自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與研究

白 銳 孫麗穎 趙越嶺 郭 棟

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與研究

白 銳 孫麗穎 趙越嶺 郭 棟

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

自動(dòng)化是具有較強(qiáng)工程背景的工科專(zhuān)業(yè)，該專(zhuān)業(yè)的主要特點(diǎn)是面向?qū)ο罂刂疲瑥?qiáng)調(diào)系統(tǒng)組成、強(qiáng)弱電并重、自然科學(xué)性與工程技術(shù)性并存。針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的完善和優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)等。

自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)體系；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)在全國(guó)大部分工科院校均已開(kāi)設(shè)。該專(zhuān)業(yè)是具有很強(qiáng)工程背景的專(zhuān)業(yè)，其主要特點(diǎn)是面向?qū)ο罂刂疲瑥?qiáng)調(diào)系統(tǒng)組成、強(qiáng)弱電并重、理論與實(shí)踐相結(jié)合、自然科學(xué)性與工程技術(shù)性并存[1,2]。近年來(lái)，依據(jù)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃(以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”)的指導(dǎo)思想，我國(guó)部分高校的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革與創(chuàng)新，包括培養(yǎng)方案及模式的改革、課程體系的改革、教學(xué)方法及手段的改革、教學(xué)內(nèi)容的改革等。上述教學(xué)改革雖然取得了一定的成效，但均存在一定的不足，其突出問(wèn)題是在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革過(guò)程中，沒(méi)有重視或者忽略了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革及創(chuàng)新[3-5]。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是一個(gè)具有很強(qiáng)工程背景的專(zhuān)業(yè)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)正是提高學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)具有非常重要的地位。目前，各個(gè)高校在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)過(guò)程中，均在一定程度上存在重理論輕實(shí)踐的傾向，這種人才培養(yǎng)模式不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的提高，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

因此，如何針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，并依據(jù)“卓越計(jì)劃”的指導(dǎo)思想，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革和創(chuàng)新，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，是當(dāng)前教學(xué)改革中亟待解決的重要問(wèn)題之一。本文針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，依據(jù)“卓越計(jì)劃”的指導(dǎo)思想，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革和創(chuàng)新，主要包括課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完善和優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)等多方面的改革和實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完善與優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系方面，應(yīng)完善和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程體系，打破課程界限，整合實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，正確地處理好不同階段、不同層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的關(guān)系，充分突出綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的主體作用。目前，我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系整體上分為3個(gè)內(nèi)容：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體結(jié)構(gòu)

1.1 專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是全面培養(yǎng)學(xué)生具有寬厚、扎實(shí)的基本實(shí)踐技能，具有基本分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要指自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)等課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和要求以驗(yàn)證性為主，適當(dāng)輔之以一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合，而突出對(duì)基本概念和基本原理的再現(xiàn)與應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也不宜過(guò)分復(fù)雜，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)突出有限的幾個(gè)重要概念和原理。

通過(guò)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念和基本原理的理解和掌握，同時(shí)增加學(xué)生對(duì)各種儀器儀表、電子元器件的使用和操作能力。

1.2 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如圖2所示，由三類(lèi)實(shí)驗(yàn)組成，包括過(guò)程控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)、嵌入式系統(tǒng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)。

圖2 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的組成

專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是全面提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)的實(shí)踐技能和自主學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力，掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，在一定程度上具有獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)現(xiàn)了各種相近課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合和優(yōu)化，通過(guò)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的各種專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)融會(huì)貫通。

過(guò)程控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、PLC技術(shù)及應(yīng)用、集散控制系統(tǒng)等課程的需要進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)電機(jī)拖動(dòng)、直流調(diào)速控制系統(tǒng)、交流調(diào)速控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等課程的需要進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)；嵌入式系統(tǒng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)微機(jī)原理及應(yīng)用、單片機(jī)原理及接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)控電路設(shè)計(jì)等課程的需要進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

1.3 實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是全面培養(yǎng)學(xué)生綜合研究、勇于創(chuàng)新的實(shí)踐能力，具有在項(xiàng)目和系統(tǒng)的層次上分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體內(nèi)容如圖3所示。

圖3 實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的組成

該類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)擺脫了對(duì)具體課程的依附，綜合專(zhuān)業(yè)知識(shí)，完全采用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的方式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)性和綜合性，貼近工程，貼近實(shí)際，完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要利用來(lái)自多門(mén)課程的知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)探究式學(xué)習(xí)提出新的課題，開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)。每一實(shí)驗(yàn)只有設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，采取學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在教師指導(dǎo)下自行設(shè)計(jì)的形式進(jìn)行。

實(shí)訓(xùn)部分主要依托我校的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心、電工電子實(shí)訓(xùn)中心，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手及工程實(shí)踐能力。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要包括專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽類(lèi)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)包括開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)以及大學(xué)生創(chuàng)新-創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，可自由選題；競(jìng)賽類(lèi)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)各種科技競(jìng)賽，包括大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽、“飛思卡爾”智能車(chē)競(jìng)賽、國(guó)家和省級(jí)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“西門(mén)子”杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽等。上述實(shí)踐活動(dòng)均依據(jù)獲獎(jiǎng)情況給予學(xué)生1～2創(chuàng)新學(xué)分。

2 面向自動(dòng)化應(yīng)用行業(yè)背景 完善和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對(duì)每一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行完善和優(yōu)化，其重點(diǎn)是專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)部分的內(nèi)容。針對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的每一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容應(yīng)盡量與自動(dòng)化所應(yīng)用的行業(yè)背景相結(jié)合。

自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)充分面向自動(dòng)化所應(yīng)用的行業(yè)背景，其理由有以下幾方面。

(1)由自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)所決定。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要特點(diǎn)之一是面向?qū)ο罂刂疲豢貙?duì)象是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)必須充分地掌握被控對(duì)象的工藝流程、動(dòng)態(tài)特性等。自動(dòng)化需要應(yīng)用到具體的行業(yè)中，冶金、化工、石油、汽車(chē)等行業(yè)都是自動(dòng)化程度高、自動(dòng)化系統(tǒng)和控制對(duì)象龐大的行業(yè)，要想實(shí)現(xiàn)上述行業(yè)的良好自動(dòng)控制，必須充分了解上述行業(yè)的特點(diǎn)。因此，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)與冶金、化工、石油、汽車(chē)等行業(yè)是密切相關(guān)的。

(2)從我國(guó)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的發(fā)展歷史來(lái)看，我國(guó)的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是借鑒蘇聯(lián)的培養(yǎng)模式和課程體系建立的，國(guó)際主流教育體系中并未設(shè)置自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。在國(guó)外，自動(dòng)化不是一個(gè)單獨(dú)的專(zhuān)業(yè)，而是與其他專(zhuān)業(yè)如化工、冶金、機(jī)械等專(zhuān)業(yè)融合，形成了冶金自動(dòng)化、化工自動(dòng)化、機(jī)械自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)方向。

(3)從學(xué)生就業(yè)的角度來(lái)看，學(xué)生畢業(yè)之后多數(shù)工作在冶金、化工、石油、汽車(chē)、機(jī)械加工等行業(yè)中，用人單位特別需要了解行業(yè)背景、懂得工藝過(guò)程、掌握控制對(duì)象的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人才，使畢業(yè)生能在短時(shí)間內(nèi)滿足企業(yè)生產(chǎn)崗位的要求，減少或取消崗前培訓(xùn)的時(shí)間。

從應(yīng)用范圍及工程實(shí)踐的角度來(lái)講，自動(dòng)化可分為過(guò)程自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化兩個(gè)專(zhuān)業(yè)方向，其中過(guò)程自動(dòng)化簡(jiǎn)稱PA，工廠自動(dòng)化簡(jiǎn)稱FA。PA主要面向冶金、石油、化工、電廠、水處理等行業(yè)，F(xiàn)A主要面向汽車(chē)、港口、包裝、機(jī)械設(shè)備等行業(yè)。目前，將自動(dòng)化分為PA和FA方向已經(jīng)得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可。

因此，面向自動(dòng)化行業(yè)所應(yīng)用的背景，合理設(shè)置每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體內(nèi)容，在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容中，將自動(dòng)化所應(yīng)用的行業(yè)背景與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，充分考慮相關(guān)的行業(yè)背景。例如，過(guò)程控制類(lèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)盡量與PA的行業(yè)背景相結(jié)合，運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)盡量與FA的行業(yè)背景相結(jié)合。

3 面向自動(dòng)化應(yīng)用行業(yè)背景 完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

自2013年以來(lái)，利用中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金以及其他各類(lèi)資金，我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)已經(jīng)建設(shè)完成精餾化工過(guò)程的集散控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、汽車(chē)生產(chǎn)線的PLC控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)自主研發(fā)了氧化鋁生料漿配料過(guò)程自動(dòng)控制的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)自動(dòng)化所應(yīng)用的行業(yè)背景，繼續(xù)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。

(1)增加實(shí)驗(yàn)對(duì)象模塊的種類(lèi)和數(shù)量，如增加汽車(chē)懸架系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)等被控對(duì)象模塊，該類(lèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要面向FA的行業(yè)背景，可用于嵌入式系統(tǒng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)等，同時(shí)也可用于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

(2)以氧化鋁生料漿配料、冶金燒結(jié)配料，污水處理、汽油調(diào)合等工業(yè)過(guò)程為背景，利用電氣工程學(xué)院的西門(mén)子實(shí)驗(yàn)室和羅克韋爾實(shí)驗(yàn)室，建立流程工業(yè)自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要面向PA的行業(yè)背景，可用于過(guò)程控制類(lèi)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可用于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，可為專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)境提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、面向自動(dòng)化應(yīng)用行業(yè)背景的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的完善和優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)。實(shí)際的教學(xué)過(guò)程表明，本文所提出的改革方法可獲得良好的教學(xué)效果，有利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的提高。

[1]戴先中.自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容、地位與體系[M].北京:高等教育出版社,2003.

[2]張會(huì)清,王普,任明榮,高學(xué)金,嚴(yán)愛(ài)軍.專(zhuān)業(yè)課教學(xué)與科研互動(dòng)的研究與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(2):109-111.

[3]佟紹成,于自強(qiáng),李昕.構(gòu)建工科院校學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2012(3):28-30.

[4]張健,白銳.以提高工程實(shí)踐能力為目標(biāo)的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課教學(xué)改革[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2012(3):125-127.

[5]劉建昌,徐心和.自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)重要性剖析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005(12):94-95.

Design and Research of the Experiment Teaching for Automation

Bai Rui, Sun Liying, Zhao Yueling, Guo Dong

School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

Automation has the strong engineering background. Its main characteristics are object-oriented control, system composition, combination of high and low voltage, combination of theory and practice, combination of natural science and engineering technology. According to the characteristics of automation, the optimization of the experiment teaching is implemented to cultivate applied student as the goal. The main reforming content includes the construction of the experiment teaching system, the improvement of the experiment teaching contents, and the construction of the experiment teaching platform.

automation; experiment teaching; teaching system; teaching contents; experiment platform

2016-09-28

白銳，博士，教授。

遼寧省教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：UPRP20140643，305)，遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：2014033，2016030，2016027)。