試析自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)體系改革

摘要：介紹了自動(dòng)化專業(yè)原有實(shí)踐教學(xué)體系在運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)和問題。結(jié)合新形勢下高等院校人才培養(yǎng)目標(biāo)及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，闡述了建立自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室、構(gòu)建新的實(shí)踐教學(xué)體系的必要性。從實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建到實(shí)踐教學(xué)運(yùn)行質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對工科實(shí)踐環(huán)節(jié)的建設(shè)有顯著的借鑒價(jià)值。
培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級專門人才歷來都是工科院校的首要任務(wù)。而2012年教育部啟動(dòng)的卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，主要目標(biāo)是“面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才”，為工科高等院校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。那么，作為這一計(jì)劃的主體，怎樣利用校內(nèi)資源加強(qiáng)這方面的工作？顯然，加強(qiáng)基于模擬工業(yè)場景的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力、綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神必不可少的條件。
一、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)背景：
　　電子信息與電氣工程系是大專院校院系，實(shí)驗(yàn)室較多，設(shè)施相對齊全，部分實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備配置達(dá)到較高層次。自動(dòng)化專業(yè)本科生教育教學(xué)培養(yǎng)方案中，顯著加強(qiáng)了實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置上更注重設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)。但是，從核心專業(yè)的建設(shè)和學(xué)生實(shí)踐鍛煉環(huán)節(jié)來看，這樣的設(shè)置仍缺乏系統(tǒng)性和整體性，實(shí)驗(yàn)所涉及的知識是離散的，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和操作過程與生產(chǎn)實(shí)際亦有較大出入，甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)。
　　在每年一次的自動(dòng)化專業(yè)課程建設(shè)研討會(huì)上，校企合作單位的專家在參觀了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室并給予肯定的同時(shí)，也提出了改進(jìn)意見，其中包括如何通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生動(dòng)手能力和樹立工程概念，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
　　針對這一情況，根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)科特點(diǎn)，電子信息與電氣工程學(xué)院以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室為依托，以自動(dòng)化核心專業(yè)為重點(diǎn)，圍繞貼近生產(chǎn)實(shí)際的基本任務(wù)，籌建了自動(dòng)專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，并構(gòu)建了新的實(shí)踐教學(xué)體系。
二、自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室：
　　自動(dòng)化專業(yè)的核心專業(yè)課程包括“自動(dòng)控制”、“運(yùn)動(dòng)控制”、“過程控制”、“集散控制”、“可編程序控制器原理用其應(yīng)用”等，并設(shè)有專門的實(shí)驗(yàn)室。然而，原有的實(shí)踐教學(xué)體系單純以課程為基礎(chǔ)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)室主要完成相關(guān)課程知識的驗(yàn)證和鞏固，各實(shí)驗(yàn)之間基本無關(guān)聯(lián)。這樣會(huì)造成學(xué)生無法將知識系統(tǒng)化，難以建立關(guān)系到多課程的系統(tǒng)性概念。即便是綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，也由于實(shí)驗(yàn)裝置的過度模塊化、集成化，使得在為學(xué)生提供模擬實(shí)際的操作中顯得力不從心，而難于將專業(yè)知識系統(tǒng)化并與工程實(shí)際相聯(lián)系。實(shí)訓(xùn)室的建立將成為多課程知識系統(tǒng)化的紐帶，理論與工程實(shí)踐聯(lián)系的橋梁。
　　1.電工基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室
　　包括電子實(shí)訓(xùn)和電工基本操作，培養(yǎng)學(xué)生對常用電工儀表和電子儀器的使用及測量技能。主要完成對電子線路認(rèn)識、焊接、測試，對電器元件、電機(jī)的認(rèn)識和基本電氣控制線路接線、調(diào)試，機(jī)床電氣控制線路的調(diào)試、故障排除和維修�？捎糜谡J(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)以及維修電工的技能鑒定訓(xùn)練。
　　2.過程控制與集散控制實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室
　　將原有的傳感器實(shí)驗(yàn)室、過程控制實(shí)驗(yàn)室、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室和PLC實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，模仿工廠的生產(chǎn)線，以過程控制實(shí)驗(yàn)室為基點(diǎn)，其他單個(gè)實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)于生產(chǎn)車間，通過網(wǎng)絡(luò)把各實(shí)驗(yàn)室串起來，構(gòu)成過程控制和集散控制實(shí)訓(xùn)室。以自動(dòng)控制理論為核心，將傳感器、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、PLC等相關(guān)課程知識系統(tǒng)化，使學(xué)生對所學(xué)理論知識有更直觀的認(rèn)識。實(shí)訓(xùn)對象形象逼真，接近工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生很快就能適應(yīng)現(xiàn)場的工作。本實(shí)訓(xùn)室除了要完成各課程的基本實(shí)驗(yàn)外，還可用于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。
　　3.工業(yè)控制技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室
　　在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中，PLC因其配置靈活、使用方便、安全可靠等特點(diǎn)，使用越來越廣泛，技術(shù)更新也越來越快。PLC、變頻器、伺服控制、觸摸屏等已成為當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場的主流電氣控制裝置。該實(shí)訓(xùn)室按照勞動(dòng)和社會(huì)保障部頒發(fā)的“工人技術(shù)等級標(biāo)準(zhǔn)”和職業(yè)技能鑒定規(guī)范的內(nèi)容要求，根據(jù)電工培訓(xùn)考核的實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的集學(xué)習(xí)、理論、驗(yàn)證、實(shí)際操作能力培養(yǎng)等功能為一體的多功能設(shè)備。采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)孔板設(shè)計(jì)，可在該平臺(tái)上任意安裝、拆卸電氣元件，設(shè)計(jì)、搭建自己的控制電路。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全開放，整體實(shí)訓(xùn)設(shè)備以三菱FX1N-40mR（輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)），也可選擇西門子、歐姆龍工業(yè)級產(chǎn)品為主，以步進(jìn)電機(jī)、三相異步電機(jī)、伺服電機(jī)等為控制對象，完全按照工業(yè)現(xiàn)場常見控制工藝配置器件，從而提供一個(gè)完全真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場操作平臺(tái)。
該實(shí)訓(xùn)室可進(jìn)行PLC基本技能、PLC模擬控制實(shí)訓(xùn)、PLC實(shí)物模型控制實(shí)訓(xùn)、變頻調(diào)速控制實(shí)訓(xùn)、觸摸屏控制實(shí)訓(xùn)、工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)等，主要用于自動(dòng)化專業(yè)和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，還可利用PLC與過程控制實(shí)訓(xùn)室的工業(yè)對象構(gòu)成一個(gè)基于PLC的過程控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目或集散控制系統(tǒng)。
三、新的實(shí)踐教學(xué)體系
　　無論多好的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施，如果沒有相應(yīng)的教學(xué)管理體系作保證，也只能是一種擺設(shè)。根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，通過分析、論證，構(gòu)建了注重工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的模塊化、系統(tǒng)化、貫通式實(shí)踐教學(xué)體系。
　　新的實(shí)踐教學(xué)體系把貫穿于大學(xué)四年的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)分成專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（如模電、數(shù)電、微機(jī)原理等，以驗(yàn)證為主）、專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)（以綜合性、設(shè)計(jì)性為主）、課程設(shè)計(jì)、電機(jī)電器實(shí)訓(xùn)、工業(yè)控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)幾大模塊，分別在基礎(chǔ)層、提高層、研究與創(chuàng)新層三個(gè)層面上開展，后者注重各實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)化連接以及與工程應(yīng)用的聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
四、實(shí)踐教學(xué)管理
　　1.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室管理
　　由于缺少專職實(shí)驗(yàn)教師，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室總體上由實(shí)驗(yàn)中心負(fù)責(zé)日常管理，包括實(shí)驗(yàn)時(shí)間協(xié)調(diào)、實(shí)驗(yàn)裝置維護(hù)、實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生等，而實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的實(shí)施主要由任課教師和實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)完成。
　　實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)可分為三大類：一種為培養(yǎng)計(jì)劃內(nèi)任務(wù)，即單課程實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)證型、綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)）；一種是操作能力訓(xùn)練，如電機(jī)電器實(shí)訓(xùn)、工業(yè)控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)等；一種為自主、創(chuàng)新性活動(dòng)，如大學(xué)生電子科技創(chuàng)新大賽、自主選題實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。
　　培養(yǎng)計(jì)劃內(nèi)實(shí)踐任務(wù)主要是按照教學(xué)內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)對重要定義和概念進(jìn)行驗(yàn)證。任課教師在學(xué)期初將計(jì)劃書交予實(shí)驗(yàn)中心，由實(shí)驗(yàn)中心協(xié)調(diào)安排實(shí)驗(yàn)課表，并做好硬件保障。學(xué)生在任課教師的指導(dǎo)下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求完成各類實(shí)驗(yàn)操作，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以報(bào)告的形式完成。對于設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師以實(shí)驗(yàn)室（可以是不同課程實(shí)驗(yàn)室）所能提供的設(shè)備，精心選擇布置實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目要求，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，分析、計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以達(dá)到使課程知識系統(tǒng)化的目的。
　　操作能力訓(xùn)練，以維修電工技能培訓(xùn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等形式開展。指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的確定及在此期間的管理。
　　對于自主、創(chuàng)新活動(dòng)，學(xué)生自選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和指導(dǎo)教師，充分滿足不同學(xué)生的需要。實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)果由指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)。
　　2.實(shí)踐教學(xué)體系運(yùn)行控制
　　為保證新的實(shí)踐教學(xué)體系的運(yùn)行質(zhì)量，必須對原有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)的改革。
　�。�1）綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置以培養(yǎng)學(xué)生對課程知識的綜合、分析能力為目的；課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的設(shè)置應(yīng)與實(shí)用性及工程實(shí)踐、新知識的工程應(yīng)用緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力。
　　例如，在進(jìn)行過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)時(shí)，教師只給出實(shí)物對象和控制要求，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置，自行設(shè)計(jì)、選擇控制裝置，完成系統(tǒng)的構(gòu)建、接線、參數(shù)整定。在此過程中，學(xué)生將自動(dòng)化控制原理、過程控制系統(tǒng)、傳感器原理與應(yīng)用、MATLAB仿真等課程知識結(jié)合在一起，形成了系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)了專業(yè)實(shí)踐能力。
　�。�2）實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開展采用任務(wù)引導(dǎo)的方式進(jìn)行，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作和工程實(shí)踐能力。實(shí)訓(xùn)的重點(diǎn)主要放在建立基本概念、了解基本功用、鍛煉動(dòng)手能力的基礎(chǔ)上，不過多的介紹復(fù)雜的理論知識。
　　例如，在進(jìn)行電機(jī)電器實(shí)訓(xùn)初期，首先讓學(xué)生認(rèn)識各種元器件的實(shí)物，了解其功能，然后教師結(jié)合實(shí)物對象和任務(wù)進(jìn)行講解，并指導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)功能。課后要求學(xué)生結(jié)合課本或查閱資料自學(xué)實(shí)訓(xùn)中用到的各種器件的工作原理，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。在接下來的實(shí)訓(xùn)中，教師只布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，簡單講解實(shí)現(xiàn)任務(wù)的過程，對于回路設(shè)計(jì)和具體接線等諸多問題，由學(xué)生在具體實(shí)踐中通過查閱資料、小組討論、獨(dú)立思考等形式將問題逐一化解，抽象的理論知識迅速消化并轉(zhuǎn)化為自己的思路和想法，逐步完成線路設(shè)計(jì)、接線和功能實(shí)現(xiàn)。從實(shí)訓(xùn)結(jié)果來看，大多數(shù)學(xué)生完成了教師要求的任務(wù)，一部分學(xué)生還通過小小的改動(dòng)實(shí)現(xiàn)了不同的功能，這也大大增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，激發(fā)了學(xué)生繼續(xù)探索的動(dòng)力，形成了一個(gè)良性循環(huán)。令人欣慰的是，在實(shí)訓(xùn)過程中，面對同一任務(wù)要求，還經(jīng)常有不同“版本”的實(shí)現(xiàn)方法出現(xiàn)，并對電機(jī)拖動(dòng)、調(diào)速方法等相關(guān)理論問題充滿好奇，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。
　�。�3）實(shí)踐教學(xué)的效果很大程度上取決于指導(dǎo)教師的精力投入。為保證實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，必須配備有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心強(qiáng)的指導(dǎo)教師進(jìn)行實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)，而且學(xué)校應(yīng)建立相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制，最大程度地調(diào)動(dòng)教師的工作積極性。

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