自動化控制類專業課實踐教學模式的探討

王巧玲　王軍茹　付興建　劉麗華

【摘 要】實踐教學在自動化專業教學體系中占有十分重要的地位，特別是在當前工程應用復合型人才的培養及中國工程教育專業認證的背景下，對自動化專業控制類專業課程實踐教學內容進行系統規劃，根據不同課程的內容，結合同一實驗室設備平臺，針對重復交叉內容，采用融合貫通，提出更有效的優化整合方法，以及改革實踐方法和手段，有效的實現學生工程實踐與創新能力的培養。

【關鍵詞】實踐教學；融合；工程實踐；創新能力；自動化專業

0 引言

隨著經濟和社會的不斷發展，工程應用復合型人才的培養成為趨勢，自動化專業課程旨在培養學生全面認識和實踐自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術等自動化理論知識，系統掌握工程實際應用設備的實驗平臺，提高學生系統應用自動化技術的能力及水平。而實踐教學是提高學生綜合素質與實踐能力必不可少的環節，是培養學生的創新精神和工程實踐能力最有效的途徑。

針對北京信息科技大學（以下簡稱我校）“應用技術主導型”自動化本科專業人才培養的目標要求，自動化專業的實踐教學體系也已經進行了相應的改革與探索，包括加強實驗課程改革、充分利用實驗資源、加大實踐教學力度以及豐富實驗內容等，但目前控制類各專業課實驗課程之間缺乏合作溝通，出現了內容交叉、重復及部分實踐內容不適應培養目標等問題，整體上缺乏統一的規劃和銜接。如果對該類課程實驗進行整體設計與探討，改革實踐教學內容，使之相輔相成銜接得當，則將更有利于學生對專業知識的整體理解和掌握，也更有利于學生提高綜合應用的能力，為將來的發展和就業也有一定的幫助。

1 專業課實踐教學的整體規劃

我校自動化控制類專業課程包括專業課和專業任選課，其實踐教學在本專業實踐教學體系中占有十分重要的地位。其中，過程控制、運動控制、慣性技術、計算機控制系統和自動控制系統仿真為專業必修課，應用自適應、樓宇自動化、集散控制系統及現場總線技術作為專業任選課，以拓寬學生知識面，增強專業適應性。上述課程在內容上聯系緊密，互相之間也都有交叉，但同時又相互獨立，每門課程都設有相應的實驗內容，部分課后也有課程設計及專業綜合實驗的設立，各個環節未將本專業內相互聯系的課程內容融合貫通起來，使學生對整個專業缺乏整體的了解。如果對這些課程的實踐環節進行整體設計與規劃，實踐內容系統化，將更有利于學生掌握和運用理論知識、鍛煉綜合實踐能力。

以我校自動化專業自動控制系統仿真、計算機控制系統、過程控制、應用自適應、樓宇自動化、現場總線技術、現場總線技術課程設計及自動控制系統綜合實驗等這幾門課程實驗內容為例，上述實驗內容除了計算機仿真類，其他均在同一實驗平臺上操作，實驗室采用的是天煌科教THPCAT-2型現場總線過程控制對象系統實驗裝置。學生在自動控制系統仿真、計算機控制系統、應用自適應課程中掌握了控制系統常用的控制算法和先進控制算法，可以以實驗平臺的水箱液位、鍋爐溫度等為被控參數，通過MATLAB軟件仿真實現控制算法的效果。過程控制、現場總線技術課程實驗中熟練掌握儀表、PLC的工作原理及使用方法和整個系統的結構及投運方法。樓宇自動化課程實驗可以利用工控組態軟件設計樓宇給排水監控系統，在掌握實驗平臺操作的基礎上，結合硬件完成整個系統的設計與調試。現場總線技術課程設計是對學生學完現場總線技術這門課程的一個綜合檢驗，也是對學生PLC技術掌握的綜合應用，題目類型的設計可以多樣化，涵蓋仿真類課程中的一些實例。而后的“自動控制系統綜合實驗”獨立實踐環節是對所有專業課理論知識的綜合運用，實驗內容安排上可將仿真類的課程實驗項目在實驗平臺上進行實際的算法研究與驗證。

2 實踐教學內容的改革

隨著自動化和計算機技術的迅猛發展， 對學生的知識結構和水平提出了新的要求。近年來中國工程教育專業認證制度成為教育界、工程界的廣泛共識，再結合我校自動化專業人才培養方案，那么在這樣的背景下，急切需要從實際工程的角度出發，探尋專業內各課程之間實踐教學內容相融合的新模式，旨在提高學生的工程實踐能力和創新能力。整個實驗體系的建設要以培養學生的理論聯系實際、提出問題、分析問題及解決問題的能力為目標，在熟練掌握基本理論知識和操作技能的基礎上，結合工程技術，大量增加設計性、綜合性實驗內容的比例，具體實驗內容的安排也應從簡單到綜合，對于各課程間交叉重復的教學內容應協調合作，做到相輔相成。

以專業基礎課課程實驗為基礎，在熟悉自動化專業所涉及的控制器設計、儀表設備的使用和測量方法后，專業課課程實驗內容的安排則重點在于解決理論與實踐相結合、提高綜合實踐能力的問題。課程實驗內容多以任務書的形式發放，即提出實驗要求和具體要達到實驗指標，指導教師采用啟發式教學思想，實驗過程的設計包括算法程序的編寫、設備選型、方案設計等需要學生獨立完成。實驗內容也由簡單的操作變成復雜的系統操作，很顯然，綜合性、設計性實驗項目能夠促進學生扎實的掌握理論知識，以及過硬的實際操作技能。而課程設計和綜合實驗獨立實踐教學環節，可以從實際工程應用出發，設計一個或多個復雜系統，實驗任務由選題、方案設計與論證、仿真設計、硬件設計及軟硬件聯調、總結報告等組成，必要時可以采用分組的形式進行。同時，也可在畢業設計中增加課程相關應用課題，讓學生能夠對課程有更加深入的學習。

由于實踐教學投入不足、我校實驗室面積短缺、以及過程控制現場總線設備占地面積大、價格昂貴等問題，自動化專業部分專業課實踐教學設備嚴重不足，臺套數比較少，而這與培養工程技術人才相違背，那么采取實驗室全開放，學生可以隨時進行實踐學習顯得尤為重要。所以在完成專業必修課之外，開設了開放性實驗，為了激發學生創新的實踐精神，更好的利用實驗設備，相關老師近年來設計了一批開放實驗項目，包括課內拓展型和自主創新型，同時也有學生自創的實驗項目，效果良好，鍛煉了學生對知識的綜合運用和實際工程的解決問題能力。同時組織各類設計大賽，鼓勵學生參加西門子杯全國大學生控制系統仿真大賽，進而增強工程實踐能力。

3 教學方法和手段的多樣化

目前各課程任課教師各自獨立實施課程教學，對于知識內容的交叉重復很少交流溝通，課程的實踐教學之間也沒有很好的“協作”，學生是“被動”實踐，這種“各自為政”的教學模式，往往使學生在真正面對一個實際工程時感到困惑。有效解決的方法即加強與各課程任課教師的溝通，合理安排實踐教學內容，互相滲透，在實踐中相互協作，以現場總線過程控制對象實驗裝置為實踐教學平臺，開展多課程融合式實踐教學，激發學生的自主學習能力。

被動式實踐教學通常是指由指導教師擬好實驗內容、實驗方法和實驗步驟，學生只需按照實驗指導書按部就班就可以順利完成實驗，這樣的方式不利于學生獨立思考及創新思維的培養，實驗也沒什么良好的效果。目前多數采用任務驅動式實踐教學方法，實驗前發布任務書，任務書中只包含實驗要求、實驗指標、可選的儀器設備、實驗注意事項及實驗報告要求等，具體實驗方案的設計及實驗過程的調試均由學生獨立完成，指導教師對方案進行審查，并在實際操作中給予一定的指導。通過這種以學生為主的、啟發式的實驗方式，很明顯能夠調動學生的積極主動性，切實提高了實踐能力與創新能力。對于例如現場總線課程設計、自動控制系統綜合實驗這種獨立實踐教學環節，采用分組形式，每組同學間分配不同任務，組員合作共同完成，并以小組形式匯報實驗結果。各課程任課教師也將此形式用于課堂，結合實驗設備或者實驗結果，對于學生融會貫通本課程知識點，甚至多個課程的知識點都有一定的幫助作用。

隨著互聯網計算機技術的發展，實踐教學手段也不僅僅拘于課堂形式，可以采取慕課形式，充分利用網絡教學平臺和學校數字圖書館資源作為輔助教學，彌補實踐教學條件的不足。另一方面，計算機仿真軟件也為實踐教學環節提供了有力的輔助工具，自動化專業課實踐經常用到的MATLAB、PLC Simulator，還有MCGS、STEP7、WINCC等組態軟件，這些軟件在實驗前期控制算法的設計、系統的結構設計等都起到了很大的作用，比如運用MATLAB軟件編寫PID或者更先進的控制算法，調試成功后，運用組態軟件設計系統運行監控界面，最后再運用OPC技術，使得MATLAB與工控組態軟件之間進行數據通信，從而實現了先進控制算法在實際對象當中的應用，具有一定的工程實際意義。

4 結束語

本文依據我校“應用技術主導型”自動化本科專業人才培養的目標要求，結合實驗室現有環境，提高學生系統應用自動化技術的能力和水平，針對自動化控制類專業課從實踐教學內容的整體規劃、實踐教學方法和手段等方面進行改革，調動學生學習的積極性和創造性，使學生能夠系統的了解自動化專業的新技術和新方法，加深對課程理論知識的理解。充分利用實驗室資源有效提高學生動手能力和綜合應用的能力，使學生在步入社會之前，能夠得到一些工程技術上的鍛煉。實踐過程中也難免會存在一些問題和不足， 希望在進一步的教學實踐中不斷完善和優化。

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[責任編輯：朱麗娜]