自主性實驗平臺在應用型人才培養模式中的研究與探索

王躍飛，李紅星，張曉培，袁雪鵬，黃宜軍

(欽州學院 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535000)

自主性實驗平臺在應用型人才培養模式中的研究與探索

王躍飛，李紅星，張曉培，袁雪鵬，黃宜軍*

(欽州學院 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535000)

傳統實驗教學模式大多采用驗證性實驗，學生"照方抓藥"，實驗室設備及教學課時有限，客觀上束縛了學生工程實踐能力及創新能力的培養。為了改進實驗教學模式，針對現有資源，將實驗室上位機、控制裝置及控制對象裝置"單元化"，設計了一種異構設備的自主性實驗平臺。實踐表明，自主性實驗的實施明顯改善了實驗教學效果，提高了學生參與實驗的積極性和主動性，更有力地提升了學生的創新能力，對轉變實驗教學體系，實現綠色教育有一定貢獻。

自主性實驗；異構設備；單元化；綠色教育

深入貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”的新課程改革發展理念，旨在培養一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才[2-4]，促進工程教育改革和創新，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。在教育部印發的《關于全面提高高等教育質量的若干意見》〔2012〕文件中，要求要創新教育教學方法，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學，增加實踐教學比重，提升高校科技創新能力[1]。在高校教育中，培養學生實踐能力和創新思維的最有效環節就是實驗環節，實驗教學內容、方法和效果的優劣直接影響到了新一代卓越工程師的培養。因此，我們對現存的實驗教學問題進行分析，并對其進行深化改革，轉變實驗教學體系，為培養創新能力強、科學素養高的優秀畢業生搭建良好的實驗教學平臺。

1 傳統實驗模式

在傳統實驗教學模式中，實驗指導書以驗證性實驗居多，方法經典，步驟詳細，并且專業實驗室的設備全部是購置的成套裝置，系統內部連接完備，界面開發成熟，學生只需設定參數、啟動設備，按部就班的完成實驗即可。以過程控制實驗為調查對象，對歷屆學生的實驗報告進行抽樣，其抽樣結果如圖1所示，實時曲線及分析雷同，結果都是4:1的衰減比。

圖1 抽樣結果圖

根據自動化學生的實驗報告統計，在2014～2016期間，實驗報告的雷同率最高可達90%以上，不同之處大多是因報告書寫格式、順序及表達不同造成，且雷同率呈逐年增長趨勢。

通過以上分析，可以將傳統的實驗教學模式概括為三個"多于"：內容上驗證型多于設計型；方法上經典多于創新；實踐上演示多于演練。這三個"多于"客觀上形成了學生過分依賴老師和指導書的局面，忽略了學生主觀能動性的發揮，降低了學生自主設計、自主操作的能力，限制了學生創新思維的培養。

2 自主性實驗的研究

在實驗學習中，通過嘗試各種不同的實驗設計，對比并進行優化，可以激發學生的創造性思維，提升和鍛煉學生的能力，根據實驗室現有實驗設備進行單元整合，搭建一種異構設備的自主性實驗平臺，使其不僅能滿足多門專業課程的實驗教學要求，而且有利于提高學生實際動手能力和自主創新能力。

2.1 平臺結構

異構設備的自主性實驗平臺是以實驗室現有設備為基礎，將實驗室中的過程對象裝置、控制裝置及上位機等作為獨立的"單元"。按照"單元化"思想可分為對象單元、控制單元、上位操作單元和輔助單元四個部分，具體的平臺結構框圖如圖2所示。

對象單元可以提供教學實驗或自主實驗的不同類型實驗對象；控制單元可以提供不同類型的控制裝置；上位操作單元根據選用的控制裝置采用不同的監控軟件設計人機交互界面和系統編程設計；輔助單元提供對象與控制裝置之間的連接電纜及所需的信號轉換器，控制裝置與上位機的通信連接電纜及相應的接口轉換設備[5]。由四個單元可以構成不同對象、不同控制類型的控制系統完成相應教學實驗和自主實驗。各單元的主要設備見表1。

圖2 平臺實物結構框圖

序號單元名稱裝置設備1對象單元CS4000型過程裝置;HSA-1型過程裝置;管式電阻爐2控制單元C3000智能調節記錄儀控制臺;DDC計算機直接控制I/O模塊控制臺;3上位操作單元PLC-200控制臺;PLC-300控制柜;PLC-400控制柜4輔助單元PC機、操作系統軟件和不同的監控軟件(WinCC、MCGS、組態王等)組成。

2.2 自主性實驗原理

以水箱液位串級控制系統的設計實驗為例，要完成此實驗的自主性設計，需要從以下幾個方面逐步實施：

(1)方案設計。通過自主學習，熟悉實驗設備，根據實驗要求，確定被控系統開關量及模擬量的I/O點數，估算內存，選擇各個單元，如圖3所示。

圖3 系統設計圖

(2)明確設計的結構配置和端子接線。掌握CS4000過程裝置的結構原理、檢測控制參數的類型及數量(上中下水箱水位測量及所用壓力變送器、主副管流量測量及使用的流量儀表、加熱水箱的溫度測量及溫度測量傳感器；主副管流量控制的執行機構類型、水箱溫度控制的執行機構等)及裝置的總體接線；依據確定的I/O點數，設計S7-300PLC控制柜的結構配置及端子接線；確定上位監控軟件及系統編程軟件。

(3)硬件連接及軟件開發。根據以上設計選擇通訊方式，畫出程序流程圖或功能圖，完成上位界面開發、下位組態的編程及相關參數的設定。

(4)系統調試。對程序進行模擬調試和修改，同時完成實驗室輔助單元和上下位之間的通訊連接，最后進行實驗參數的整定，得到實驗數據與實時曲線。

(5)結論分析。結合專業課程理論知識，對實驗結果進行數據分析及整合，完成實驗報告。

3 自主性實驗的應用分析

這里以實驗教學中水箱液位串級控制系統為例分析自主性實驗模式的實施與效果。圖4抽取的是兩組由學生自主設計系統的上位人機界面和試驗結果曲線。兩種設計的對象均選用CS4000型過控裝置。

A設計利用組態王WinCC開發服務器端畫面，在PLC300的客戶端環境中編寫控制程序和對硬件進行組態；B的控制單元則選用DDC計算機直接控制I/O模塊的控制臺、上位操作單元選用PC機，采用組態王監控軟件建立友好的人機交互界面，兩種設計監控界面均可以實時顯示結果曲線和參數，實現對水箱液位的控制。

在加入擾動后，分析A設計的實驗結果，對主回路，余差為0.6cm，最大偏差2.4cm，衰減比為4:1，對副回路，余差為1.2cm，最大偏差4.8cm，衰減比為4:1，系統主副調節器的PID參數整定能很快的使系統恢復穩定狀態；B設計的實驗結果，對主回路，余差為0.3cm，最大偏差1.2cm，衰減比為4:1，對副回路，余差為0.9cm，最大偏差5.2cm，衰減比為14:3(大于4:1且小于10:1)，整定時間過長，曲線波動過大，PID控制器的參數設置還有待調整。試驗結果顯示：學生自主設計實驗，由傳統驗證性向創新性發展；開發界面及實驗結果不同，參數設置有差異，實驗報告的數據和結果分析不再千篇一律，雷同率明顯降低。

另外，對這種自主性實驗模式進行問卷調查，93%的學生認為受益匪淺，對實驗和專業課程之間的聯系有了一個主觀的認識，知道如何學以致用；不再盲目的跟隨他人，而是以己之長，設計自己的實驗方案；針對實驗中所出現的問題共同討論解決，分析各自方案的優劣，有利于知識的交流及分享。

圖4 平臺試驗結果顯示圖

4 結束語

自主性實驗教學打破了傳統實驗教學的三個“多于”模式，實現與理論教學緊密結合，將被動性學習轉變為主動性參與，給與學生一個自由發揮的平臺，擴展了學生的創新思維空間，增強了工程實踐動手能力。另外，在保證完成教學任務和科學研究的前提下，可開放實驗平臺，鼓勵學生開展科技活動和創新實踐，提高學生工程和科研能力、推進自動化本科教學質量與教學改革，培養具有創新能力與綜合素質較好的學生，初步實現了綠色發展理念下自動化實驗教學的創新[6-8]。

[1] 沈 秀,張 黎,戎紅仁,等.深化實驗教學改革 提升大學生科學素養[J].實驗室研究與探索,2012,31(3):163-165.

[2] 葉向紅.綠色教育"三尊重"理論探析[J].中國教育學刊,2015,32(6):32-37.

[3] 陳華文,丁振國.高校綠色教育的現狀與實時策略探討[J].思想政治教育研究,2011.6,27(3):45-47.

[4]田 燕,李貞雙,張新剛,等.計算機實驗教學改革探索與實踐[J].長沙大學學報,2012,26(2):125-127.

[5] 金文兵.由組態軟件、智能儀表及PLC等組成的工業控制系統[J].電力自動化設備.2005,25(6):73-76.

[6] 邢 亮,喬萬敏.文化視閾下的高校創新人才培養[J].教育研究,2012(1):9-13.

[7] 吳麗兵,徐再起.面向21世紀的綠色教育[J].合肥工業大學學報,2000,14(2):41-44.

[8] Barrero F J , Martinez-Torres M R ,Toral S L , et al. :Addressing learner satisfaction outcomes in electronic instrumentation and measurement laboratory course organization[J].Journals & Magazines,2007,50(2):129 -136.

(本文文獻格式：王躍飛，李紅星，張曉培，等.自主性實驗平臺在應用型人才培養模式中的研究與探索[J].山東化工，2016，45(24)：135-137.)

Research and Exploration on Autonomous Experimental Platform in Applied Talents Training Model

Wang Yuefei,Li Hongxing,Zhang Xiaopei,Yuan Xuepeng,Huang Yijun*

(College of mechanical and marine engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000,China)

Most of the traditional experimental teaching model uses the verification experiment.The students followed, laboratory equipment and teaching hours are limited, training objective of restricting students' engineering practice ability and innovation ability.In order to improve the experimental teaching mode, the laboratory host computer, control device and the control object device are "unit".Practice shows that the implementation of independent experiment can obviously improve the teaching effect, improve the enthusiasm and initiative of students participating in the experiment, more effectively enhance the innovation ability of students, to change the experimental teaching system, the realization of green education has a certain contribution.

autonomous experiment; heterogeneous devices; unit; green education

2016-11-07

欽州學院高等教育本科教學改革工程項目(2016QYJGB38);教育部高等學校自動化類專業教學指導委員會專業教育教學改革研究課題(2015A04)；欽州學院教改項目(2016QYJGZ23)(2016QYJGB37)(2014XJJG-A21)

王躍飛(1986-)，助教;通訊作者：黃宜軍(1965-)，教授。

G40-057

A

1008-021X(2016)24-0135-03