以設計性實驗為依托培養大學生實踐能力的研究與實踐

趙君　史冬琳　馮玉昌　門洪

【摘要】計算機控制系統是自動化專業的重要專業課，具有理論性強和工程實踐性強的特點。通過設計性實驗，引導學生“在學習中研究，在研究中學習”。運用已有的知識和能力的前提下，自主地發現問題、研究問題和解決問題。在研討中積累知識，培養設計能力和創新能力。學生在實踐能力和綜合設計能力得到了升華。

【關鍵詞】設計性實驗 計算機控制系統 實踐能力 創新能力

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）01-0189-02

東北電力大學是以電力行業為特色的高校，2011年10月入選教育部卓越工程師教育培養計劃高校，自動化專業是東北電力大學實施“卓越計劃”的重點學科之一。計算機控制系統作為自動化專業的重要專業必修課程。學生在掌握控制理論、計算機控制技術和控制理論工程應用方面的基礎上，以計算機控制系統設計性實驗為依托，加強計算機控制系統課程實驗教學方法上的改革。以實際工程為背景，以工程技術為主線，培養學生的工程意識和實踐動手能力。培養造就具有創新能力、適應社會發展需要的高質量工程技術人才。提高學生學習的主動性和積極性，培養學生對科學的探索精神和科研能力，增強學生的綜合設計水平 [1-2]。

1.優化知識結構，注重學生能力培養

課題從實踐能力培養入手，以計算機控制系統課程為依托，對實驗進行開發和設計。通過設計性實驗，探究相關知識點之間的內在聯系，加深理解掌握，將理論知識與實踐相結合，鍛煉編程和硬件電路設計能力。通過工程實際課題，鍛煉學生的分析問題和解決問題的能力。在新知識中，自主地發現問題、研究問題和解決問題。在研討過程中積累知識和經驗，培養學生的實踐能力和創新能力。解決學生的認知能力，提高學生的思維水平，積極引導學生主動思考問題，將科技發展的最新動態和計算機控制應用介紹給學生，激發了學生的學習積極性和學習熱情。優化知識結構，教學方法改進，學生增長了工程實際方面知識，開闊了眼界。培養學生運用基本理論來分析和解決實際問題的能力，在近幾屆教學評比過程中受到了學生和學校的好評，在能力培養上取得了良好效果。《計算機控制系統》課程于2007年4月和2012年4月被評為吉林省優秀課，2013年6月被東北電力大學精品課。

2.實驗教學方法改革的具體措施

2.1 成立了教授帶頭、青年教師為主干的課程組

鼓勵并帶動中青年教師參加各類科研課題，將相關科研項目在學術活動中交流，提高教師自身的理論水平和解決實際問題的能力，促進教學和科研工作相結合，促進教學過程和實際相結合，提高青年教師在學生設計性、創新性實驗中的指導水平。本課程組中青年教師中有3人具有博士學位，1人已出國進修， 3人次獲省、校教學成果獎3項，正式出版教材2部，教師隊伍穩定且素質不斷提高。

2.2 多層次實踐環節相輔相成

學生的實踐能力如何已經成為大學教育成功與否的重要指標之一。學生不僅要學習相關的學科知識，還要能夠將其運用于實踐。對系統設計方法可以從“拿到題目”到“進行分析”再到“確定解決方案”最后到“具體系統的設計的實現”的整個過程進行全方位的啟發。使學生掌握設計的基本思想，提高學生程序設計技巧和解決實際問題的能力。實踐環節是課程學習的重要內容，實踐能力特別是系統性的綜合實踐能力是自動化專業本科學生的必備素質之一。因此，實踐環節的設置在內容上力求做到理論聯系實際，重視工程概念及在實際中的應用，注重培養學生應用所學知識解決實際問題的能力[3]。

2.2.1 實驗教學的改革

實驗教學采用啟發式實驗教學方式，以工程素質為基礎，突出能力目標，以學生為主體，以項目為載體，以實訓為手段。我們增設了軟件仿真的綜合性、設計性、研究型的實驗內容。包括A/D轉換、D/A轉換、數字PID調節器、純滯后補償控制系統設計、步進電機控制等。由指導教師講解實驗臺的操作、通信接口的功能、軟件編程的技巧等，然后由學生動手搭接硬件電路完成系統調試、算法編寫等，這樣既鞏固課堂上學習的理論知識，又提高了實踐動手能力 [4]。

2.2.2 課程設計的改革

課程設計是教學計劃中進行綜合訓練的重要實踐環節，它將使學生在綜合運用所學知識解決本專業方向的實際問題方面得到系統性的訓練。計算機控制系統課程設計開設的內容是基于單元機的過程輸入輸出通道的設計，要求學生自己根據提出的功能要求和性能指標，合理選擇芯片設計過程輸入輸出通道，并使用Proteus或Protel軟件進行仿真驗證。為了實現課程設計的多樣性，進行控制器的設計、控制系統的設計與校正，并通過MATLAB軟件進行編程仿真驗證控制策略的有效性。采用MATLAB仿真，從時域和頻域對比，校正系統的性能分析，得出結論[5]。

2.2.3 開展豐富多彩的課外科技活動

學院成立了創新實踐基地，以教師為主導，以學生為主體，組織學生開展豐富的課外科技活動。在教師的指導下，充分發揮學生創造力和想象力，靈活地運用了課程中的知識，如數字控制器的設計、先進控制算法的仿真、單片機測控系統的設計；先進控制算法，如模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法等用于控制系統的設計。指導學生進行PLC程序設計，參加全國西門子杯工業自動化挑戰賽，參加全國挑戰杯科技作品大賽中均取得了較好成績。

3.強化實踐教學，培養綜合設計能力

實踐教學是人才培養的重要環節。既要培養學生分析問題和解決問題的能力，還要重視培養學生的思維能力和創新能力。以計算機控制系統設計性實驗為依托，對實驗的思路和內容到實施進行改革，計算機控制系統的設計不但是一個理論問題，也是一個工程設計實際問題，是一種多學科的綜合應用。理論設計包括被控對象的數學模型建立，確定滿足一定性能指標的目標函數，尋求滿足目標函數的控制策略，選擇合乎要求的軟件、硬件等。學生掌握計算機控制系統設計的基本要求、原則與步驟，并設計出計算機控制系統的設計實例。以實際工程為背景，以工程技術為主線，將事件進程引入到不同的分枝和進程當中，將復雜概念和工程經驗融入互動，把綜合問題拆分成簡單的多級交互式簡單問題，實現事件的完整表達。

我們研究開發了以計算機控制系統為設計要點，將系統在工程背景下運行作為實驗目的，建立綜合性和創新性實驗平臺。如“汽溫控制系統”、“汽包水位控制系統”“物位控制系統”、“輸煤控制系統”、“鍋爐燃燒控制”、以及“給水控制系統實驗平臺”的建設。通過實驗詮釋，舉一反三，加深學生對理論概念的理解，密切了計算機控制理論與應用的關系。通過加強實驗教學環節，學生們在解決實際問題的能力和實際動手能力得到了鍛煉和提高[6-7]。表1所示為近3年科技活動競賽統計結果，依據表中數據可知，近三屆獲獎的比例和獲獎質量上每年都在穩步提高。

4.結束語

計算機控制系統課程實踐性強，實踐環節的改革是永無止境的。雖然在計算機控制系統課程改革中我們積累了一些經驗，取得了一些成績，在今后的實踐中進一步探索和完善，引入更多的工程實例，強化實踐環節讓學生得到更多的鍛煉。在學校“卓越計劃”的培養目標下，要面向企業，樹立理論聯系實際的思想， 強化實踐教育，注重工程實際應用，及時更新實踐教學內容，積極創新實踐教學方法和手段，為培養合格的高素質的卓越工程師奠定基礎。

參考文獻：

[1]張德江，于微波，賈文超.教學與教研互動 教法與學法共融——“計算機控制系統”國家精品課建設的體會[J].中國大學教學，2007，（10）：29-31.

[2]張安富，劉興鳳.實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].高等工程教育研究.2010，（4）：56-59.

[3]李祥飛，張昌凡.“計算機控制系統”課程教學方法探討[J].中國電力教育.2010，（12）：85-86.

[4]邢航，張鐵民.“計算機控制技術”教學改革探索與實踐[J].實驗室研究與探索.2007，26（12）：370-372.

[5]溫淑惠.計算機控制技術實驗教學改革初探[J].教學研究.2010，33（6）：59-61，85.

[6]馬常旺，林衛星，謝建軍等.計算機控制技術實驗課的改革與實踐[J].實驗技術與管理，2004，21（2）：125-128，238.

[7]魏東，陳一民.計算機控制系統課程設計教學環節研究[J].實驗室研究與探索.2005，24（Sup）：219-223.