自主性实验平台在应用型人才培养模式中的研究与探索

王跃飞，李红星，张晓培，袁雪鹏，黄宜军

(钦州学院 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535000)

自主性实验平台在应用型人才培养模式中的研究与探索

王跃飞，李红星，张晓培，袁雪鹏，黄宜军*

(钦州学院 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535000)

传统实验教学模式大多采用验证性实验，学生"照方抓药"，实验室设备及教学课时有限，客观上束缚了学生工程实践能力及创新能力的培养。为了改进实验教学模式，针对现有资源，将实验室上位机、控制装置及控制对象装置"单元化"，设计了一种异构设备的自主性实验平台。实践表明，自主性实验的实施明显改善了实验教学效果，提高了学生参与实验的积极性和主动性，更有力地提升了学生的创新能力，对转变实验教学体系，实现绿色教育有一定贡献。

自主性实验；异构设备；单元化；绿色教育

深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的新课程改革发展理念，旨在培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才[2-4]，促进工程教育改革和创新，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。在教育部印发的《关于全面提高高等教育质量的若干意见》〔2012〕文件中，要求要创新教育教学方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，增加实践教学比重，提升高校科技创新能力[1]。在高校教育中，培养学生实践能力和创新思维的最有效环节就是实验环节，实验教学内容、方法和效果的优劣直接影响到了新一代卓越工程师的培养。因此，我们对现存的实验教学问题进行分析，并对其进行深化改革，转变实验教学体系，为培养创新能力强、科学素养高的优秀毕业生搭建良好的实验教学平台。

1 传统实验模式

在传统实验教学模式中，实验指导书以验证性实验居多，方法经典，步骤详细，并且专业实验室的设备全部是购置的成套装置，系统内部连接完备，界面开发成熟，学生只需设定参数、启动设备，按部就班的完成实验即可。以过程控制实验为调查对象，对历届学生的实验报告进行抽样，其抽样结果如图1所示，实时曲线及分析雷同，结果都是4:1的衰减比。

图1 抽样结果图

根据自动化学生的实验报告统计，在2014～2016期间，实验报告的雷同率最高可达90%以上，不同之处大多是因报告书写格式、顺序及表达不同造成，且雷同率呈逐年增长趋势。

通过以上分析，可以将传统的实验教学模式概括为三个"多于"：内容上验证型多于设计型；方法上经典多于创新；实践上演示多于演练。这三个"多于"客观上形成了学生过分依赖老师和指导书的局面，忽略了学生主观能动性的发挥，降低了学生自主设计、自主操作的能力，限制了学生创新思维的培养。

2 自主性实验的研究

在实验学习中，通过尝试各种不同的实验设计，对比并进行优化，可以激发学生的创造性思维，提升和锻炼学生的能力，根据实验室现有实验设备进行单元整合，搭建一种异构设备的自主性实验平台，使其不仅能满足多门专业课程的实验教学要求，而且有利于提高学生实际动手能力和自主创新能力。

2.1 平台结构

异构设备的自主性实验平台是以实验室现有设备为基础，将实验室中的过程对象装置、控制装置及上位机等作为独立的"单元"。按照"单元化"思想可分为对象单元、控制单元、上位操作单元和辅助单元四个部分，具体的平台结构框图如图2所示。

对象单元可以提供教学实验或自主实验的不同类型实验对象；控制单元可以提供不同类型的控制装置；上位操作单元根据选用的控制装置采用不同的监控软件设计人机交互界面和系统编程设计；辅助单元提供对象与控制装置之间的连接电缆及所需的信号转换器，控制装置与上位机的通信连接电缆及相应的接口转换设备[5]。由四个单元可以构成不同对象、不同控制类型的控制系统完成相应教学实验和自主实验。各单元的主要设备见表1。

图2 平台实物结构框图

序号单元名称装置设备1对象单元CS4000型过程装置;HSA-1型过程装置;管式电阻炉2控制单元C3000智能调节记录仪控制台;DDC计算机直接控制I/O模块控制台;3上位操作单元PLC-200控制台;PLC-300控制柜;PLC-400控制柜4辅助单元PC机、操作系统软件和不同的监控软件(WinCC、MCGS、组态王等)组成。

2.2 自主性实验原理

以水箱液位串级控制系统的设计实验为例，要完成此实验的自主性设计，需要从以下几个方面逐步实施：

(1)方案设计。通过自主学习，熟悉实验设备，根据实验要求，确定被控系统开关量及模拟量的I/O点数，估算内存，选择各个单元，如图3所示。

图3 系统设计图

(2)明确设计的结构配置和端子接线。掌握CS4000过程装置的结构原理、检测控制参数的类型及数量(上中下水箱水位测量及所用压力变送器、主副管流量测量及使用的流量仪表、加热水箱的温度测量及温度测量传感器；主副管流量控制的执行机构类型、水箱温度控制的执行机构等)及装置的总体接线；依据确定的I/O点数，设计S7-300PLC控制柜的结构配置及端子接线；确定上位监控软件及系统编程软件。

(3)硬件连接及软件开发。根据以上设计选择通讯方式，画出程序流程图或功能图，完成上位界面开发、下位组态的编程及相关参数的设定。

(4)系统调试。对程序进行模拟调试和修改，同时完成实验室辅助单元和上下位之间的通讯连接，最后进行实验参数的整定，得到实验数据与实时曲线。

(5)结论分析。结合专业课程理论知识，对实验结果进行数据分析及整合，完成实验报告。

3 自主性实验的应用分析

这里以实验教学中水箱液位串级控制系统为例分析自主性实验模式的实施与效果。图4抽取的是两组由学生自主设计系统的上位人机界面和试验结果曲线。两种设计的对象均选用CS4000型过控装置。

A设计利用组态王WinCC开发服务器端画面，在PLC300的客户端环境中编写控制程序和对硬件进行组态；B的控制单元则选用DDC计算机直接控制I/O模块的控制台、上位操作单元选用PC机，采用组态王监控软件建立友好的人机交互界面，两种设计监控界面均可以实时显示结果曲线和参数，实现对水箱液位的控制。

在加入扰动后，分析A设计的实验结果，对主回路，余差为0.6cm，最大偏差2.4cm，衰减比为4:1，对副回路，余差为1.2cm，最大偏差4.8cm，衰减比为4:1，系统主副调节器的PID参数整定能很快的使系统恢复稳定状态；B设计的实验结果，对主回路，余差为0.3cm，最大偏差1.2cm，衰减比为4:1，对副回路，余差为0.9cm，最大偏差5.2cm，衰减比为14:3(大于4:1且小于10:1)，整定时间过长，曲线波动过大，PID控制器的参数设置还有待调整。试验结果显示：学生自主设计实验，由传统验证性向创新性发展；开发界面及实验结果不同，参数设置有差异，实验报告的数据和结果分析不再千篇一律，雷同率明显降低。

另外，对这种自主性实验模式进行问卷调查，93%的学生认为受益匪浅，对实验和专业课程之间的联系有了一个主观的认识，知道如何学以致用；不再盲目的跟随他人，而是以己之长，设计自己的实验方案；针对实验中所出现的问题共同讨论解决，分析各自方案的优劣，有利于知识的交流及分享。

图4 平台试验结果显示图

4 结束语

自主性实验教学打破了传统实验教学的三个“多于”模式，实现与理论教学紧密结合，将被动性学习转变为主动性参与，给与学生一个自由发挥的平台，扩展了学生的创新思维空间，增强了工程实践动手能力。另外，在保证完成教学任务和科学研究的前提下，可开放实验平台，鼓励学生开展科技活动和创新实践，提高学生工程和科研能力、推进自动化本科教学质量与教学改革，培养具有创新能力与综合素质较好的学生，初步实现了绿色发展理念下自动化实验教学的创新[6-8]。

[1] 沈 秀,张 黎,戎红仁,等.深化实验教学改革 提升大学生科学素养[J].实验室研究与探索,2012,31(3):163-165.

[2] 叶向红.绿色教育"三尊重"理论探析[J].中国教育学刊,2015,32(6):32-37.

[3] 陈华文,丁振国.高校绿色教育的现状与实时策略探讨[J].思想政治教育研究,2011.6,27(3):45-47.

[4]田 燕,李贞双,张新刚,等.计算机实验教学改革探索与实践[J].长沙大学学报,2012,26(2):125-127.

[5] 金文兵.由组态软件、智能仪表及PLC等组成的工业控制系统[J].电力自动化设备.2005,25(6):73-76.

[6] 邢 亮,乔万敏.文化视阈下的高校创新人才培养[J].教育研究,2012(1):9-13.

[7] 吴丽兵,徐再起.面向21世纪的绿色教育[J].合肥工业大学学报,2000,14(2):41-44.

[8] Barrero F J , Martinez-Torres M R ,Toral S L , et al. :Addressing learner satisfaction outcomes in electronic instrumentation and measurement laboratory course organization[J].Journals & Magazines,2007,50(2):129 -136.

(本文文献格式：王跃飞，李红星，张晓培，等.自主性实验平台在应用型人才培养模式中的研究与探索[J].山东化工，2016，45(24)：135-137.)

Research and Exploration on Autonomous Experimental Platform in Applied Talents Training Model

Wang Yuefei,Li Hongxing,Zhang Xiaopei,Yuan Xuepeng,Huang Yijun*

(College of mechanical and marine engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000,China)

Most of the traditional experimental teaching model uses the verification experiment.The students followed, laboratory equipment and teaching hours are limited, training objective of restricting students' engineering practice ability and innovation ability.In order to improve the experimental teaching mode, the laboratory host computer, control device and the control object device are "unit".Practice shows that the implementation of independent experiment can obviously improve the teaching effect, improve the enthusiasm and initiative of students participating in the experiment, more effectively enhance the innovation ability of students, to change the experimental teaching system, the realization of green education has a certain contribution.

autonomous experiment; heterogeneous devices; unit; green education

2016-11-07

钦州学院高等教育本科教学改革工程项目(2016QYJGB38);教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究课题(2015A04)；钦州学院教改项目(2016QYJGZ23)(2016QYJGB37)(2014XJJG-A21)

王跃飞(1986-)，助教;通讯作者：黄宜军(1965-)，教授。

G40-057

A

1008-021X(2016)24-0135-03