測控專業(yè)綜合實驗教學改革和實踐

單寶明

(青島科技大學 自動化與電子工程學院 山東 青島 266061)

綜合實驗是大學培養(yǎng)計劃的一個重要實踐環(huán)節(jié)，是對學生在大學四年所學專業(yè)知識的一次檢驗，更是學生對所學知識的綜合運用。通過綜合實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)自主創(chuàng)新精神[1]。

但綜合實驗課程的特點是綜合性很強，實踐性很強，如何設(shè)計有效的教學內(nèi)容和教學模式一直是一個難題[2]。之前測控專業(yè)綜合實驗的授課模式有基于單片機課程的內(nèi)容，基于檢測儀表課程的內(nèi)容或基于虛擬儀器實驗設(shè)備的內(nèi)容，存在的問題：一是設(shè)計內(nèi)容不夠綜合，和所學的一些課程有重合；二是設(shè)備臺套數(shù)不足，學生動手實踐的機會不夠，提升空間小。整體來說，綜合實驗的教學不夠規(guī)范化，不能充分體現(xiàn)測控特色。

借助于專業(yè)認證的契機，測控實驗室設(shè)備進行了更新，因此我們重新修訂了綜合實驗的教學目標和教學計劃[3]。時間由原來的一周改為兩周，開設(shè)時間也進行了靈活安排。綜合實驗設(shè)計的指導(dǎo)思想是一定要體現(xiàn)"測"和"控"兩個特色，在綜合實驗設(shè)計中既要有測量方面的內(nèi)容，又具有控制的特色，兩方面緊密配合、缺一不可。本文就是從教學目標、教學內(nèi)容，組織實施方式和考核過程等方面闡述了實驗教學的新模式。

1 綜合實驗的畢業(yè)指標和教學目標

綜合實驗要達到的畢業(yè)目標包括12條指標中的第9、10、11條內(nèi)容，是分工合作、溝通和工程項目管理的基本要求。教學目的和任務(wù)是：培養(yǎng)學生綜合運用大學前三年所學的專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，提升基本技能，提高分析和解決工程設(shè)計問題的能力，培養(yǎng)學生查閱技術(shù)文獻、資料和手冊的能力，具備程序設(shè)計、電路圖紙繪制及撰寫書面報告的基本能力。通過綜合實驗的訓練，學生能夠合理分解、分配工程實踐任務(wù)，能與團隊成員開展合作，并傾聽他人建議；能夠通過口頭、書面、圖表、圖紙等方式歸納和陳述測量與控制、儀器儀表設(shè)計等相關(guān)的復(fù)雜工程問題，能夠根據(jù)需要撰寫報告和設(shè)計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達[4]。因此我們的綜合實驗教學內(nèi)容就根據(jù)這些目標進行設(shè)計和更新。

2 教學內(nèi)容設(shè)計

教學內(nèi)容設(shè)計主要是基于目前實驗室的設(shè)備，側(cè)重體現(xiàn)“測”和“控”兩個方面。實驗室新進的實驗設(shè)備是BDT-MPS-02型測控綜合實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用傳感器技術(shù)、氣動控制技術(shù)、機械傳動、PLC控制和組網(wǎng)、步進電機位置控制等測控專業(yè)知識，來模擬上料、搬運、加工、安裝、傳送或分揀等生產(chǎn)加工控制過程，使學生得到一個非常接近于工廠生產(chǎn)環(huán)境的教學環(huán)境，縮短理論教學與實際應(yīng)用的距離。該系統(tǒng)囊括了測控專業(yè)教學中所涉及的諸如傳感器檢測、電機驅(qū)動、位控、氣動、可編程控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊等多門課程知識，給學生提供了一個典型的綜合實訓環(huán)境。測控專業(yè)實驗就是基于此設(shè)備開展，主要內(nèi)容包括：

(1)機械裝調(diào)部分：系統(tǒng)上有多套步進電機及電機驅(qū)動器系統(tǒng)，有雙軸和單軸兩種方式，各驅(qū)動器由PLC I/O數(shù)字控制，充分學習各種型式的驅(qū)動器對于電機的特點，學生可以獨立進行每個站點的實踐學習。

(2)傳感器信號檢測部分：包括多種傳感器，比如有多個電容式和電感式傳感器，檢測金屬物體位置，起接近開關(guān)的作用；有反射型光電傳感器，檢測有無物體；多個磁感應(yīng)式開關(guān)，安裝在氣缸兩端，檢測活塞位置等等。熟悉其工作原理，并在實驗中進行測試和調(diào)整。

(3)電機驅(qū)動控制部分： 掌握步進電機驅(qū)動器和伺服電機驅(qū)動器的電氣原理，通過對步進電機和伺服驅(qū)動器以及電機的認識，實現(xiàn)PLC與電機的精確定位。

(4)PLC編程實訓部分：學生要掌握博途軟件的安裝和使用，通過對設(shè)備的熟悉，實現(xiàn)基本的邏輯控制和功能。掌握利用西門子1200系列PLC實現(xiàn)對電機的控制，實現(xiàn)運動控制和傳輸控制。掌握利用PLC實現(xiàn)氣動控制技術(shù)，由電磁閥控制氣缸實現(xiàn)電磁鐵的運動。

(5)網(wǎng)絡(luò)通訊部分：學生掌握網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置，掌握站點和站點之間的通訊方式和特點；同時掌握PLC與上位機的通訊，在中控主機或電腦上設(shè)計監(jiān)控界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

3 實施過程

3.1 實驗的安排

表1 實驗的安排

教研室成立綜合實驗指導(dǎo)小組，一般由2～4名教師組成；由指導(dǎo)教師給出綜合實驗任務(wù)書、基本原理及參考方案等；實驗開始前，指導(dǎo)教師進行演示和講解，并明確實驗要求和注意事項；學生進行分組，并在教師的指導(dǎo)下獨立完成任務(wù)。具體如表1。

3.2 學生完成任務(wù)的的流程：

(1)學生分組，熟悉設(shè)備的工作流程，相互討論進行方案設(shè)計。

(2)參考說明資料，獨立畫出原理圖，并在設(shè)備上進行接線。

(3)各部分調(diào)試：包括機械部分的調(diào)試；信號獲取的方式(信號檢測的各種傳感器)；步進驅(qū)動電機控制；明確PLC控制的輸入輸出點數(shù)，實現(xiàn)對電機和氣缸的控制等；PLC網(wǎng)絡(luò)通訊包括多個站點連機通訊和PLC與上位機的通訊。

(4)設(shè)備運行操作流程：第一步供電操作：給設(shè)備供電，各設(shè)備電氣柜空開全部達到ON；第二步，設(shè)備檢查操作：為了確保設(shè)備上電后能夠運行正常，需要對設(shè)備進行檢查，主要包括供電電源檢查、PLC檢查、信號連接電纜檢查、氣動檢查、傳感器檢測(設(shè)備機構(gòu)無雜無阻礙、機構(gòu)的軸位于限位范圍內(nèi))等。第三步，設(shè)備運行：設(shè)備供電，經(jīng)過檢查無任何報警后可進行設(shè)備運行操作。按照電源操作 按鈕操作 物料操作的順序即可。注意，設(shè)備復(fù)位完成處于待機狀態(tài)后，可以進行物料放置、搬運、抓取、檢測、加工、入庫等。物料需要從入料倉進行放置，入料倉為源頭。物料可以一次運行一個，同時避免操作人員麻煩，也可以一次性放置多塊物料。

按下啟動按鈕，設(shè)備單元執(zhí)行的動作(見圖1)。

圖1 設(shè)備單元執(zhí)行的動作

4 考核方式

綜合實驗成績評定包括多個方面，采用綜合考核，每一方面?zhèn)戎伢w現(xiàn)學生的某些能力和品質(zhì)[5]。一是實驗結(jié)果的演示，學生獨立地把設(shè)備從頭到尾運行一遍，檢驗運行效果，是否有改進等，這部分占總成績的60%。這個環(huán)節(jié)直接展示學生的工作，完成了哪些，效果如何；二是實驗報告，體現(xiàn)學生的文字表達能力，如何把所做的事情準確、完整、充分地表達出來，而且要言簡意賅，重點突出，讓不熟悉的人一看就能清楚明白，占20%；三是答辯，每個組員講解自己負責的一部分，考察學生的口頭表達能力，同時體現(xiàn)成員之間分工合作的情況，占10%，最后要綜合考慮平時表現(xiàn)，包括考勤和學生提問問題情況，這方面體現(xiàn)了學生的學習習慣和做事嚴謹?shù)淖黠L，平時表現(xiàn)經(jīng)常遲到、請假或早退的學生一定是態(tài)度不夠認真，學習不積極，實驗過程一定不能全身心投入，這是會在成績評定時要考慮的部分，占10%。最后的總成績體現(xiàn)了學生在教學目標中各個部分的實現(xiàn)情況。

整個綜合實驗的內(nèi)容包含了“測”和“控”兩方面的內(nèi)容，工作量比較大，涉及知識面廣，不管從設(shè)計內(nèi)容上還是實施方式上，都進行了改革。實驗前老師們對新的模式是否有效還沒有把握，但是實行了一個學期后發(fā)現(xiàn)，學生興趣很高，很多同學利用晚上和周末的時間來編程、調(diào)試和修改，學生之間熱情討論，不斷地改換方案、嘗試新動作等，最終每一組都能夠順利地運行設(shè)備。老師們都深感學生的潛力無限，更有信心嘗試新的教學改革。

5 結(jié)束語

測控專業(yè)綜合實驗新的教學模式，集成了機械、電子、電路、控制、光學、電磁學、材料科學等知識，多學科交叉，綜合性強；同時要求學生能夠熟悉原理，自己動手設(shè)計其原理圖，自己接線，掌握PLC軟件編程，實現(xiàn)抓、運、傳，放等一系列流程動作，實踐性強。每一套設(shè)備8人合作，結(jié)束時撰寫報告，并進行答辯驗收，整個綜合實驗的環(huán)節(jié)訓練了學生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)了學生嚴謹求實的作風，實驗效果也證明，學生在理論分析、查閱設(shè)計手冊與資料、系統(tǒng)設(shè)計、制圖、運用標準和規(guī)范以及計算機工程軟件的使用等方面都得到了一個系統(tǒng)的訓練和培養(yǎng)，提高了實踐教學質(zhì)量，為社會培養(yǎng)出綜合素質(zhì)高，動手能力強，有競爭力有潛力的工程應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。