測(cè)控專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐

單寶明

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院 山東 青島 266061)

綜合實(shí)驗(yàn)是大學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生在大學(xué)四年所學(xué)專業(yè)知識(shí)的一次檢驗(yàn)，更是學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用。通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)自主創(chuàng)新精神[1]。

但綜合實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)是綜合性很強(qiáng)，實(shí)踐性很強(qiáng)，如何設(shè)計(jì)有效的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式一直是一個(gè)難題[2]。之前測(cè)控專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的授課模式有基于單片機(jī)課程的內(nèi)容，基于檢測(cè)儀表課程的內(nèi)容或基于虛擬儀器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)容，存在的問(wèn)題：一是設(shè)計(jì)內(nèi)容不夠綜合，和所學(xué)的一些課程有重合；二是設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)不夠，提升空間小。整體來(lái)說(shuō)，綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不夠規(guī)范化，不能充分體現(xiàn)測(cè)控特色。

借助于專業(yè)認(rèn)證的契機(jī)，測(cè)控實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行了更新，因此我們重新修訂了綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)計(jì)劃[3]。時(shí)間由原來(lái)的一周改為兩周，開(kāi)設(shè)時(shí)間也進(jìn)行了靈活安排。綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是一定要體現(xiàn)"測(cè)"和"控"兩個(gè)特色，在綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中既要有測(cè)量方面的內(nèi)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(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容，組織實(shí)施方式和考核過(guò)程等方面闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。

1 綜合實(shí)驗(yàn)的畢業(yè)指標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)

綜合實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的畢業(yè)目標(biāo)包括12條指標(biāo)中的第9、10、11條內(nèi)容，是分工合作、溝通和工程項(xiàng)目管理的基本要求。教學(xué)目的和任務(wù)是：培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用大學(xué)前三年所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，提升基本技能，提高分析和解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生查閱技術(shù)文獻(xiàn)、資料和手冊(cè)的能力，具備程序設(shè)計(jì)、電路圖紙繪制及撰寫書面報(bào)告的基本能力。通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生能夠合理分解、分配工程實(shí)踐任務(wù)，能與團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)展合作，并傾聽(tīng)他人建議；能夠通過(guò)口頭、書面、圖表、圖紙等方式歸納和陳述測(cè)量與控制、儀器儀表設(shè)計(jì)等相關(guān)的復(fù)雜工程問(wèn)題，能夠根據(jù)需要撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)[4]。因此我們的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容就根據(jù)這些目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和更新。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)主要是基于目前實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，側(cè)重體現(xiàn)“測(cè)”和“控”兩個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)室新進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是BDT-MPS-02型測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用傳感器技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)、PLC控制和組網(wǎng)、步進(jìn)電機(jī)位置控制等測(cè)控專業(yè)知識(shí)，來(lái)模擬上料、搬運(yùn)、加工、安裝、傳送或分揀等生產(chǎn)加工控制過(guò)程，使學(xué)生得到一個(gè)非常接近于工廠生產(chǎn)環(huán)境的教學(xué)環(huán)境，縮短理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的距離。該系統(tǒng)囊括了測(cè)控專業(yè)教學(xué)中所涉及的諸如傳感器檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位控、氣動(dòng)、可編程控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊等多門課程知識(shí)，給學(xué)生提供了一個(gè)典型的綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)境。測(cè)控專業(yè)實(shí)驗(yàn)就是基于此設(shè)備開(kāi)展，主要內(nèi)容包括：

(1)機(jī)械裝調(diào)部分：系統(tǒng)上有多套步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，有雙軸和單軸兩種方式，各驅(qū)動(dòng)器由PLC I/O數(shù)字控制，充分學(xué)習(xí)各種型式的驅(qū)動(dòng)器對(duì)于電機(jī)的特點(diǎn)，學(xué)生可以獨(dú)立進(jìn)行每個(gè)站點(diǎn)的實(shí)踐學(xué)習(xí)。

(2)傳感器信號(hào)檢測(cè)部分：包括多種傳感器，比如有多個(gè)電容式和電感式傳感器，檢測(cè)金屬物體位置，起接近開(kāi)關(guān)的作用；有反射型光電傳感器，檢測(cè)有無(wú)物體；多個(gè)磁感應(yīng)式開(kāi)關(guān)，安裝在氣缸兩端，檢測(cè)活塞位置等等。熟悉其工作原理，并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分： 掌握步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電氣原理，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)PLC與電機(jī)的精確定位。

(4)PLC編程實(shí)訓(xùn)部分：學(xué)生要掌握博途軟件的安裝和使用，通過(guò)對(duì)設(shè)備的熟悉，實(shí)現(xiàn)基本的邏輯控制和功能。掌握利用西門子1200系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和傳輸控制。掌握利用PLC實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)控制技術(shù)，由電磁閥控制氣缸實(shí)現(xiàn)電磁鐵的運(yùn)動(dòng)。

(5)網(wǎng)絡(luò)通訊部分：學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置，掌握站點(diǎn)和站點(diǎn)之間的通訊方式和特點(diǎn)；同時(shí)掌握PLC與上位機(jī)的通訊，在中控主機(jī)或電腦上設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 實(shí)施過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)的安排

表1 實(shí)驗(yàn)的安排

教研室成立綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)小組，一般由2～4名教師組成；由指導(dǎo)教師給出綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)書、基本原理及參考方案等；實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，指導(dǎo)教師進(jìn)行演示和講解，并明確實(shí)驗(yàn)要求和注意事項(xiàng)；學(xué)生進(jìn)行分組，并在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成任務(wù)。具體如表1。

3.2 學(xué)生完成任務(wù)的的流程：

(1)學(xué)生分組，熟悉設(shè)備的工作流程，相互討論進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

(2)參考說(shuō)明資料，獨(dú)立畫出原理圖，并在設(shè)備上進(jìn)行接線。

(3)各部分調(diào)試：包括機(jī)械部分的調(diào)試；信號(hào)獲取的方式(信號(hào)檢測(cè)的各種傳感器)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制；明確PLC控制的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和氣缸的控制等；PLC網(wǎng)絡(luò)通訊包括多個(gè)站點(diǎn)連機(jī)通訊和PLC與上位機(jī)的通訊。

(4)設(shè)備運(yùn)行操作流程：第一步供電操作：給設(shè)備供電，各設(shè)備電氣柜空開(kāi)全部達(dá)到ON；第二步，設(shè)備檢查操作：為了確保設(shè)備上電后能夠運(yùn)行正常，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，主要包括供電電源檢查、PLC檢查、信號(hào)連接電纜檢查、氣動(dòng)檢查、傳感器檢測(cè)(設(shè)備機(jī)構(gòu)無(wú)雜無(wú)阻礙、機(jī)構(gòu)的軸位于限位范圍內(nèi))等。第三步，設(shè)備運(yùn)行：設(shè)備供電，經(jīng)過(guò)檢查無(wú)任何報(bào)警后可進(jìn)行設(shè)備運(yùn)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(shè)備復(fù)位完成處于待機(jī)狀態(tài)后，可以進(jìn)行物料放置、搬運(yùn)、抓取、檢測(cè)、加工、入庫(kù)等。物料需要從入料倉(cāng)進(jìn)行放置，入料倉(cāng)為源頭。物料可以一次運(yùn)行一個(gè)，同時(shí)避免操作人員麻煩，也可以一次性放置多塊物料。

按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備單元執(zhí)行的動(dòng)作(見(jiàn)圖1)。

圖1 設(shè)備單元執(zhí)行的動(dòng)作

4 考核方式

綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定包括多個(gè)方面，采用綜合考核，每一方面?zhèn)戎伢w現(xiàn)學(xué)生的某些能力和品質(zhì)[5]。一是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的演示，學(xué)生獨(dú)立地把設(shè)備從頭到尾運(yùn)行一遍，檢驗(yàn)運(yùn)行效果，是否有改進(jìn)等，這部分占總成績(jī)的60%。這個(gè)環(huán)節(jié)直接展示學(xué)生的工作，完成了哪些，效果如何；二是實(shí)驗(yàn)報(bào)告，體現(xiàn)學(xué)生的文字表達(dá)能力，如何把所做的事情準(zhǔn)確、完整、充分地表達(dá)出來(lái)，而且要言簡(jiǎn)意賅，重點(diǎn)突出，讓不熟悉的人一看就能清楚明白，占20%；三是答辯，每個(gè)組員講解自己負(fù)責(zé)的一部分，考察學(xué)生的口頭表達(dá)能力，同時(shí)體現(xiàn)成員之間分工合作的情況，占10%，最后要綜合考慮平時(shí)表現(xiàn)，包括考勤和學(xué)生提問(wèn)問(wèn)題情況，這方面體現(xiàn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和做事嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，平時(shí)表現(xiàn)經(jīng)常遲到、請(qǐng)假或早退的學(xué)生一定是態(tài)度不夠認(rèn)真，學(xué)習(xí)不積極，實(shí)驗(yàn)過(guò)程一定不能全身心投入，這是會(huì)在成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)要考慮的部分，占10%。最后的總成績(jī)體現(xiàn)了學(xué)生在教學(xué)目標(biāo)中各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)情況。

整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包含了“測(cè)”和“控”兩方面的內(nèi)容，工作量比較大，涉及知識(shí)面廣，不管從設(shè)計(jì)內(nèi)容上還是實(shí)施方式上，都進(jìn)行了改革。實(shí)驗(yàn)前老師們對(duì)新的模式是否有效還沒(méi)有把握，但是實(shí)行了一個(gè)學(xué)期后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生興趣很高，很多同學(xué)利用晚上和周末的時(shí)間來(lái)編程、調(diào)試和修改，學(xué)生之間熱情討論，不斷地改換方案、嘗試新動(dòng)作等，最終每一組都能夠順利地運(yùn)行設(shè)備。老師們都深感學(xué)生的潛力無(wú)限，更有信心嘗試新的教學(xué)改革。

5 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)新的教學(xué)模式，集成了機(jī)械、電子、電路、控制、光學(xué)、電磁學(xué)、材料科學(xué)等知識(shí)，多學(xué)科交叉，綜合性強(qiáng)；同時(shí)要求學(xué)生能夠熟悉原理，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)其原理圖，自己接線，掌握PLC軟件編程，實(shí)現(xiàn)抓、運(yùn)、傳，放等一系列流程動(dòng)作，實(shí)踐性強(qiáng)。每一套設(shè)備8人合作，結(jié)束時(shí)撰寫報(bào)告，并進(jìn)行答辯驗(yàn)收，整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)訓(xùn)練了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)，實(shí)驗(yàn)效果也證明，學(xué)生在理論分析、查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制圖、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及計(jì)算機(jī)工程軟件的使用等方面都得到了一個(gè)系統(tǒng)的訓(xùn)練和培養(yǎng)，提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，為社會(huì)培養(yǎng)出綜合素質(zhì)高，動(dòng)手能力強(qiáng)，有競(jìng)爭(zhēng)力有潛力的工程應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。