自动化专业实践教学体系的构建

周丽芹++黎明++臧爱云++宋大雷++綦声波

摘要：实践教学对于学生创新能力的培养，具有独特的地位和作用，而目前高校培养的人才技能与社会需求存在一定偏差，要求工科专业的实践教学必须以培养创新复合型高等工程技术人才为目的，营造工程环境，构建科学合理的实践教学体系。本文论述了基于“系统”理念的自动化专业综合实践教学平台的内涵及构建方法，设计了能够涵盖本专业所有专业核心和主干课程的科学合理的实践教学体系。

关键词：实践教学；系统性；构建；教学平台

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）11-0169-02

培养具有创新精神和实践能力的创新人才，是实施素质教育的目的，也是当前高等教育改革的重中之重。实践教学承担着科学研究、知识创新、教学改革和教书育人等学校的主体工作，尤其是对于学生创新能力的培养具有独特的地位和作用。工科专业实践教学必须以培养创新复合型高等工程技术人才为目的，营造工程环境，构建科学合理的实践教学体系，培养高素质的创新复合型人才。

一、存在问题

目前，自动化专业工程实践教学方面主要存在以下问题：实践教学未能改变依附于理论教学的从属地位，未能形成培养人才工程能力为主线的优化实践教学体系；实践能力的培养缺乏统一规则和系统安排；缺乏新的实践教学手段和方法；各门课程实验装置及内容相互独立，交叉联系少；强电与弱电分离，硬件与软件分离；实践基地建设投入不足、实践教学人员缺乏、与课程主讲教师缺乏沟通等。由于这些问题的存在，导致学生从入校到毕业四年的时间只是用来学习一门门的课程，完成学分的积累，所学知识都是“剥离的”、“孤立的”，并没有以“联系的”、“系统的”观点来学习本专业知识，达不到融会贯通。针对这些问题，我们及时转变教育观念，开发了基于“系统”理念的自动化专业综合实践教学平台，构建了几乎能够涵盖本专业所有专业核心和主干课程的科学合理的实践教学体系。

二、实践教学平台设计原则

1.系统性原则。该平台所支撑的实践教学体系将与本专业的课程体系形成有机的整体，教师可以站在系统的环境下，讲授每门核心课程，并开展相应实验。

2.产品性原则。在板卡设计上注重产品意识，形成模块化、高可靠性的产品级板卡，实现设计性能指标。不仅做到结构合理，还要外形美观；软件实现模块化、函数化，易于移植。

3.工程性原则。密切结合实际工程应用背景，应用对象真实，注重趣味性。

三、实践教学平台功能特点

1.理论和实践相结合。自动化几乎所有的专业课的教学内容都可以在此实验平台上体现出来，教师在讲授理论知识的同时，可以此平台介绍实际应用，改变了实践教学从属于理论教学的状态。

2.课程与课程之间相联系。因为此实验平台实现了从信号输入、采集、处理、传输、显示的全过程，而每一环节又应用到不同的技术，所以可以把相关的专业课程全部联系起来。教师在讲授某门课程时，重点对照平台中本门课程的知识点讲授应用，而其他环节的内容可稍作讲解，让学生明白所学的本门课程内容在整个系统中所处的位置和承担的作用。这样四年下来，学生所学到的知识就不是孤立的，而是融会贯通的，并且非常清楚每门课程学到的知识用在哪个环节上。

3.强调系统性。无论在实验平台的设计还是各门课程知识的讲授，以及学生在此平台上开展的各种实验、创新实践活动都必须强调系统性，这样才能满足培养系统工程师的目标。

4.功能强大。除可以满足大部分专业课的教学实验外，还可支撑认识实习、课程设计、电工电子实习、生产实训、毕业设计、科技竞赛等实践环节的教学和学生创新活动。

5.遵循CDIO工程教育培养模式。学生在四年中真正做到了通过实践教学平台这个项目驱动教育和学习，体验“做中学”的模式。大一学生通过参观实践平台系统，观看实验结果，倾听教师讲解，引发好奇心，对自动控制系统有了初步概念，对自动化专业研究领域有了初步了解，达到认识实习的目的；大二学生可以就平台系统中的单元电路进行研究设计，弄清楚电路的工作原理并利用它完成课程设计；大三学生焊接调试平台硬件实验板，对整个系统的体系结构和功能有较深的理解，具有了系统级的概念；大四学生可以利用平台做毕业设计，模仿实际工程背景，通过方案论证，技术选择，软件编程最终完成工程项目的整个过程。在此过程中，学生对每个模块、每个技术都有较好的掌握，对四年中所学的专业知识有了更深刻、更系统的认识。

四、实践教学平台的构建

1.实践教学平台的系统结构图（如下）。

本系统按照信号的采集传输显示过程分为三个技术层面：应用对象采集控制、通用技术和高层应用。①通用技术核心开发卡系统。基于RS232/485/488、CAN总线、网络、USB等总线及接口，集成台湾友晶等主流嵌入式系统开发板、PC机主板，开发MCU、ARM、FPGA、SOPC、DSP等核心板，扩展IDC40针标准接口，形成通用技术嵌入式开发平台。②面向应用对象的接口板卡系统。基于IDC40针标准接口，扩展过程通道接口板、电机伺服接口板、采集分析接口板及其他相应用接口板，实现对电子琴、水箱、烤箱、机械臂、模拟系统等工程应用对象对信息采集及控制。③高层应用软件的开发。基于PC机、笔记本和PDA平台，针对RS232/45/488、CAN总线、网络、USB等接口和协议，采用LabView等组态软件、Matlab、VC/C++等软件开发高层应用软件。

2.每一层面映射的课程。应用对象采集控制层面涉及到的课程有：电路、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术、检测技术等。通用技术层面涉及到的课程有：数字电子技术、单片机原理与应用、微机原理及应用、DSP技术等。高层应用层面涉及到的课程有：Matlab仿真、仪器仪表、信号处理、VC程序设计、C++程序设计、过程控制系统等课程。综合起来有二十多门课程被涵盖在此平台中。endprint

3.实践平台系统硬件的设计及制作。平台的总体系统架构和每个模块的电路原理图的设计由课题组教师完成。PCB制版图由教师指导研究生完成，电路板的制作由专业公司完成，电路板样板的焊接和调试由研究生完成，而大批量电路板的制作和调试是利用夏季学期的生产实习环节由大三学生完成，所以电路板的硬件制作不仅满足课程教学和实验创新活动，还可为大三学生提供生产实习的机会，改变以往某些实践环节做出的产品和设备由于再无它用被搁置或丢弃的现象，实现资源的再利用。

4.实验项目的开发及指导书的编写。针对实践平台上每门课程知识的运用开发了相应的实验项目，编写了实验指导书，按照通用技术CPU的不同及与上位机之间的通讯和上位机软件技术的不同编写不同模块、基于不同技术的实验指导书，在每一本实验指导书中按照基础篇、部件篇和系统篇三个层次来编写，满足了不同层次的学生挑选不同层次的实验的要求，也满足了学生学习某种技术从简到难的渐进性。①课程实验的开发。基于整个系统及工程应用对象，开发了单片机原理、嵌入式技术、EDA技术、SOPC技术、检测技术、仪器仪表、过程控制等核心课程的课程实验，撰写了实验指导书，形成实践教学课程体系。②系统型综合性创新实验的开发。针对电子、计算机、自动化、通讯等专业开设综合性实验。系统可作为SRDP的创新平台，支持电子设计大赛、机器人大赛、智能车大赛等学生科技创新活动，以及学生课程设计、毕业设计等。③各类实习及工程实训。结合实习单位的工程应用可以以该平台为原型讲解认识实习、毕业实习的工程应用原理；针对通用技术的低成本核心板可以批量生产保证每届学生人手一块，其他板卡可以根据实际情况组织电子装配生产，作为生产实习或工程实训的生产任务。

五、实施效果

1.该平台不仅满足了单独核心课程的实践教学、系统综合型实践教学，还可以支撑该领域的各类实习、工程实训及科技创新活动。

2.通过本平台的实践教学体系的运行不仅使学生更好地掌握本专业的知识，在完成本科学时学分的同时能够把所学知识融会贯通，更重要的是强化了学生系统工程意识，为学生将来走上工作岗位、从事工程实际奠定了良好的基础，为顺利地完成教学计划、实现培养目标提供了有力保障。

3.便于课程群的建设。对在两门及以上课程中重复出现的知识点确定最佳的课程载体，理顺知识点和课程关系，合理分布知识点，避免了遗漏和重复。endprint