意識。

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Teaching Reform to Improve the Engineering Quality of Students Majoring in Automation

ZHOU Huan-yin, WANG Ping-feng, LIU Shu-bo, HUANG Yong-zhong, LI Bai-yu

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

By investigation into the major of automation and some related engineering faculties, the paper summarizes some problems existing in theory, experimental and practical teaching. And by the common research of many professional teachers, the paper introduces a series of teaching reform measures which are applied to teaching practice so as to develop students’ engineering quality.

engineering quality; automation; practical training; teaching reform

2016-10-20

江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題：以提升自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生工程意識為導(dǎo)向控制類課程教學(xué)改革(JXJG-15-6-14, JXJG-14-6-15 )；東華理工大學(xué)教改項(xiàng)目：基于組態(tài)軟件虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的《微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。

周煥銀(1975—)，女，河北衡水人，副教授，博士，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制研究。

G640

A

1674-3512(2017)02-0178-04