測控專業綜合實驗教學改革和實踐

單寶明

(青島科技大學 自動化與電子工程學院 山東 青島 266061)

綜合實驗是大學培養計劃的一個重要實踐環節，是對學生在大學四年所學專業知識的一次檢驗，更是學生對所學知識的綜合運用。通過綜合實驗能夠培養學生綜合運用所學知識的能力，培養學生發現、分析和解決問題的能力，培養自主創新精神[1]。

但綜合實驗課程的特點是綜合性很強，實踐性很強，如何設計有效的教學內容和教學模式一直是一個難題[2]。之前測控專業綜合實驗的授課模式有基于單片機課程的內容，基于檢測儀表課程的內容或基于虛擬儀器實驗設備的內容，存在的問題：一是設計內容不夠綜合，和所學的一些課程有重合；二是設備臺套數不足，學生動手實踐的機會不夠，提升空間小。整體來說，綜合實驗的教學不夠規范化，不能充分體現測控特色。

借助于專業認證的契機，測控實驗室設備進行了更新，因此我們重新修訂了綜合實驗的教學目標和教學計劃[3]。時間由原來的一周改為兩周，開設時間也進行了靈活安排。綜合實驗設計的指導思想是一定要體現"測"和"控"兩個特色，在綜合實驗設計中既要有測量方面的內容，又具有控制的特色，兩方面緊密配合、缺一不可。本文就是從教學目標、教學內容，組織實施方式和考核過程等方面闡述了實驗教學的新模式。

1 綜合實驗的畢業指標和教學目標

綜合實驗要達到的畢業目標包括12條指標中的第9、10、11條內容，是分工合作、溝通和工程項目管理的基本要求。教學目的和任務是：培養學生綜合運用大學前三年所學的專業基礎理論和專業知識，提升基本技能，提高分析和解決工程設計問題的能力，培養學生查閱技術文獻、資料和手冊的能力，具備程序設計、電路圖紙繪制及撰寫書面報告的基本能力。通過綜合實驗的訓練，學生能夠合理分解、分配工程實踐任務，能與團隊成員開展合作，并傾聽他人建議；能夠通過口頭、書面、圖表、圖紙等方式歸納和陳述測量與控制、儀器儀表設計等相關的復雜工程問題，能夠根據需要撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達[4]。因此我們的綜合實驗教學內容就根據這些目標進行設計和更新。

2 教學內容設計

教學內容設計主要是基于目前實驗室的設備，側重體現“測”和“控”兩個方面。實驗室新進的實驗設備是BDT-MPS-02型測控綜合實驗系統，該系統應用傳感器技術、氣動控制技術、機械傳動、PLC控制和組網、步進電機位置控制等測控專業知識，來模擬上料、搬運、加工、安裝、傳送或分揀等生產加工控制過程，使學生得到一個非常接近于工廠生產環境的教學環境，縮短理論教學與實際應用的距離。該系統囊括了測控專業教學中所涉及的諸如傳感器檢測、電機驅動、位控、氣動、可編程控制器、網絡通訊等多門課程知識，給學生提供了一個典型的綜合實訓環境。測控專業實驗就是基于此設備開展，主要內容包括：

(1)機械裝調部分：系統上有多套步進電機及電機驅動器系統，有雙軸和單軸兩種方式，各驅動器由PLC I/O數字控制，充分學習各種型式的驅動器對于電機的特點，學生可以獨立進行每個站點的實踐學習。

(2)傳感器信號檢測部分：包括多種傳感器，比如有多個電容式和電感式傳感器，檢測金屬物體位置，起接近開關的作用；有反射型光電傳感器，檢測有無物體；多個磁感應式開關，安裝在氣缸兩端，檢測活塞位置等等。熟悉其工作原理，并在實驗中進行測試和調整。

(3)電機驅動控制部分： 掌握步進電機驅動器和伺服電機驅動器的電氣原理，通過對步進電機和伺服驅動器以及電機的認識，實現PLC與電機的精確定位。

(4)PLC編程實訓部分：學生要掌握博途軟件的安裝和使用，通過對設備的熟悉，實現基本的邏輯控制和功能。掌握利用西門子1200系列PLC實現對電機的控制，實現運動控制和傳輸控制。掌握利用PLC實現氣動控制技術，由電磁閥控制氣缸實現電磁鐵的運動。

(5)網絡通訊部分：學生掌握網絡參數的設置，掌握站點和站點之間的通訊方式和特點；同時掌握PLC與上位機的通訊，在中控主機或電腦上設計監控界面，實現數據的實時監控。

3 實施過程

3.1 實驗的安排

表1 實驗的安排

教研室成立綜合實驗指導小組，一般由2～4名教師組成；由指導教師給出綜合實驗任務書、基本原理及參考方案等；實驗開始前，指導教師進行演示和講解，并明確實驗要求和注意事項；學生進行分組，并在教師的指導下獨立完成任務。具體如表1。

3.2 學生完成任務的的流程：

(1)學生分組，熟悉設備的工作流程，相互討論進行方案設計。

(2)參考說明資料，獨立畫出原理圖，并在設備上進行接線。

(3)各部分調試：包括機械部分的調試；信號獲取的方式(信號檢測的各種傳感器)；步進驅動電機控制；明確PLC控制的輸入輸出點數，實現對電機和氣缸的控制等；PLC網絡通訊包括多個站點連機通訊和PLC與上位機的通訊。

(4)設備運行操作流程：第一步供電操作：給設備供電，各設備電氣柜空開全部達到ON；第二步，設備檢查操作：為了確保設備上電后能夠運行正常，需要對設備進行檢查，主要包括供電電源檢查、PLC檢查、信號連接電纜檢查、氣動檢查、傳感器檢測(設備機構無雜無阻礙、機構的軸位于限位范圍內)等。第三步，設備運行：設備供電，經過檢查無任何報警后可進行設備運行操作。按照電源操作 按鈕操作 物料操作的順序即可。注意，設備復位完成處于待機狀態后，可以進行物料放置、搬運、抓取、檢測、加工、入庫等。物料需要從入料倉進行放置，入料倉為源頭。物料可以一次運行一個，同時避免操作人員麻煩，也可以一次性放置多塊物料。

按下啟動按鈕，設備單元執行的動作(見圖1)。

圖1 設備單元執行的動作

4 考核方式

綜合實驗成績評定包括多個方面，采用綜合考核，每一方面側重體現學生的某些能力和品質[5]。一是實驗結果的演示，學生獨立地把設備從頭到尾運行一遍，檢驗運行效果，是否有改進等，這部分占總成績的60%。這個環節直接展示學生的工作，完成了哪些，效果如何；二是實驗報告，體現學生的文字表達能力，如何把所做的事情準確、完整、充分地表達出來，而且要言簡意賅，重點突出，讓不熟悉的人一看就能清楚明白，占20%；三是答辯，每個組員講解自己負責的一部分，考察學生的口頭表達能力，同時體現成員之間分工合作的情況，占10%，最后要綜合考慮平時表現，包括考勤和學生提問問題情況，這方面體現了學生的學習習慣和做事嚴謹的作風，平時表現經常遲到、請假或早退的學生一定是態度不夠認真，學習不積極，實驗過程一定不能全身心投入，這是會在成績評定時要考慮的部分，占10%。最后的總成績體現了學生在教學目標中各個部分的實現情況。

整個綜合實驗的內容包含了“測”和“控”兩方面的內容，工作量比較大，涉及知識面廣，不管從設計內容上還是實施方式上，都進行了改革。實驗前老師們對新的模式是否有效還沒有把握，但是實行了一個學期后發現，學生興趣很高，很多同學利用晚上和周末的時間來編程、調試和修改，學生之間熱情討論，不斷地改換方案、嘗試新動作等，最終每一組都能夠順利地運行設備。老師們都深感學生的潛力無限，更有信心嘗試新的教學改革。

5 結束語

測控專業綜合實驗新的教學模式，集成了機械、電子、電路、控制、光學、電磁學、材料科學等知識，多學科交叉，綜合性強；同時要求學生能夠熟悉原理，自己動手設計其原理圖，自己接線，掌握PLC軟件編程，實現抓、運、傳，放等一系列流程動作，實踐性強。每一套設備8人合作，結束時撰寫報告，并進行答辯驗收，整個綜合實驗的環節訓練了學生的綜合應用能力，培養了學生嚴謹求實的作風，實驗效果也證明，學生在理論分析、查閱設計手冊與資料、系統設計、制圖、運用標準和規范以及計算機工程軟件的使用等方面都得到了一個系統的訓練和培養，提高了實踐教學質量，為社會培養出綜合素質高，動手能力強，有競爭力有潛力的工程應用型和創新型人才。