測控類課程群綜合實驗教學模式的研究

摘要：針對現有實驗課程存在的問題，介紹對自動控制理論和傳感器與測試技術等測控類課程群的綜合實驗教學模式的研究，包括測控類課程群綜合實驗課程的實驗內容、教學模式和改革辦法。同時也評述了測控類課程群綜合實驗的主要特點。

關鍵詞：測控類；課程群；綜合實驗；設計型實驗；自主實驗

作者簡介：王揚揚（1979-），女，遼寧海城人，沈陽航空航天大學自動化學院，工程師；許謹（1977-），男，陜西禮泉人，沈陽航空航天大學自動化學院，工程師。（遼寧 沈陽 110136）

基金項目：本文系沈陽航空航天大學教學改革項目（項目編號：JG120702EZ）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0145-02

我國的高等教育正進一步強調加強本科工程技術型人才的培養，提高學生的自主創新能力。沈陽航空航天大學針對新形勢要求及自身的辦學特點，加大了改革的力度。通過課程改革，設立創新班，實施創新訓練計劃，增加課外實踐訓練學分等多種靈活措施，因材施教，培養學生的創新實踐能力。這些措施必須依靠實驗教學實現，原有的實驗教學模式已不能適應現代大學的教學需求。

因此，針對自動化學院的主要專業方向測試控制，研究和開發測控類課程群的綜合實驗教學模式，通過實驗教學的改革，引導學生的興趣愛好，提高他們的實踐能力，實現校門到廠門的完美對接，增強就業競爭力并擴大就業領域。

一、現有綜合性、設計性實驗存在的問題

目前國內各高校的實驗教學均非常注重學生設計能力、創新能力的培養，在保留一定比例的驗證性實驗的基礎上，普遍加大了綜合性設計實驗的比重。[1-3]

綜合性設計實驗的最大特點是，教師只給出實驗任務和目的，學生結合一門課程的若干理論知識獨立自主地設計實驗方案和實驗步驟。教師評定學生的方案，并指導學生完成實驗。例如測控技術課程中的溫度閉環控制實驗，要求學生利用課堂中學習的PWM驅動、ADC0809工作原理、PID控制算法、數據預處理和監控程序設計等理論設計和搭建實驗線路，獨立設計單片機控制程序并進行實驗調試。

這類實驗雖然在一定程度上體現了學生的自主性，但目前在實際操作中仍存在下列問題。

1.缺少課程間的聯系，無法從系統的高度把握所學知識

在生產實踐中，一個測試系統包括傳感器、測量電路、計算機數據采集系統、信號分析處理系統、顯示和記錄系統，并與被測對象的專業知識、生產工藝、機械原理、系統動力學等緊密結合，需要多門課程的理論支撐。但是現有的綜合性設計實驗隸屬于單門課程，只涉及其中的一個或兩個模塊，系統各模塊之間的聯系被割裂，學生不能全面了解設計的根本目的。

2.實驗設備落后，制約實驗效果

因為實驗依托傳統的實驗箱，所以試件選擇、方案設計受到實驗箱本身的固化模塊和設計指標的限制，方案設計的選擇余地不大。此外，實驗設備的更新較慢，不能適應新技術和新方法的應用。

3.實驗對象抽象，實驗結果不直觀

以溫度閉環控制實驗為例，實驗元器件被封裝在實驗箱中，學生只能通過引出的部分排線引腳搭接模擬電路，通過改變控制程序中的PID參數，由上位機的溫度變化曲線反映溫度控制效果。雖然在實驗電路和實驗程序的設計上，實現了學生的自主設計，但是與實際生產環節的聯系不緊密，學生對完整測控系統的實際運行情況沒有直觀感受，難以激發興趣。

4.自主學習的空間受到限制

由于實驗學時有限，使自主學習的空間受到限制，教師的講解和指導仍在綜合設計實驗中占很大比重，限制了學生的發散性思維。如果實驗過程中出現問題，學生的依賴性較強，缺少分析解決問題的動力，不利于培養獨立工作的能力。

5.實驗考核體系單一

傳統的實驗報告多是填空式的形式，學生機械地抄寫實驗目的、實驗原理、實驗方案和步驟、實驗結果等，與工程實際的技術文件有很大區別。不能深入總結實驗過程，分析實驗結果并形成工程技術文件。

針對上述問題，對測控類課程群的實驗課程進行改革研究，探討更貼近生產實踐的綜合實驗教學模式。

二、基于課程群的綜合實驗教學模式

1.基于課程群的綜合實驗課程的目的和配置方式

研究測控類課程群的綜合實驗教學模式，打破單門課程的界線，培養學生綜合應用多門課程（電子電路，工業企業自動化，微機原理及其應用，傳感器與測試技術，工程力學，工程制圖等）的背景知識，獨立設計小型工程系統的能力。

以課程群為基礎設計實驗課程，根據理論課課程群的培養方案，整合實驗課程。對只涉及單門課程基本理論的基礎類實驗，列為課內實驗，實驗成績作為平時表現計入最后的課程總成績。課內實驗以驗證實驗為主，主要引導學生入門，訓練使用實驗器材的基本技能并且培養嚴謹的實驗作風。

對綜合多門課程知識的實驗，建立實驗課課程群培養模式，以創新訓練課或課外實踐訓練課的形式單獨設置學分。根據一個實際生產測控系統的生產流程分解成若干模塊，采取模塊化逐段教學方式，開設時間和開設內容不必受單門理論課程的限制，可跨課程、跨學年開設，[4]實驗學分以學分制方式統計，完成一個模塊，教師給出一個成績，最終在規定時間內完成規定的學分要求。

2.實驗課課程群的具體實施方法

（1）實驗內容設計。設計若干系統項目，例如流程工業的軋機控制，汽車生產裝配線控制，橋梁、機車等設備的結構應力分析和振動測試，智能小車的控制等等。學生可根據興趣自由選擇一個題目。另外，增開工程制圖、電子制作技能和虛擬軟件等實踐課，使學生熟練掌握虛擬器件的設計和電氣原理圖、電氣接線圖和電氣安裝圖等完整工程圖樣的繪制；學會電子元件選擇和檢測，電路版的設計與制作，進行組立調試及試運轉實驗。要求學生根據所選題目，按照工程實際項目的要求，進行仿真設計驗證，實際制作相應的電源、放大電路、檢測、控制、接口、通訊和傳動等一系列模塊，有步驟地完成系統的設計、安裝、施工、調試與測試，技術文件的編制。通過各種實驗模塊的開發，既鍛煉了學生的動手能力，又增加了實驗設備的數量和使用范圍，學生可靈活組合各模塊，用于不同的實驗項目。這種直觀具體的學習成果會極大地激發學生的興趣。

（2）教學模式。實驗教學模式以學生自主學習為主，教師可以做啟發式的答疑解惑。例如原有的PID控制實驗，學生只是簡單調整控制參數，通過觀察控制曲線的變化驗證經典的PID控制口訣，而自主式實驗教學要求學生將PID控制應用到一個真實的對象上，學生可以用PID控制小車按某一規定路線行走，也可以用PID控制一個密閉容器內的溫度變化。通過直觀的實驗結果加深理論理解，了解控制環節對系統整體性能的影響，學會從系統角度設計實驗方案。此外，還要學會自主分析實驗過程中出現的問題，引導學生利用專業知識分析問題，根據系統要實現的功能，分模塊逐段檢測，并能使用專用工具和各種檢測設備（數顯萬用表、示波器等）確定問題的位置和原因。通過實驗失敗和成功的切身體驗，掌握科學研究、生產實踐的一般規律和方法，真正做到授之以“漁”。

（3）改革實驗考查方法。以工程技術文件撰寫和答辯的方式評定學生的實驗成績，同時培養學生的表達能力和編制工程技術文件的能力。

（4）實驗改革的模式。根據學生培養計劃的不同，在沈陽航空航天大學自動化學院，選擇部分學生分兩種模式進行實驗改革的嘗試。

第一種模式的研究對象為大二大三課外興趣活動學習小組的學生。這些學生已經過主干專業課和多項基礎實驗的學習，按傳統的培養計劃完成了大部分學分要求，并且通過興趣小組的培訓掌握了基本實踐技能，因此對他們直接進行工程系統綜合實踐的訓練。依托大綱中的實踐環節“綜合能力培養和創新思維訓練”，教師或者學生自主設計一些與工程應用結合較緊密的題目，如“智能機器人避障”，“車輛載荷測試”等，幾個學生為一組完成任務，具體過程分為以下幾個階段：第一階段，系統需求分析；第二階段，總體方案設計；第三階段，系統安裝施工；第四階段，調試與測試；最后，答辯和技術文件的編制。經過近一年的教學改革實踐，在2012年的飛思卡爾杯智能車大賽上，三組學生分別取得了二、三等獎在2013年的沈陽市第四屆“福田杯”智能機器人大賽中取得了第一名的好成績。

第二種模式以2012年9月1日入學的自動化學院創新班為實施改革的對象。第一階段，緊密結合新的培養計劃，進行專業技術基礎理論課的基礎類實驗訓練，認知電子元器件的使用檢測；第二階段，訓練工程制圖和電子制作技能，通過簡單電路的設計制作，加深基礎理論的理解，提高動手能力；第三階段，加入高年級學生的興趣小組，參加大學生競賽、[5]課外實踐訓練等活動，了解開發工程系統的工作流程；最終，自己獨立承擔一個小型工程項目的設計開發。這些學生由于接受培訓的時間較短，目前還不能最終檢驗基于課程群的綜合實驗教學的改革成果，但通過新教學模式的學習，學生們已進入高年級學生負責的興趣小組，開始參與學校的智能拉力車比賽，其接受新知識的能力和速度都較往屆學生有大幅度提高，工程意識和動手能力都顯著增強。

三、結論

這種課程群綜合實驗的教學模式把工程技術的總體思想滲透給學生，使他們在實驗中形成團隊意識、創新意識、科研意識和工程意識，了解現代工業生產流程，接受工業生產的基本訓練，增加工程實踐能力和創新能力，使學生的知識和技能適應于生產和科學研究的很多領域，例如航空、石化、鋼鐵、汽車和輕工業生產的流程控制；橋梁、建筑、航空和機車等設備的應力或結構動力學分析；設備的安全檢測和故障診斷，空氣壓縮機和汽輪機等大型回轉機械的振動監測等等。學生動手開發的設備也為實驗室設備的更新改造作出貢獻。

參考文獻：

[1]歐陽玉祝，歐陽卉，肖竹平，等.基于產學研一體化的綜合化學實驗教學研究與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（12）：15-17.

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[3]劉正義，林定笑.工科院校實踐教學優化模式的探討[J].實驗室科學，2011，14（5）：30-32.

[4]盛旭敏，李又兵，王選倫.三學期制下工科專業課教學與實踐模式探索[J].廣州化工，2011，39（8）：149-150.

[5]肖春.面向卓越工程師培養的學科競賽體系探索[J].浙江工業大學學報（社會科學版），2011，10（2）：205-209.

（責任編輯：劉輝）