以设计性实验为依托培养大学生实践能力的研究与实践

赵君　史冬琳　冯玉昌　门洪

【摘要】计算机控制系统是自动化专业的重要专业课，具有理论性强和工程实践性强的特点。通过设计性实验，引导学生“在学习中研究，在研究中学习”。运用已有的知识和能力的前提下，自主地发现问题、研究问题和解决问题。在研讨中积累知识，培养设计能力和创新能力。学生在实践能力和综合设计能力得到了升华。

【关键词】设计性实验 计算机控制系统 实践能力 创新能力

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）01-0189-02

东北电力大学是以电力行业为特色的高校，2011年10月入选教育部卓越工程师教育培养计划高校，自动化专业是东北电力大学实施“卓越计划”的重点学科之一。计算机控制系统作为自动化专业的重要专业必修课程。学生在掌握控制理论、计算机控制技术和控制理论工程应用方面的基础上，以计算机控制系统设计性实验为依托，加强计算机控制系统课程实验教学方法上的改革。以实际工程为背景，以工程技术为主线，培养学生的工程意识和实践动手能力。培养造就具有创新能力、适应社会发展需要的高质量工程技术人才。提高学生学习的主动性和积极性，培养学生对科学的探索精神和科研能力，增强学生的综合设计水平 [1-2]。

1.优化知识结构，注重学生能力培养

课题从实践能力培养入手，以计算机控制系统课程为依托，对实验进行开发和设计。通过设计性实验，探究相关知识点之间的内在联系，加深理解掌握，将理论知识与实践相结合，锻炼编程和硬件电路设计能力。通过工程实际课题，锻炼学生的分析问题和解决问题的能力。在新知识中，自主地发现问题、研究问题和解决问题。在研讨过程中积累知识和经验，培养学生的实践能力和创新能力。解决学生的认知能力，提高学生的思维水平，积极引导学生主动思考问题，将科技发展的最新动态和计算机控制应用介绍给学生，激发了学生的学习积极性和学习热情。优化知识结构，教学方法改进，学生增长了工程实际方面知识，开阔了眼界。培养学生运用基本理论来分析和解决实际问题的能力，在近几届教学评比过程中受到了学生和学校的好评，在能力培养上取得了良好效果。《计算机控制系统》课程于2007年4月和2012年4月被评为吉林省优秀课，2013年6月被东北电力大学精品课。

2.实验教学方法改革的具体措施

2.1 成立了教授带头、青年教师为主干的课程组

鼓励并带动中青年教师参加各类科研课题，将相关科研项目在学术活动中交流，提高教师自身的理论水平和解决实际问题的能力，促进教学和科研工作相结合，促进教学过程和实际相结合，提高青年教师在学生设计性、创新性实验中的指导水平。本课程组中青年教师中有3人具有博士学位，1人已出国进修， 3人次获省、校教学成果奖3项，正式出版教材2部，教师队伍稳定且素质不断提高。

2.2 多層次实践环节相辅相成

学生的实践能力如何已经成为大学教育成功与否的重要指标之一。学生不仅要学习相关的学科知识，还要能够将其运用于实践。对系统设计方法可以从“拿到题目”到“进行分析”再到“确定解决方案”最后到“具体系统的设计的实现”的整个过程进行全方位的启发。使学生掌握设计的基本思想，提高学生程序设计技巧和解决实际问题的能力。实践环节是课程学习的重要内容，实践能力特别是系统性的综合实践能力是自动化专业本科学生的必备素质之一。因此，实践环节的设置在内容上力求做到理论联系实际，重视工程概念及在实际中的应用，注重培养学生应用所学知识解决实际问题的能力[3]。

2.2.1 实验教学的改革

实验教学采用启发式实验教学方式，以工程素质为基础，突出能力目标，以学生为主体，以项目为载体，以实训为手段。我们增设了软件仿真的综合性、设计性、研究型的实验内容。包括A/D转换、D/A转换、数字PID调节器、纯滞后补偿控制系统设计、步进电机控制等。由指导教师讲解实验台的操作、通信接口的功能、软件编程的技巧等，然后由学生动手搭接硬件电路完成系统调试、算法编写等，这样既巩固课堂上学习的理论知识，又提高了实践动手能力 [4]。

2.2.2 课程设计的改革

课程设计是教学计划中进行综合训练的重要实践环节，它将使学生在综合运用所学知识解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。计算机控制系统课程设计开设的内容是基于单元机的过程输入输出通道的设计，要求学生自己根据提出的功能要求和性能指标，合理选择芯片设计过程输入输出通道，并使用Proteus或Protel软件进行仿真验证。为了实现课程设计的多样性，进行控制器的设计、控制系统的设计与校正，并通过MATLAB软件进行编程仿真验证控制策略的有效性。采用MATLAB仿真，从时域和频域对比，校正系统的性能分析，得出结论[5]。

2.2.3 开展丰富多彩的课外科技活动

学院成立了创新实践基地，以教师为主导，以学生为主体，组织学生开展丰富的课外科技活动。在教师的指导下，充分发挥学生创造力和想象力，灵活地运用了课程中的知识，如数字控制器的设计、先进控制算法的仿真、单片机测控系统的设计；先进控制算法，如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等用于控制系统的设计。指导学生进行PLC程序设计，参加全国西门子杯工业自动化挑战赛，参加全国挑战杯科技作品大赛中均取得了较好成绩。

3.强化实践教学，培养综合设计能力

实践教学是人才培养的重要环节。既要培养学生分析问题和解决问题的能力，还要重视培养学生的思维能力和创新能力。以计算机控制系统设计性实验为依托，对实验的思路和内容到实施进行改革，计算机控制系统的设计不但是一个理论问题，也是一个工程设计实际问题，是一种多学科的综合应用。理论设计包括被控对象的数学模型建立，确定满足一定性能指标的目标函数，寻求满足目标函数的控制策略，选择合乎要求的软件、硬件等。学生掌握计算机控制系统设计的基本要求、原则与步骤，并设计出计算机控制系统的设计实例。以实际工程为背景，以工程技术为主线，将事件进程引入到不同的分枝和进程当中，将复杂概念和工程经验融入互动，把综合问题拆分成简单的多级交互式简单问题，实现事件的完整表达。

我们研究开发了以计算机控制系统为设计要点，将系统在工程背景下运行作为实验目的，建立综合性和创新性实验平台。如“汽温控制系统”、“汽包水位控制系统”“物位控制系统”、“输煤控制系统”、“锅炉燃烧控制”、以及“给水控制系统实验平台”的建设。通过实验诠释，举一反三，加深学生对理论概念的理解，密切了计算机控制理论与应用的关系。通过加强实验教学环节，学生们在解决实际问题的能力和实际动手能力得到了锻炼和提高[6-7]。表1所示为近3年科技活动竞赛统计结果，依据表中数据可知，近三届获奖的比例和获奖质量上每年都在稳步提高。

4.结束语

计算机控制系统课程实践性强，实践环节的改革是永无止境的。虽然在计算机控制系统课程改革中我们积累了一些经验，取得了一些成绩，在今后的实践中进一步探索和完善，引入更多的工程实例，强化实践环节让学生得到更多的锻炼。在学校“卓越计划”的培养目标下，要面向企业，树立理论联系实际的思想， 强化实践教育，注重工程实际应用，及时更新实践教学内容，积极创新实践教学方法和手段，为培养合格的高素质的卓越工程师奠定基础。

参考文献：

[1]张德江，于微波，贾文超.教学与教研互动 教法与学法共融——“计算机控制系统”国家精品课建设的体会[J].中国大学教学，2007，（10）：29-31.

[2]张安富，刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高等工程教育研究.2010，（4）：56-59.

[3]李祥飞，张昌凡.“计算机控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育.2010，（12）：85-86.

[4]邢航，张铁民.“计算机控制技术”教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索.2007，26（12）：370-372.

[5]温淑惠.计算机控制技术实验教学改革初探[J].教学研究.2010，33（6）：59-61，85.

[6]马常旺，林卫星，谢建军等.计算机控制技术实验课的改革与实践[J].实验技术与管理，2004，21（2）：125-128，238.

[7]魏东，陈一民.计算机控制系统课程设计教学环节研究[J].实验室研究与探索.2005，24（Sup）：219-223.