構建測控實踐教學體系 培養學生創新科研能力

杜云 孟凡華 黃公發 宋哲英

摘 要：為了使畢業生和企業真正實現“零對接”，培養學生創新科研能力，測控技術與儀器專業以專業知識為背景，結合實際工業生產過程，構建了基于應用型人才的實踐教學體系。該體系包括相互交叉、各有特色、點面結合的四個層次：“課內實驗”、“綜合設計”、“創新研究”和“工程實踐”，為培養測控專業面向21世紀專業人才，全面推進素質教育奠定了良好的基礎。并以單片微機六周個性化環節為例，具體介紹了該環節任務驅動的實踐教學模式，為學生提供了創造性的學習平臺，培養了其完整開發單片機產品的能力。

關鍵詞：實踐教學體系；創新教育；零對接；素質教育；個性化訓練

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）14-0029-03

Abstract： In order to make the graduates and enterprises truly realize the "zero docking" and train students ability of innovate scientific research， the practice teaching system is set up in the Measurement and Control Major. It is based on the background of professional knowledge and the actual industrial production process.The system includes four interdisciplinary and distinctive levels： "in-class experiment"， "comprehensive design"， "innovation research" and "engineering practice"， which are designed to cultivate the professional and technical talents of the 21st century and lay a good foundation on promote quality education. Taking a single microcomputer as an example， it is personalized for six weeks， which specifically introduces the task-driven practice teaching model. It provides a creative learning platform for students and cultivates students' ability to develop a complete microcomputer products.

Keywords： practical teaching system； innovation education； zero docking； quality education； individualized training

一、概述

美國曾做過一個統計，20世紀50年代，研究開發人才、一線技術工程人員、熟練工人的比例為2：2：6，到90年代變為2：6：2。這一統計結果不僅反映出經濟發展對應用型、創新型本科人才需求的增加[1]，對高校畢業生實際應用水平的提高提出了要求，也從另一面反映出高校應根據這種變化及時調整人才培養模式。培養創新人才是社會發展的需求，更是當前高等教育的首要任務。如何構建創新人才培養模式，更新實踐教學體系，成為地方本科院校亟待解決的任務。作為寬口徑的電氣信息類測控技術與儀器專業是實踐性很強的專業，培養的學生應該是能綜合運用理論和方法分析、解決實際問題的高級復合型、應用型人才，所以專業依據自身辦學條件和專業特點，根據“加強基礎、淡化專業、拓寬知識面、注重工程實踐”的教學指導思想，進行實踐教學環節的探索與實踐[2]。

二、遞進式的實踐教學體系

多年來，測控技術與儀器專業在培養學生的工程應用能力和創新能力方面，依托各種實踐環節，構建了遞進式的實踐教學體系如圖1所示。該體系包括課內實踐和課外實踐兩方面，共分四個層面：第一層為專業基本能力層，訓練學生基本技能，掌握本課程的基本知識；第二層為工程師能力層，通過綜合設計環節，加強學生工程意識，提高設計能力；第三層為創新研究層，通過課外科技活動、科技競賽等，提高學生動手能力和創新能力；第四層為工程實踐層，通過各種實習環節提高學生的工程實踐能力，真正實現“零對接”。通過該實踐教學體系的構建，可在不同分支實踐環節建設及教學過程中，根據各層次對學生基本技能的要求，對教學軟硬件條件、師資隊伍、教學方法和模式方面進行針對性的建設，使各個實踐教學環節既能承擔整個實踐教學培養鏈條中的特定實踐訓練任務，又具有承上啟下的功能[3]。

在整個實踐教學體系中，很多實踐環節并沒有考慮學生個性差異，因此在第七學期，增加了六周個性化訓練環節。在六周個性化訓練中，專業老師根據自己的特長，設立了包括單片機、PLC、虛擬儀器、組態軟件等在內的6個專題。學生可根據自己的興趣和擅長的技能，自由選擇某個專題。該環節設置在畢業設計之前，生產實習之后，起到承上啟下的作用，使學生即能對理論知識掌握得更加深入，又能對生產實習階段獲得的能力得到強化和拓展；為畢業設計環節提供很好的方法論，使得學生能夠在畢業設計階段快速進入狀態，自主完成設計。

三、單片機個性化訓練專題

（一）專題設計目的

單片機既有一般微型計算機的功能、特點和原理，又具有技術水平高、應用起點低的特點，很容易和某一行業實現有機結合。以往單片機實訓課程采取“理論+實驗+綜合設計”的教學模式，按照教材順序進行理論講解。實踐環節主要是用單片機實驗箱進行驗證實驗，往往停留在學生按照實驗指導書進行插線、輸入程序進行驗證的傳統教學模式。這種教學模式雖然有利于理論知識的鞏固，鍛煉學生的編程設計能力，但會使學生不知道單片機在實踐中的真正作用，容易喪失學習興趣，導致學生沒有一個整體的測控系統概念，缺乏開發單片機產品的經歷和能力。因此專業老師提出的單片機個性化訓練專題，以單片機技術為核心設計貫穿測控技術與儀器大部分專業知識。

（二）單片機技術專題內容

1. 整體方案

專題訓練采取項目式教學，在實訓室集中訓練組織實施。先由教師對項目進行必要的課堂講解和分析，要求學生在六周內完成硬件電路設計、焊接、調試、軟件編程、下載運行、故障排除等。

單片機專題每年內容會有所不同，以2016年要求學生設計一個單片機溫度測控系統為例，從理論和實踐兩方面對學生進行全方位的訓練。

理論方面從系統概念入手，通過實測溫度數據，分析對象物理特性，建立被控對象的數學模型。在建立數學模型基礎上，設計對溫度參量的測控系統，對控制器參數進行整定，用MATLAB語言仿真，分析系統性能。

實踐方面從制作溫度對象入手，設計以單片機為控制器的軟硬件測控系統。包括單片機的選型、溫度信號測量電路的設計、驅動電路的設計、必要的人機接口電路的設計等。完成方案設計、器件選型、焊接實物和實際調試的全過程。

2. 設計步驟

整個設計具體步驟分為硬件設計、理論分析與仿真、系統焊接調試三個方面。

（1）硬件設計

a. 制作溫度對象

一般來講，最簡易最便宜的溫度對象是電爐絲，所以購買了2000瓦的交流電爐絲加熱爐。但是考慮學生安全操作要求，把220V交流電爐絲按照長度比例，并考慮有效值，截取12V長度的電爐絲即可，對應的功率約108瓦，改造為直流12V的電爐絲，采用直流供電加熱，這樣既安全又容易制作直流電壓可調的功率放大器。

b. 選擇合理的傳感器

對于溫度對象，可以采用熱電阻、熱電偶或單片集成測溫芯片18B20等測溫元件完成溫度測量。學生可以根據被控對象的特點、自主選擇傳感器。本部分要求學生根據《檢測儀表》、《誤差分析》等相關知識，考察當前市場上各型號產品的應用情況，合理選擇溫度傳感器。

c. 設計驅動電路

學生需要考慮電爐絲的功率108W，供電電壓直流12V，所以額定電流最大不超過9A，所以必須選擇功率放大元件耐壓24V以上、耐流20A以上的器件。本部分要求學生根據《電路》和《模擬電子技術》等相關知識，選擇合理的功放元件，設計符合實際需求的驅動電路。

d. 單片機選型

學生需要選用性價比較高的單片機構成核心控制電路，控制輸出采用PWM（即脈沖寬度調制）技術。為了使單片機穩定工作，需要設計適合于單片機的穩壓電路，而且設計中要考慮單片機工作的抗干擾問題。

e. 輔助功能電路的設計

為了實現溫度設定值可調，需要設計按鍵電路；為了實現溫度值的實時顯示，需要設計數碼管顯示電路。

f. 電路仿真

將上面設計的電路搭建起來后，需要通過電路仿真軟件進行仿真，來驗證硬件電路的正確性。

（2）理論分析與仿真

a. 建立控制對象的模型

給電爐絲突加一個階躍信號，獲得溫度變化曲線，根據曲線響應法獲得對象模型，經過實測數據分析，建立電阻爐這個一階慣性加純滯后對象的數學模型，為進行PID控制提供數學基礎。本部分要求學生根據《自動控制原理》等相關知識，根據實驗數據進行分析計算，構建出系統的數學模型。

b. 控制系統仿真并整定PID控制器參數

應用MATLAB語言，搭建溫度對象的單閉環控制系統，控制器采用常規的PID，通過仿真，選擇合理的控制器參數。

（3）系統調試

a. 編制匯編程序實現控制器的運算

將理論仿真的控制方法，移植到單片機上，用匯編語言編寫PID控制程序、按鍵功能、顯示功能和溫度采集功能等程序。

b. 運行和調試系統

運行單片機控制系統，觀察實際控制效果，通過微調控制參數，最后取得理想的預期效果。

本部分要求學生綜合運用本專業所學理論知識，對出現的實際問題加以分析、調試、解決，最終得到滿意的控制效果。

3. 實施效果

通過理論分析，進而對實際控制系統進行調試和運行，取得了很好的預期效果，讓學生體驗到了自己動手設計并取得成功的喜悅。使學生真正獲得理論聯系實際，理論指導實踐，實踐驗證理論的實戰能力。該環節已實施五屆，學生對單片機的理解和認識有了明顯的進步：在整個項目實施過程中，進一步掌握了課程要求的知識和技能，縮短了從理論知識到實際應用的過程，加強了分析問題和解決問題的能力以及團隊合作能力，有利于提高實際應用能力，增強了創新意識；很好地培養了學生的專業興趣，大部分學生在實踐中通過對硬件和軟件的認知、操作和編程，對單片機學習產生了較濃厚的興趣，有些學生自選單片機應用系統課題在課下自行設計研究，促進了學生的電子設計能力；提高了就業能力，真正達到了實施個性化訓練的目的[6]。

四、結束語

在測控專業的實踐教學體系中，四個環節定位準確、銜接緊密，平滑過渡與重復強化相結合，注重學生基礎實驗的規范性、集成環節的系統性；注重創新思維意識和工程素質的培養。課內實驗環節注重培養學生的基本動手能力和規范的實驗習慣。綜合設計環節將學生的知識系統化，培養學生的系統認知能力，使學生初步具有分析、設計能力。其中個性化訓練環節涉及到多門課程的綜合運用，通過六周的訓練和實踐，使學生進一步理解和掌握了所學的專業知識。創新研究環節是對綜合設計環節的強化，又是工程實踐環節的基礎。最后，通過工程實踐環節，將一個大學的“學才”轉化為社會需求的“人才”[7]。經過幾年來的實踐結果表明，該遞進式實踐教學體系結構合理，效果明顯，我院學生由于創新能力突出，深受用人單位的歡迎，一次就業率逐年上升。

參考文獻：

[1]周 ，陳桂.自動化專業人才工程應用能力培養模式的研究與實踐[J].科技創新導報，2008，9：199-201.

[2]杜云，孫曉云，梁國壯，等.構建實踐教學體系培養學生創新科研能力[C].第7屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文集，2010.

[3]唐國興.機械工程類應用型本科實踐教學體系的創新研究與實踐[C].2008機械類課程報告論壇文集，2008：329-333.

[4]楊洲，李靜.開放式實驗教學對培養學生創新能力的研究[J].高校實驗室工作研究，2009，101（3）：32-34.

[5]王勇，葉敦范.依托大學生電子設計競賽培養學生創新能力[J].中國地質教育，2009，1：145-148.

[6]王立萍.單片微機技術實踐教學模式的改革與實施[J].中國電力教育，2011，189：109-110.

[7]王彬，穆國巖.高校工科應用型人才培養模式的探索[J].山東商業職業技術學院學報，2008，8（4）：40-42.