“卓越計(jì)劃”下項(xiàng)目驅(qū)動型自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺研究

崔家瑞, 李 擎, 閻 群, 楊 旭, 王麗君, 張育萌

(北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院, 北京 100083)

“卓越計(jì)劃”下項(xiàng)目驅(qū)動型自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺研究

崔家瑞, 李 擎, 閻 群, 楊 旭, 王麗君, 張育萌

(北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院, 北京 100083)

為了有效實(shí)施“卓越計(jì)劃”,探討了項(xiàng)目驅(qū)動型自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺的開發(fā)與應(yīng)用。該平臺結(jié)合主動式教學(xué)理念,以學(xué)生為主體,以自動化生產(chǎn)線工程項(xiàng)目為依托,以工業(yè)過程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程為依據(jù),兼顧學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng),可以有效地培養(yǎng)學(xué)生分析、提出方案并解決工程實(shí)際問題的能力及產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、技術(shù)改造與創(chuàng)新的能力。該平臺具有一定的通用性,可以推廣到其他電類相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

項(xiàng)目驅(qū)動； 卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃； 主動式教學(xué)； 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)

2010年6月,教育部正式啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”。“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是貫徹落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》的重大改革項(xiàng)目,其實(shí)施目標(biāo)是通過實(shí)施“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”,培養(yǎng)和造就一批面向世界、面向未來、面向工業(yè)界的具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力和較強(qiáng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)工程技術(shù)人才；培養(yǎng)一大批能夠主動服務(wù)國家戰(zhàn)略,主動服務(wù)社會需求的后備工程師。這一重大改革項(xiàng)目有助于促進(jìn)我國由工程教育大國向工程教育強(qiáng)國轉(zhuǎn)變,對于全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的示范意義和引導(dǎo)作用[1-4]。

1 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程的主動式教學(xué)理念

主動式教學(xué)理念已經(jīng)發(fā)展得非常成熟[5-7],并且廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域。然而,大部分都是針對專業(yè)課和課程群等理論課進(jìn)行討論的。實(shí)踐課有一定的特殊性,涉及到硬件、軟件、算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)課程,是一門綜合應(yīng)用類課程,因此,傳統(tǒng)的主動式教學(xué)無法直接套用到實(shí)訓(xùn)課程中。

本文所提的主動式教學(xué)理念為以學(xué)生為主體,將學(xué)生定位為工程師,教師提出具體的項(xiàng)目需求,由學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的分析與設(shè)計(jì),完成教師提出的項(xiàng)目需求的解決方案,并完成項(xiàng)目的實(shí)施與調(diào)試。

結(jié)合工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的工程師培養(yǎng)方法和經(jīng)驗(yàn),利用“主動式教學(xué)方法”，有針對性地設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程課件,利用虛擬儀器技術(shù)研究相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可視化動態(tài)演示平臺,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,以“項(xiàng)目”為核心,以“理論”為基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的思維方式。

以基于S7-300 PLC的張力測量控制系統(tǒng)項(xiàng)目為例。要解決的實(shí)際問題:張力測量控制系統(tǒng)。教師介紹張力測量控制系統(tǒng)的基本要求，如張力測量精度、控制精度、控制周期等。可以采用如下的主動式教學(xué)方法:

(1) 學(xué)生:在聽取教師的項(xiàng)目介紹后,分組討論項(xiàng)目需求,設(shè)計(jì)“項(xiàng)目需求分析報(bào)告”。教師:對學(xué)生設(shè)計(jì)的“項(xiàng)目需求分析報(bào)告”進(jìn)行點(diǎn)評分析,提出報(bào)告中的優(yōu)點(diǎn)與不足,并與學(xué)生交流,引導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行項(xiàng)目需求分析。

(2) 學(xué)生:在確定項(xiàng)目需求正確的情況下,進(jìn)行項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)與選型,撰寫“項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告”。教師:針對學(xué)生的總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告,由教師提問,學(xué)生解答。教師在提問過程中,針對總體方案中存在的問題,逐漸引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)方案中的問題。

(3) 學(xué)生:根據(jù)與教師的互動答疑,提出新的改進(jìn)或者優(yōu)化方案,并進(jìn)行項(xiàng)目詳細(xì)方案設(shè)計(jì)階段。該階段學(xué)生主要完成項(xiàng)目硬件選型、軟件設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)可靠性分析。教師:針對學(xué)生的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案中的一些問題進(jìn)行討論,并針對學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)缺失的問題,引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)考慮一下系統(tǒng)的健壯性。

(4) 學(xué)生:根據(jù)優(yōu)化的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案,學(xué)生可以選擇實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的元器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),也可以自由選擇一些元器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),并撰寫“項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告”。教師:在學(xué)生設(shè)計(jì)過程中,不定期給予技術(shù)支持與指導(dǎo)。

(5) 學(xué)生:在設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上完成項(xiàng)目系統(tǒng)調(diào)試,撰寫“系統(tǒng)調(diào)試報(bào)告”,并進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。教師:在學(xué)生調(diào)試過程中,給予調(diào)試手段與調(diào)試方法的技術(shù)支持與指導(dǎo)。

(6) 學(xué)生:在調(diào)試完成的基礎(chǔ)上總結(jié)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中存在的問題及下一步的改進(jìn)措施,撰寫“項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告”和“系統(tǒng)使用說明書”。教師:針對學(xué)生存在的問題進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)。

通過上述一系列項(xiàng)目進(jìn)程報(bào)告,一步一步引導(dǎo)學(xué)生針對具體的項(xiàng)目問題進(jìn)行項(xiàng)目需求分析、項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目詳細(xì)方案設(shè)計(jì),并總結(jié)解決問題的思路和方法。自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程主動式教學(xué)方法的基本理念如圖1所示。

圖1 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程主動式教學(xué)方法原理框圖

2 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺

與傳統(tǒng)教育相比,“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的培養(yǎng)目標(biāo)具有3個(gè)明顯特點(diǎn):

(1) 具有分析、提出方案并解決實(shí)際工程實(shí)際問題的能力,能夠參與生產(chǎn)及運(yùn)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并具有運(yùn)行和維護(hù)能力；

(2) 具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識和進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)、技術(shù)改造與創(chuàng)新的初步能力；

(3) 具有信息獲取和職業(yè)發(fā)展學(xué)習(xí)能力。

自動化技術(shù)的應(yīng)用無處不在,已滲透到材料、冶金、機(jī)械、環(huán)境、安全等非電專業(yè)的各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,是自動化專業(yè)本科生的必修課之一,在本科大三下學(xué)期上課。自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、獨(dú)立分析和解決問題能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、樹立創(chuàng)新思想的重要環(huán)節(jié),有利于學(xué)生樹立工程意識,對學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程要么以教師為主導(dǎo),學(xué)生僅僅觀看教師演示,要么僅僅讓學(xué)生參與很少的一部分控制算法的驗(yàn)證,學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的自由度和原創(chuàng)空間非常受限,無法滿足“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的順利實(shí)施。

為了有效實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”,探討了項(xiàng)目驅(qū)動型自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺的開發(fā)與應(yīng)用。該平臺以學(xué)生為主體,以自動化工程項(xiàng)目為依托,按照工業(yè)過程的項(xiàng)目相關(guān)設(shè)計(jì)流程為依據(jù),兼顧學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng),可以有效地培養(yǎng)學(xué)生分析問題、提出方案并解決工程實(shí)際問題的能力及產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、技術(shù)改造與創(chuàng)新的能力。

我校綜合利用虛擬儀器技術(shù)[8-9]、電磁兼容技術(shù)[10-11]、嵌入式技術(shù)[12]、多媒體技術(shù)[13]及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[14],設(shè)計(jì)了自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺。該平臺主要包括網(wǎng)上預(yù)習(xí)資源與預(yù)習(xí)測試平臺、虛擬儀器平臺(PC機(jī))、自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺、基本實(shí)訓(xùn)模塊和綜合實(shí)訓(xùn)模塊。自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺框圖如圖2所示。

圖2 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺的基本框圖

2.1 網(wǎng)上預(yù)習(xí)資源與預(yù)習(xí)測試平臺

主要完成學(xué)生自動化專業(yè)相關(guān)理論的復(fù)習(xí)及測試。該平臺會根據(jù)學(xué)生對相關(guān)理論的掌握程度,給出適合學(xué)生水平的實(shí)踐題目,針對該實(shí)驗(yàn)題目給出完成該實(shí)驗(yàn)需要解決的相關(guān)子問題,并針對每個(gè)子問題提出相應(yīng)的解決方案,一步一步引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題。只有學(xué)生完成了相關(guān)的預(yù)習(xí)測試,才能進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)。

2.2 虛擬儀器平臺(PC機(jī))

主要是基于PC機(jī)的虛擬軟件,該軟件由Labview開發(fā),完成相關(guān)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的顯示和驗(yàn)證功能。該軟件通過COM口與自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺連接,通過以太網(wǎng)口和網(wǎng)上預(yù)習(xí)資源與預(yù)習(xí)測試平臺連接,并將預(yù)習(xí)平臺的相關(guān)信息導(dǎo)入到虛擬儀器平臺。當(dāng)學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐時(shí),該平臺會根據(jù)學(xué)生輸入的學(xué)號,輸出不同難易程度的項(xiàng)目內(nèi)容。

2.3 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)主動式教學(xué)實(shí)踐平臺

以高性能微控制器為核心控制器,集成過壓保護(hù)、過流保護(hù)、ESD保護(hù)等功能,提供板級互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)接口,實(shí)現(xiàn)多種功能的即插即用,主要完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)模塊的通信與控制。

2.4 基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊

該模塊主要完成小型自動化系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn),主要包括小型過程控制系統(tǒng)、熱工參數(shù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。本模塊可以兼容現(xiàn)有的自動化實(shí)驗(yàn)臺的功能,允許學(xué)生自主設(shè)計(jì)學(xué)生感興趣的系統(tǒng),并集成到該平臺中。

2.5 綜合實(shí)訓(xùn)模塊

該模塊是在基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊的基礎(chǔ)上,結(jié)合真實(shí)現(xiàn)場項(xiàng)目需求,可用于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的中型控制系統(tǒng)。該部分對學(xué)生要求較高,除了能夠完成相關(guān)的功能設(shè)計(jì),還需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的異常處理和系統(tǒng)的健壯性。

3 教學(xué)方法與實(shí)訓(xùn)平臺的綜合應(yīng)用

為了更好地發(fā)揮自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程主動式教學(xué)方法和實(shí)訓(xùn)平臺的作用,設(shè)計(jì)了自動化生產(chǎn)線主動式實(shí)訓(xùn)規(guī)范流程。具體的規(guī)范流程如圖3所示。

首先，學(xué)生登錄網(wǎng)上預(yù)習(xí)資源與預(yù)習(xí)測試平臺,完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)預(yù)習(xí)。網(wǎng)上預(yù)習(xí)平臺針對學(xué)生預(yù)習(xí)情況,自動給出適合學(xué)生能力水平的循序漸進(jìn)式實(shí)訓(xùn)內(nèi)容,并以“選擇題”的形式提出完成實(shí)訓(xùn)需要解決的各個(gè)子問題,引導(dǎo)學(xué)生思考解決該實(shí)驗(yàn)問題的方法。

學(xué)生通過預(yù)習(xí)測試后，登錄虛擬儀器平臺進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。當(dāng)學(xué)生登錄后,虛擬儀器平臺會根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況,進(jìn)一步給出適合該學(xué)生水平的項(xiàng)目需求,并以“問答題”的形式提出完成項(xiàng)目需要解決的各個(gè)子問題,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考解決該實(shí)驗(yàn)問題的方法。學(xué)生需要撰寫“項(xiàng)目需求分析報(bào)告”。同時(shí),提供虛擬的實(shí)訓(xùn)元器件,讓學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)對應(yīng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目方案,并設(shè)計(jì)“項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)方案”,只有學(xué)生完成了虛擬儀器平臺的實(shí)訓(xùn),才能進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)。

順利通過上述實(shí)訓(xùn)后,學(xué)生需要根據(jù)虛擬平臺的項(xiàng)目方案,到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)施與調(diào)試,并撰寫相關(guān)的“項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告”。完成以上各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)后,才能獲得實(shí)訓(xùn)成績。

可以看出,自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程主動式教學(xué)方法貫穿于各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié),讓學(xué)生深切體會解決實(shí)際問題的思路和方法。通過上述的3個(gè)層次的實(shí)訓(xùn)后,學(xué)生可以有效提高解決問題的能力和創(chuàng)新思維能力。

4 結(jié)束語

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,是高校面臨的一個(gè)重要課題和長期任務(wù)。在自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中,始終把學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。通過以上幾方面的改革和實(shí)踐,學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、動手能力、獨(dú)立分析和解決問題能力都有了很大的提高。

圖3 自動化生產(chǎn)線主動式實(shí)訓(xùn)規(guī)范流程圖

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Study on training platform of project-driven automatic production line for excellent program

Cui Jiarui, Li Qing, Yan Qun, Yang Xu, Wang Lijun, Zuang Yumeng

(School of Automation and Electrical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China)

In order to effectively implement the “Excellent Engineer Education and Training Program”, the development and application of training platform of project-driven automatic production line are discussed. The platform combines electrical experiments heuristic teaching method,taking into account the overall quality of students, not only to stimulate students interest in learning, but also to effectively train students to analyze,propose solutions and to solve practical engineering problems and product development,design,technological innovation and ability to innovate. The platform also has some versatility, which can be extended to other electronic experimental teaching in class-related.

project-driven; excellent engineer education and training program; active teaching; training of automatic production line

2015- 03- 25 修改日期：2015- 04- 20

北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革面上項(xiàng)目(2014-ms028)；2015年北京市共建項(xiàng)目(精品視頻開放課)；北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究重點(diǎn)項(xiàng)目(JG2014Z01)；北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究面上項(xiàng)目(JG2014M30)資助

崔家瑞(1982—),男,山東微山,博士,工程師,研究方向?yàn)樽詣踊a(chǎn)線實(shí)訓(xùn)、微小型無人機(jī)飛控系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、二維隨機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)控制.

E-mail：cuijiarui@ustb.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)10- 0199- 04