基于設計性實驗的卓越工程師能力培養教學改革與研究

摘要：自動化專業是東北電力大學實施“卓越工程師教育培養計劃”的重點學科之一，計算機控制系統是自動化專業的重要專業課。以培養卓越工程師為目標，以突出實踐能力為導向，以培養專業技術人才為目標。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。在研討中積累經驗，培養設計能力和創新能力。學生在實踐能力、綜合設計能力方面得到了升華，并取得了良好的效果。

關鍵詞：設計性實驗；卓越工程師；教學改革；研究

中圖分類號：G642.0#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻標識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）18-0030-02

“卓越工程師教育培養計劃”是中國高等教育發展規劃的一個重要計劃。東北電力大學作為一所以電力行業特色鮮明的省屬高校，在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。學生在了解和掌握控制理論和計算機控制技術的基礎上，在掌握控制理論工程應用方面的基礎知識和工程方面的技術能力前提下，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。課題以實際工程為背景，以工程技術為主線，培養學生的實踐動手能力，培養造就具有創新能力強、適應社會發展需要的高質量工程技術人才。同時，提高學生學習的主動性和積極性，培養學生的探索意識和科研能力，增強學生的綜合設計能力，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。[1，2]

一、目標化管理，注重學生實踐能力培養

課題從實踐能力培養入手，以計算機控制系統課程理論為依托，結合“自動控制原理”“微型計算機原理及應用”“檢測技術與儀表”“過程控制系統”等專業課程，對實驗進行開發和設計。使學生通過設計性實驗，可以探究相關知識點之間的內在聯系，加深理解和掌握，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，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力，在提高創造性地運用已有的知識和能力前提下，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。

為了更好地落實卓越工程師教育培養計劃，著力培養學生的工程意識和創新能力，并根據東北電力大學自動化專業培養方案中的課程設置，為提高教學質量和水平，筆者針對課程的重點和難點進行深入的剖析，找出關鍵內容，挖掘知識的內在聯系，培養學生的認知能力，提高學生的思維水平。由淺入深地講解有關概念、定義和分析方法，積極引導學生主動思考問題。筆者注重將科研成果與教學內容改革緊密相連，將科技發展的最新動態和計算機控制理論的最新應用介紹給學生，這樣極大地激發了學生的學習積極性和學習熱情。由于優化了知識結構，教學方法得當，使學生增長了工程實際方面知識，開闊了眼界。培養了學生運用基本理論分析和解決實際問題的能力。

“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月被評為東北電力大學精品課。

二、實驗教學方法的改革

成立了教授帶頭、副教授、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，并將其部分科研成果以學術論文的形式在國內外的學術活動中交流，提高教師本身理論聯系實際、解決實際問題的能力，使教學和科研工作緊密結合，并促進教學過程中理論和實際的結合，提高青年教師在學生設計性、創新性實驗中的指導和學術水平。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，2人為大學生電子競賽優秀指導教師，主、參編正式出版教材2部，整個教師隊伍十分穩定且素質不斷提高。青年教師正逐漸成為一支教學、科研的主力軍。

1.多樣性的實踐環節設置

學生的動手實踐能力如何已經成為大學教育成功與否的重要評判標準之一，這就要求大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應力求做到理論聯系實際，重視工程概念及其在實際問題中的應用，注重培養學生應用所學知識解決實際問題的能力，進而提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。[3]本課程設置了實驗課、課程設計、實習和課外科技活動等多個實踐環節，并且在內容上兼顧對知識的覆蓋程度、難易程度循序漸進，做到實踐環節之間相輔相成，實現遞階性、系統性的培養模式，對理論課和實踐環節進行有效擴充和延伸。

2.實驗環節及內容的改革

實驗教學采用啟發式實驗教學方式，應以工程素質為基礎，突出能力目標，以學生為主體，以項目為載體，以實訓為手段。以前該課程開設的實驗內容主要是A/D0809應用設計，D/A0832應用設計轉換的簡單編程，內容偏硬件的驗證性實驗，缺少讓學生自己動手設計調試一個完整的數字閉環控制系統的實驗，而且學生對軟件仿真缺少必要的練習，因此，筆者增設了一些軟件仿真方向的綜合性、設計性、研究型的實驗內容。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”“鍋爐燃燒控制系統”等多個設計性實驗項目。根據理論課的教學進度，穿插了5個基礎實驗，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、步進電機轉速控制等。由實驗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連接、算法編寫等，這樣學生既可以及時鞏固課堂上學習的理論知識，又提高了實踐動手能力，為后續的課程設計、畢業設計打下良好基礎。[4]

3.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。本課程設置了計算機控制系統課程設計和專業方向課程設計兩個課程設計，分別在開課學期和大四上學期進行。以前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，還增設了一些設計題目，利用實驗室現有的設備如倒立擺系統、水位系統等，讓學生進行控制器的設計、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。在專業方向課程設計中，與計算機控制技術相關的方向有計算機控制方向、DCS方向、過程控制方向等，學生可根據興趣選擇不同的方向完成課程設計。例如，計算機控制方向要求學生根據給定的性能指標設計一個離散控制系統，并采用MATLAB仿真從時域和頻域對比校正前后系統的性能，分析得出結論。通過課程設計的合理設置，既可以達到“軟硬兼施”的目的，又培養了學生獨立分析問題和解決問題的能力。[5]

4.拓展課外科技活動

在“以教師為主導，以學生為主體，以政策為導向”的指導思想下，學院在2007年成立了自動化創新實踐基地，下設創新制作研究室、建模與仿真研究室、機器人研究室和炎火工作室四個研究室，組織學生開展了豐富的課外科技活動。在教師的指導下，學生們充分發揮了創造力和想象力，靈活地運用了本門課程中學到的知識，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等。建模與仿真研究室指導學生使用MATLAB軟件編程實現數字PID參數的整定、控制系統的數字仿真等，同時讓學生提前學習先進控制算法，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。另外指導學生進行PLC程序設計，參加全國西門子杯工業自動化挑戰賽，使學生開拓了視野。創新制作研究室指導學生進行單片機測控系統設計，參加全國挑戰杯科技作品大賽、全國大學生電子設計競賽并取得了很好的成績。

三、強化實踐教學，培養綜合設計能力

以計算機控制系統設計性實驗為依托，對其實驗的思路、內容和實施進行改革。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，涉及自動控制原理、計算機技術、儀表檢測技術、傳感器測試技術、過程控制系統等，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；設計滿足系統要求的軟件、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。

根據“計算機控制系統”課程具有理論性強和工程實踐性強的特點，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、工程素質和工程實踐動手能力。將故事進程引導到不同的分枝和發展進程，實現事件的完整表達。將復雜概念和工程經驗融入交互式動畫之中，把復雜的綜合問題拆分成簡單的多級交互式簡單問題，為學生深刻理解和掌握課程內容服務，解決了多年來“計算機控制系統”課程某些概念難懂的問題。

實踐教學是“計算機控制系統”課程的重要組成部分，是卓越工程師能力培養的重要環節。“計算機控制系統”課程的實踐教學，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。通過形式多樣的實踐環節，不僅能夠培養學生分析問題和解決問題的能力，驗證所學理論，而且對所學內容能夠提出一些新的見解。通過實驗，可以活躍學生的學術思想，全面提高學生的綜合素質，為提高學生的創新能力打下堅實的基礎。

學院在自動化專業綜合實驗平臺的建設工作中，課題組對“計算機控制系統”課程的實驗內容進行了認真研究，開發、設計出了在基本教學要求基礎上的綜合性實驗，實驗室這些開放實驗室的設備進行計算機控制理論的相關研究，這些都為進一步全面提高學生的思維能力、動手能力和創新能力打下了物資基礎。[6]

以“計算機控制”作為設計要點，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”“鍋爐燃燒控制系統”以及“給水控制系統實驗平臺”的建設。將生澀的理論問題結合實驗課進行講解，通過實驗詮釋，舉一反三，加深學生對理論概念的理解，使計算機控制理論與應用的關系更加密切。[7]筆者通過加強實驗教學環節，充分發揮學生的創造能力，提高學生的分析問題、解決問題的能力，使之解決實際問題的能力和實際動手能力得到了鍛煉和提高。經過課程建設和實踐環節的改革，近幾年的全國高校電子大賽及全省高校電子大賽，東北電力大學學生均取得了多項冠軍的優異成績。

四、結束語

計算機控制系統課程有著更新快、實踐性強的特點，因此對于課程內容、教學方法、實踐環節等的改革是永無止境的。雖然在卓越工程師能力培養改革中筆者取得了一些成績，積累了一定的經驗，在今后的實踐中會進一步探索和完善該課程的授課模式，豐富理論授課內容，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。實驗室以及創新實踐基地為培養出高水平的人才提供了保證。各類別電子競賽所取得的成績，都有力地證明了筆者相關改革與探索方向的正確性，同時也為特色專業的建設提供了必要的、有益的探索。在學校“卓越計劃”的培養目標下，面向企業、面向社會，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， 及時更新教學內容，積極創新教學方法和教學手段，為培養合格的高素質的卓越工程師奠定基礎。

參考文獻：

[1]林健.注重卓越工程教育本質創新工程人才培養模式[J].中國高等教育，2011，（6）：19-21.

[2]盛朝強，謝昭莉，柴毅.培養自動化卓越工程師初探[J].長春工業大學學報（高教研究版），2011，32（3）：8-9，49.

[3]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.

[4]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.

[5]王少懷，劉羽，黃培明，等.實施“卓越工程師教育培養計劃”打造“雙師型”教學團隊[J].中國地質教育，2010，（4）：63-65.

[6]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.

[7]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.

（責任編輯：王意琴）