基于卓越計劃的自動化專業“系統化”實驗教學改革探討

王彥婷，鮑 艷，張 羽

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819）

【實驗平臺】

基于卓越計劃的自動化專業“系統化”實驗教學改革探討

王彥婷，鮑 艷，張 羽

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819）

以“卓越工程師教育培養計劃”為背景，針對自動化專業實驗教學實際情況，總結分析實驗教學中存在的不利因素，從實驗內容，實驗教學模式及實驗考核方式等方面提出了基于卓越計劃的自動化專業“系統化”實驗教學改革的思路，切實提高實驗教學質量、適應高等工程教育人才培養目標。

卓越計劃；系統化；教學改革；自動化專業

為了促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量，2010年教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”），開展卓越計劃以實際工程為背景，著力培養學生的工程意識、工程素養和工程實踐能力，造就一大批具備較強創新能力，適應社會企業發展需要的高質量工程技術人才[1]。

東北大學是“卓越工程師教育培養計劃”試點高校之一，自動化專業具有較強的工程實踐性，是東北大學的優勢專業，在國內一直處于領先地位。隨著“卓越計劃”的實施，原有的實驗課程體系和教學內容已經不能滿足應用實踐能力和工程技術素質培養的要求，在該專業現有優勢的基礎上進行教學改革勢在必行。本文針對自動化專業實驗教學存在的一些問題和不足，提出了基于卓越計劃的自動化專業“系統化”實驗教學體系，建立一個理論聯系實際，注重學生工程實踐能力培養，由淺入深發掘學生創新能力的完善綜合能力培養體系。“系統化”實驗教學改革將改變學生被動的填鴨式教學，形成學生主動設計研究，教師引導協助進行實驗課程的教學理念。

一、自動化實驗教學存在的問題

自動化專業具有“控（制）管（理）結合，強（電）弱（電）并重，軟（件）硬（件）兼施”的鮮明特點，是理、工、文、管多學科交叉的寬口徑工科專業，面向工業生產過程中的自動化控制及各行業、各部門的自動化。目前大多數高校的教學多采用傳統的教學方法，即先由理論教師在課堂上進行理論知識講授，然后到實驗室由實驗教師安排相應的實驗[2]。現行的培養模式不利于培養學生綜合創新能力的因素主要體現在以下幾個方面。

1.實驗課內容單一獨立。現有自動化專業實驗課程都是以課程角度來設計，實驗內容設計沒有與其他相關知識進行有機交叉融合，缺乏系統整體性。課程內容多簡單單一，雖然本校的實驗平臺多采用先進的工業現場使用的設備儀器，但這樣的課程內容體現不出實驗平臺的優勢。如作者承擔的“電氣傳動控制系統”實驗課程，該課程是一門集電力電子技術、自動控制原理、電機學、直流調速、交流調速，同時穿插系統建模與仿真的綜合性實驗課程。但現有的實驗課程安排內容僅涉及到直流調速中的單閉環、雙閉環調速和交流調速中使用變頻器直接控制交流電機，學生在實驗過程的任務主要集中在硬件接線、控制器參數設計及電機外特性測量觀察控制效果。在設計控制器參數時直接讓學生通過試湊法設計參數，由于學生硬件實驗前沒有理論仿真，對硬件調速控制器不了解，隨機設計出的參數不符合實際。做實驗只是完成單一簡單的任務安排，既沒有達到加深理論知識的目的，也沒有使學生形成控制系統的概念。

2.傳統呆板的教學方式。目前實驗課程的教學方式基本由實驗教師首先講述實驗目的、內容、要求，并介紹實驗儀器的使用方法，學生按照實驗教材中的步驟完成接線、參數測量并完成實驗報告，最后交由教師檢查。整個過程都是教師單向的“填鴨式”灌輸，沒有引導學生綜合各門課程知識設計控制系統，學生和老師、學生和學生之間的交流探討很少，學生對老師的依賴很強，不愿獨立思考創新，這種方式使學生對實驗失去積極性，難以鍛煉學生實踐創新的能力。

3.實驗課程時間安排不合理。自動化學生大多數時間是在學習理論，每門課程的實驗時間安排比重過少，使得學生使用接觸實驗設備的機會很少，對設備只能達到認識的水平，使用起來非常吃力。每次實驗課都需要熟悉相同的實驗設備，這就需要占用大量時間，在本來就有限的課時內只能進行認知和驗證性實驗，很難加入綜合控制系統的設計，這樣的課程安排難以達到培養學生工程意識、工程素養和工程實踐能力的目的。

4.實驗課程考核方式應試傳統。目前自動化專業的實驗課程不進行單獨考核，實驗成績由出勤率、課堂實驗操作和實驗報告三個環節構成。由于課程內容多為認識和驗證性實驗，課堂成績多以學生完成實驗的順序為依據，這種形式使得很多喜歡仔細鉆研設計的學生在成績上吃虧，而在實驗報告方面，實驗結果都與理論知識一致，很多學生為了取得高分，依據理論知識更改實驗數據，不去分析總結出現誤差的原因，對實驗應付了事[3]。這樣應試性的考核方式會造成學生心里不平衡的現象，極大地打擊了學生的積極性，學生的動手能力和綜合素質不能得到有效提高。

二、基于“卓越計劃”自動化專業“系統化”實驗教學改革思路和方法

為了實現卓越工程師培養目標，培養學生的工程創新意識、工程素養和工程實踐能力，必須總結上述實驗課程中出現的問題，對自動化專業實驗課課程進行改革。本文提出了基于“卓越計劃”目標下的自動化專業“系統化”實驗教學改革方案。

1.拓展豐富實驗內容，增加實驗課時比重。實驗課程的內容設定直接影響到學生學習的興趣及實踐能力的培養。“系統化”實驗教學方法要求實驗內容涵蓋面廣，并且能夠調動學生的積極性，自己主動查閱各種文獻，在動手操作實驗的同時消化理解相關理論知識。以作者承擔的“直流控制系統”實驗課為例，第一步，學生對直流電機進行機理建模，建模的過程可以加深學生對電機原理的理解。第二步，辨識電機模型的參數，學生通過觀測過程的輸入、輸出數據來辨識電機模型中的參數，準確的辨識可以為控制器設計提供依據。第三步，利用Matlab軟件進行雙閉環調速系統仿真，仿真實驗可以增強學生使用控制語言的熟練度。第四步，觀察不同控制器參數對應的仿真效果，為實際的控制器的參數設計提供參考范圍。第五步在西門子直流調速器6RA70完成雙閉環直流調速實驗，西門子直流調速器可以對系統的速度環、電流環的PID參數進行優化整定，這里需要學生完成合閘、分閘、使能、OFF2（斷電）及OFF3（快速停車）等指令并且設置不同給定（模擬量給定、電動、爬行、方波給定等）觀察系統控制效果，此過程可以鍛煉學生使用工業現場常用的驅動裝置。第六步建立上位機、PLC和直流調速裝置通訊連接，該過程要求學生學習掌握西門子PROFIBUS DP連接和MPI連接。第七步，在PLC中設計雙閉環控制器，調節參數達到最佳控制效果。本過程要求學生掌握PLC的I/O控制及相關語句編寫。類似上述的“系統化”實驗過程才可真正體現出學生建立起了控制系統的概念，在實驗過程中，學生可以有的放矢，查閱相關書籍文獻，并對其中涉及到各門課程的理論知識查缺補漏。當然完成上述實驗任務需要學生在實驗室投入大量的時間和經歷，增加實驗課時間比重、引進工業控制領域先進的設備儀器也是十分必要的。

2.提高教師教學水平，改變傳統的教學理念。在培養學生同時提升專業教師隊伍整體的工程實驗水平，強調專業課程教師到企業鍛煉，引進專業課程博士，與企業合作開發研究，共同承擔科研項目，讓年輕教師在實踐中得到鍛煉[5]，這樣組建的教學隊伍才是高層次的，教師和學生的培養都是基于“卓越工程師培養計劃”，最終形成高素質人才的良性循環培養。探索先進教學理念的過程中，教師應該改變以往以教師為主的教學形式，強調學生的主體地位，讓學生獨立完成任務，領會題目、查閱資料、確定方案及實驗設計都由學生研究完成，積極調動學生的主動性和創造性，提高他們分析、解決問題的能力[4]。同時教師也需注重學生逆向思維能力的訓練，逆向思維能力是學生不可或缺的工程實踐能力之一，在學生的實驗設備或程序中設置一些錯誤，訓練學生準確排查并消除故障的能力，實驗內容可以由學生原有的認識和驗證性實驗改進，這樣的實驗更能模擬出實際工程設計中的調試和維修過程。

3.優化考核方式，培養學生綜合能力。好的考核機制可以激發學生的能力，并將學生的真實水平反應出來。以往的出勤率、課堂表現、實驗報告可以歸結為平時成績，引入學生對部分內容講解授課作為考核的一部分，鼓勵學生為大家講解實驗原理及實驗設備的使用方法，學生由被動聽講變為主動學習，實踐證明以學生的角度學習對知識的掌握程度更深，效率更高。目前大學中的多數課程仍然延續著應試教育的模式，傳統的考試不能培養學生的綜合能力，在教學過程中，我們發現有很多同學在人前講話有恐懼心理，不能表現自己，實驗課中只是埋頭苦干，但卻講不出來，這樣的學會并不是真正的會。所以，我們在考核中提供這樣的機會，使學生可以更多地鍛煉自己的能力，增強自信。課程最后的考核方式以答辯的方式進行，多個老師聽取學生報告、提出問題，并給出解決意見。上述考核方式可以幫助學生在課程結束后對全部實驗內容歸納總結，形成綜合系統的知識體系，鍛煉學生的講演口才，真正的全面提高學生的綜合素質和社會競爭力[6]。

三、結束語

“卓越計劃”對高校面向社會需求培養人才，提高人才培養質量，增強畢業生就業能力具有重要的引導作用。同時也對自動化專業的人才培養提出了更高的要求，我們的實驗教學不再作為理論學習的驗證和補充而依附于理論教學[7]。實驗教學不斷更新教學理念，完善教學體系，優化教學環境，整體實驗教學效果有了顯著改善。自動化專業實驗課的改革在培養本專業學生實際操作能力，創新逆向思維及培養綜合實踐素質起到了重要的推動作用，為卓越工程師培養目標奠定了夯實的基礎。

[1]張宇，等.自動化專業“立體化”卓越人才培養的探索與實踐[J].教育教學論壇，2012，（44）：194-196.

[2]韓克鎮，等.卓越工程師培養目標下的液壓傳動試驗教學改革探討[J].實驗室科學，2013，16（1）：86-88.

[3]鮑燕，等.自動化專業實驗教學改革的探索與實踐[J].教育教學論壇，2013，（43）：38-39.

[4]蘇麗華.電子課程設計的探討與實踐[J].實驗室科學，2009，（2）：72-74.

[5]文進.以創新教育為導向的卓越工程師培養模式[J].中國科教創新導刊，2011，（22）：12-13.

[6]郭寶紅.以就業為導向的計算機基礎課程教學改革的探索與實踐[J].實驗室科學，2012，15（2）：144-147.

[7]劉啟彬，劉丹，曾建萍.固體廢物處理與處置課程實踐教學問題與對策探討.2012.15（2）：138-140.

G642.0

A

1674-9324（2014）28-0238-03

王彥婷（1987-），女，遼寧沈陽人，碩士，助理工程師，長期從事自動化相關專業的實驗教學研究及實驗平臺設計維護工作，主要研究方向為交直流控制調速，非線性自適應控制等。