自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課的探索與實(shí)踐

柏艷紅 李 虹 趙志誠 王健安

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 太原 030024)

工科教育實(shí)踐教學(xué)是工程科技人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)的12條畢業(yè)要求，不僅包括工程知識(shí)、問題分析、研究、使用現(xiàn)代工具、項(xiàng)目管理等6條技術(shù)性要求，還包括工程與社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、終身學(xué)習(xí)等6條非技術(shù)性要求，反映了對(duì)工程專業(yè)畢業(yè)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的全面要求，畢業(yè)要求的達(dá)成需要理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)協(xié)同支撐[2]。

實(shí)踐教學(xué)幫助學(xué)生加深理解所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施、測試分析、儀器選擇使用等實(shí)踐能力，同時(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新精神、愛崗敬業(yè)精神、職業(yè)素養(yǎng)、協(xié)作精神等工程素質(zhì)[3-5]。工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)提出明確要求：工科專業(yè)應(yīng)設(shè)置完善的實(shí)踐教學(xué)體系，工程實(shí)踐與畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)至少占總學(xué)分的20%，電子信息與電氣工程類專業(yè)的工程實(shí)踐包括金工實(shí)習(xí)、電子工藝實(shí)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)、各類課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、專業(yè)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)[6]。

在工程教育認(rèn)證的推動(dòng)下，太原科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)在2015版培養(yǎng)方案修訂時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，設(shè)置了“自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”和“計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”2門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課。在分析原課程體系存在問題的基礎(chǔ)上，提出綜合實(shí)驗(yàn)課的設(shè)置思路和方案，介紹實(shí)施情況。

1 原課程體系不足之處

太原科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)原專業(yè)課教學(xué)體系為：專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課→綜合課程設(shè)計(jì)→畢業(yè)設(shè)計(jì)。專業(yè)基礎(chǔ)課主要包括：“自動(dòng)控制理論”“最優(yōu)化方法”“傳感器與檢測技術(shù)”“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”“電力電子技術(shù)”“微機(jī)原理與微控制器技術(shù)”“信號(hào)分析與處理”“自動(dòng)化工具軟件”；專業(yè)課主要包括：“現(xiàn)代控制理論”“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”“電氣控制與PLC技術(shù)”“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”“過程控制及自動(dòng)化儀表”；2個(gè)綜合課程設(shè)計(jì)為：“單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”“PLC控制系統(tǒng)”。

教學(xué)實(shí)踐表明，原課程體系存在以下不足：

(1)缺少階段性地及時(shí)綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程知識(shí)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。2門綜合性課程設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程知識(shí)，但開設(shè)在所有專業(yè)課程修完之后，對(duì)第6學(xué)期前開設(shè)的專業(yè)課程來說，間隔時(shí)間較長，所學(xué)理論和技術(shù)知識(shí)無法及時(shí)地鞏固和應(yīng)用。因此，缺乏階段性地圍繞重要核心課程開展綜合應(yīng)用相互關(guān)聯(lián)的幾門課程知識(shí)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)印象不夠深刻，理解不夠深入，掌握不夠扎實(shí)，應(yīng)用能力欠缺。

(2)缺少以完整的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要綜合應(yīng)用多門理論和技術(shù)課程知識(shí)，通過實(shí)物對(duì)象控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐訓(xùn)練：一方面鞏固提升所學(xué)理論知識(shí)，提高應(yīng)用能力和動(dòng)手能力；另一方面，使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)整體概念的認(rèn)識(shí)，體會(huì)成就感，調(diào)動(dòng)專業(yè)學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)，培養(yǎng)工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。但是，由于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)涉及多門相關(guān)理論和技術(shù)課程，無法在單獨(dú)的某門課程實(shí)驗(yàn)中開設(shè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，課程實(shí)驗(yàn)中的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)只能是針對(duì)某門課程知識(shí)的綜合應(yīng)用。課程設(shè)計(jì)具有綜合性，但由于設(shè)計(jì)題目多樣，控制對(duì)象和控制要求各不相同，重點(diǎn)在理論性設(shè)計(jì)而不要求全部實(shí)現(xiàn)。因此，在專業(yè)課程體系中，需要增設(shè)以實(shí)物對(duì)象控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

2 綜合實(shí)驗(yàn)課設(shè)置思路和方案

2.1 綜合實(shí)驗(yàn)課設(shè)置思路

跨課程的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，是對(duì)相關(guān)專業(yè)課知識(shí)的大串聯(lián)，通常以項(xiàng)目為載體組織教學(xué)內(nèi)容[7-8]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)圍繞項(xiàng)目開展教學(xué)活動(dòng)，將所有需要學(xué)習(xí)和掌握的專業(yè)知識(shí)與項(xiàng)目融合在一起[9]。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的綜合實(shí)驗(yàn)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高專業(yè)知識(shí)應(yīng)用和融會(huì)貫通的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、協(xié)作能力和解決復(fù)雜工程問題的能力[10-11]。

開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課的學(xué)校和專業(yè)中，有針對(duì)部分專業(yè)課程開設(shè)的，也有針對(duì)所有專業(yè)課程開設(shè)的。西交大生物工程在第5和第6學(xué)期設(shè)立了4門獨(dú)立的綜合開放實(shí)驗(yàn)課[12]；大連民族大學(xué)測控專業(yè)在第6學(xué)期開設(shè)了綜合實(shí)驗(yàn)課[13]；北京服裝學(xué)院自動(dòng)化在學(xué)習(xí)了部分專業(yè)基礎(chǔ)課程之后還未進(jìn)行專業(yè)課程學(xué)習(xí)之前的大三的短學(xué)期開設(shè)了綜合實(shí)驗(yàn)課，內(nèi)容為基于單片機(jī)的溫度采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[14]；山東科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)在第7學(xué)期設(shè)置了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的綜合實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)和方法，完成自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試等工作[15]。未查閱到相關(guān)文獻(xiàn)，在開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程的第5和第6學(xué)期穿插以控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為主要內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)階段性地、及時(shí)地綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程知識(shí)。

在自動(dòng)化專業(yè)課程體系中設(shè)置項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課，可以解決上述課程體系存在的不足。思路為：依據(jù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的安排，圍繞專業(yè)核心課程穿插設(shè)置綜合實(shí)驗(yàn)課，并以控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工程項(xiàng)目為主線組織教學(xué)內(nèi)容，起到階段性綜合應(yīng)用作用，同時(shí)提供完整的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程的實(shí)踐訓(xùn)練。

2.2 綜合實(shí)驗(yàn)課設(shè)置方案

“自動(dòng)控制理論”和“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”分別是自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，安排在第5學(xué)期和第6學(xué)期，選擇以這兩門課為核心設(shè)置綜合實(shí)驗(yàn)，可以起到階段性及時(shí)綜合應(yīng)用課程知識(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練作用。2015版培養(yǎng)方案中，設(shè)置了分別以這2門課程為核心的“自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”和“計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”，各32學(xué)時(shí)，分別開設(shè)在第5學(xué)期和第6學(xué)期。新專業(yè)課體系見圖1。

圖1 專業(yè)課教學(xué)體系

2個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)課開設(shè)在學(xué)完部分專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程之后，重點(diǎn)為控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；2個(gè)課程設(shè)計(jì)開設(shè)在所有專業(yè)課程之后，重點(diǎn)分別為以單片機(jī)和PLC為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；畢業(yè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)為以工程應(yīng)用為背景的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。形成“專業(yè)基礎(chǔ)課→專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)→專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課→專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)→綜合課程設(shè)計(jì)→畢業(yè)設(shè)計(jì)”遞進(jìn)式專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)體系。

“自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”以“基于Matlab/RTWT實(shí)時(shí)仿真環(huán)境的鍋爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”為主線，綜合應(yīng)用自動(dòng)控制理論、自動(dòng)化工具軟件、傳感器與檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等課程知識(shí)。一方面鞏固提升已修課程知識(shí)，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；另一方面，提前接觸后續(xù)專業(yè)課程相關(guān)內(nèi)容，直觀認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的組成，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性；同時(shí)，RTWT實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是原課程體系教學(xué)內(nèi)容的拓展。

“計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”以“單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”為主線，綜合應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、微機(jī)原理與微控制器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電力電子技術(shù)等專業(yè)課程知識(shí)。一方面，鞏固提升所學(xué)理論知識(shí)，提高分析和解決問題的能力；另一方面，了解完整的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容和方法，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3 “自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)實(shí)施

該課程已面向2015～2018四屆學(xué)生順利開設(shè)，采用期末集中授課方式。

3.1 自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

依據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，制定了“基于Matlab/ RTWT實(shí)時(shí)仿真環(huán)境的鍋爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

硬件條件包括：工控機(jī)，多功能數(shù)據(jù)采集卡及接線端子板，自控理論實(shí)驗(yàn)箱，鍋爐實(shí)物對(duì)象，見圖2。自控理論實(shí)驗(yàn)箱用來搭建模擬電路控制對(duì)象。

圖2 自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Matlab/RTWT實(shí)時(shí)仿真工具，需要以下軟件環(huán)境：Matlab/Simulink，Microsoft Visual C/C++ 6.0。另外，還需要安裝采集卡測試軟件。

3.2 “自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容

以項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，按照由易到難、分步實(shí)施的原則設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容。首先，針對(duì)模擬電路對(duì)象，按照分步實(shí)施的方式，實(shí)現(xiàn)基于RTWT的硬件在回路實(shí)時(shí)仿真；然后，進(jìn)行控制系統(tǒng)特性測試和閉環(huán)控制研究；最后，搭建針對(duì)鍋爐實(shí)物對(duì)象的控制系統(tǒng)。主要教學(xué)內(nèi)容見表1，以項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)為主，輔以課堂講授和總結(jié)討論。

表1 “自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容

“自動(dòng)控制理論”課程實(shí)驗(yàn)主要包括階躍響應(yīng)特性、頻率特性測試、系統(tǒng)校正、采樣系統(tǒng)分析等基本理論的驗(yàn)證；綜合實(shí)驗(yàn)課程側(cè)重基于PC_Based的控制系統(tǒng)的組成和基于RTWT硬件在回路實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)鞏固基本理論。

4 “計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)實(shí)施

該課程已面向2015～2017三屆學(xué)生順利開設(shè)，采用期末集中授課方式。

4.1 單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)“單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自行開發(fā)了實(shí)驗(yàn)裝置，其組成原理見圖3。主要由STM32開發(fā)板、IGBT模塊及驅(qū)動(dòng)板、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、電流檢測模塊、上位機(jī)等組成。實(shí)驗(yàn)裝置照片見圖4。

圖3 單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置組成原理

圖4 單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置照片

4.2 “計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容

以項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，按照分步實(shí)施原則將其劃分為幾個(gè)子任務(wù)：電機(jī)開環(huán)運(yùn)行控制，編碼器測速，閉環(huán)控制。根據(jù)子任務(wù)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，主要教學(xué)內(nèi)容見表2，以實(shí)驗(yàn)為主，輔以課堂講授和總結(jié)討論。

表2 “計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)模擬直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測定、單元調(diào)試、開閉環(huán)靜態(tài)特性測試和啟動(dòng)波形觀測，不涉及數(shù)字控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)直流電機(jī)控制進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，不涉及硬件方案設(shè)計(jì)和軟件編程。綜合實(shí)驗(yàn)課程側(cè)重基于微控制器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括硬件方案和程序編寫，如：PWM信號(hào)產(chǎn)生、編碼器測速、PID算法等，同時(shí)進(jìn)行特性測試，進(jìn)一步鞏固相關(guān)理論。

5 結(jié)語

針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)課教學(xué)體系存在的問題，圍繞“自動(dòng)控制理論”和“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”專業(yè)核心課程，分別設(shè)置了以項(xiàng)目為載體“自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)”和“計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”。已在2015～2018四屆學(xué)生中順利實(shí)施，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，獲得良好的教學(xué)效果。通過增加綜合實(shí)驗(yàn)課，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，增強(qiáng)了實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，滿足了工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，太原科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)于2018年通過了工程教育認(rèn)證，2019年獲批國家首批一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

下一步將考慮針對(duì)其它專業(yè)核心課程開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)。