自动化控制类专业课实践教学模式的探讨

王巧玲 王军茹 付兴建 刘丽华

（北京信息科技大学自动化学院，中国 北京100192）

自动化控制类专业课实践教学模式的探讨

王巧玲 王军茹 付兴建 刘丽华

（北京信息科技大学自动化学院，中国 北京100192）

实践教学在自动化专业教学体系中占有十分重要的地位，特别是在当前工程应用复合型人才的培养及中国工程教育专业认证的背景下，对自动化专业控制类专业课程实践教学内容进行系统规划，根据不同课程的内容，结合同一实验室设备平台，针对重复交叉内容，采用融合贯通，提出更有效的优化整合方法，以及改革实践方法和手段，有效的实现学生工程实践与创新能力的培养。

实践教学；融合；工程实践；创新能力；自动化专业

0 引言

随着经济和社会的不断发展，工程应用复合型人才的培养成为趋势，自动化专业课程旨在培养学生全面认识和实践自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术等自动化理论知识，系统掌握工程实际应用设备的实验平台，提高学生系统应用自动化技术的能力及水平。而实践教学是提高学生综合素质与实践能力必不可少的环节，是培养学生的创新精神和工程实践能力最有效的途径。

针对北京信息科技大学（以下简称我校）“应用技术主导型”自动化本科专业人才培养的目标要求，自动化专业的实践教学体系也已经进行了相应的改革与探索，包括加强实验课程改革、充分利用实验资源、加大实践教学力度以及丰富实验内容等，但目前控制类各专业课实验课程之间缺乏合作沟通，出现了内容交叉、重复及部分实践内容不适应培养目标等问题，整体上缺乏统一的规划和衔接。如果对该类课程实验进行整体设计与探讨，改革实践教学内容，使之相辅相成衔接得当，则将更有利于学生对专业知识的整体理解和掌握，也更有利于学生提高综合应用的能力，为将来的发展和就业也有一定的帮助。

1 专业课实践教学的整体规划

我校自动化控制类专业课程包括专业课和专业任选课，其实践教学在本专业实践教学体系中占有十分重要的地位。其中，过程控制、运动控制、惯性技术、计算机控制系统和自动控制系统仿真为专业必修课，应用自适应、楼宇自动化、集散控制系统及现场总线技术作为专业任选课，以拓宽学生知识面，增强专业适应性。上述课程在内容上联系紧密，互相之间也都有交叉，但同时又相互独立，每门课程都设有相应的实验内容，部分课后也有课程设计及专业综合实验的设立，各个环节未将本专业内相互联系的课程内容融合贯通起来，使学生对整个专业缺乏整体的了解。如果对这些课程的实践环节进行整体设计与规划，实践内容系统化，将更有利于学生掌握和运用理论知识、锻炼综合实践能力。

以我校自动化专业自动控制系统仿真、计算机控制系统、过程控制、应用自适应、楼宇自动化、现场总线技术、现场总线技术课程设计及自动控制系统综合实验等这几门课程实验内容为例，上述实验内容除了计算机仿真类，其他均在同一实验平台上操作，实验室采用的是天煌科教THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置。学生在自动控制系统仿真、计算机控制系统、应用自适应课程中掌握了控制系统常用的控制算法和先进控制算法，可以以实验平台的水箱液位、锅炉温度等为被控参数，通过MATLAB软件仿真实现控制算法的效果。过程控制、现场总线技术课程实验中熟练掌握仪表、PLC的工作原理及使用方法和整个系统的结构及投运方法。楼宇自动化课程实验可以利用工控组态软件设计楼宇给排水监控系统，在掌握实验平台操作的基础上，结合硬件完成整个系统的设计与调试。现场总线技术课程设计是对学生学完现场总线技术这门课程的一个综合检验，也是对学生PLC技术掌握的综合应用，题目类型的设计可以多样化，涵盖仿真类课程中的一些实例。而后的“自动控制系统综合实验”独立实践环节是对所有专业课理论知识的综合运用，实验内容安排上可将仿真类的课程实验项目在实验平台上进行实际的算法研究与验证。

2 实践教学内容的改革

随着自动化和计算机技术的迅猛发展,对学生的知识结构和水平提出了新的要求。近年来中国工程教育专业认证制度成为教育界、工程界的广泛共识，再结合我校自动化专业人才培养方案，那么在这样的背景下，急切需要从实际工程的角度出发，探寻专业内各课程之间实践教学内容相融合的新模式，旨在提高学生的工程实践能力和创新能力。整个实验体系的建设要以培养学生的理论联系实际、提出问题、分析问题及解决问题的能力为目标，在熟练掌握基本理论知识和操作技能的基础上，结合工程技术，大量增加设计性、综合性实验内容的比例，具体实验内容的安排也应从简单到综合，对于各课程间交叉重复的教学内容应协调合作，做到相辅相成。

以专业基础课课程实验为基础，在熟悉自动化专业所涉及的控制器设计、仪表设备的使用和测量方法后，专业课课程实验内容的安排则重点在于解决理论与实践相结合、提高综合实践能力的问题。课程实验内容多以任务书的形式发放，即提出实验要求和具体要达到实验指标，指导教师采用启发式教学思想，实验过程的设计包括算法程序的编写、设备选型、方案设计等需要学生独立完成。实验内容也由简单的操作变成复杂的系统操作，很显然，综合性、设计性实验项目能够促进学生扎实的掌握理论知识，以及过硬的实际操作技能。而课程设计和综合实验独立实践教学环节，可以从实际工程应用出发，设计一个或多个复杂系统，实验任务由选题、方案设计与论证、仿真设计、硬件设计及软硬件联调、总结报告等组成，必要时可以采用分组的形式进行。同时，也可在毕业设计中增加课程相关应用课题，让学生能够对课程有更加深入的学习。

由于实践教学投入不足、我校实验室面积短缺、以及过程控制现场总线设备占地面积大、价格昂贵等问题，自动化专业部分专业课实践教学设备严重不足，台套数比较少，而这与培养工程技术人才相违背，那么采取实验室全开放，学生可以随时进行实践学习显得尤为重要。所以在完成专业必修课之外，开设了开放性实验，为了激发学生创新的实践精神，更好的利用实验设备，相关老师近年来设计了一批开放实验项目，包括课内拓展型和自主创新型，同时也有学生自创的实验项目，效果良好，锻炼了学生对知识的综合运用和实际工程的解决问题能力。同时组织各类设计大赛，鼓励学生参加西门子杯全国大学生控制系统仿真大赛，进而增强工程实践能力。

3 教学方法和手段的多样化

目前各课程任课教师各自独立实施课程教学，对于知识内容的交叉重复很少交流沟通，课程的实践教学之间也没有很好的“协作”，学生是“被动”实践，这种“各自为政”的教学模式，往往使学生在真正面对一个实际工程时感到困惑。有效解决的方法即加强与各课程任课教师的沟通，合理安排实践教学内容，互相渗透，在实践中相互协作，以现场总线过程控制对象实验装置为实践教学平台，开展多课程融合式实践教学，激发学生的自主学习能力。

被动式实践教学通常是指由指导教师拟好实验内容、实验方法和实验步骤，学生只需按照实验指导书按部就班就可以顺利完成实验，这样的方式不利于学生独立思考及创新思维的培养，实验也没什么良好的效果。目前多数采用任务驱动式实践教学方法，实验前发布任务书，任务书中只包含实验要求、实验指标、可选的仪器设备、实验注意事项及实验报告要求等，具体实验方案的设计及实验过程的调试均由学生独立完成，指导教师对方案进行审查，并在实际操作中给予一定的指导。通过这种以学生为主的、启发式的实验方式，很明显能够调动学生的积极主动性，切实提高了实践能力与创新能力。对于例如现场总线课程设计、自动控制系统综合实验这种独立实践教学环节，采用分组形式，每组同学间分配不同任务，组员合作共同完成，并以小组形式汇报实验结果。各课程任课教师也将此形式用于课堂，结合实验设备或者实验结果，对于学生融会贯通本课程知识点，甚至多个课程的知识点都有一定的帮助作用。

随着互联网计算机技术的发展，实践教学手段也不仅仅拘于课堂形式，可以采取慕课形式，充分利用网络教学平台和学校数字图书馆资源作为辅助教学，弥补实践教学条件的不足。另一方面，计算机仿真软件也为实践教学环节提供了有力的辅助工具，自动化专业课实践经常用到的MATLAB、PLC Simulator，还有MCGS、STEP7、WINCC等组态软件，这些软件在实验前期控制算法的设计、系统的结构设计等都起到了很大的作用，比如运用MATLAB软件编写PID或者更先进的控制算法，调试成功后，运用组态软件设计系统运行监控界面，最后再运用OPC技术，使得MATLAB与工控组态软件之间进行数据通信，从而实现了先进控制算法在实际对象当中的应用，具有一定的工程实际意义。

4 结束语

本文依据我校“应用技术主导型”自动化本科专业人才培养的目标要求，结合实验室现有环境，提高学生系统应用自动化技术的能力和水平，针对自动化控制类专业课从实践教学内容的整体规划、实践教学方法和手段等方面进行改革，调动学生学习的积极性和创造性，使学生能够系统的了解自动化专业的新技术和新方法，加深对课程理论知识的理解。充分利用实验室资源有效提高学生动手能力和综合应用的能力，使学生在步入社会之前，能够得到一些工程技术上的锻炼。实践过程中也难免会存在一些问题和不足，希望在进一步的教学实践中不断完善和优化。

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［责任编辑：朱丽娜］

此文受北京信息科技大学2012年教学改革 (2012JGYB14）、北京信息科技大学2016年研究生教育质量工程类项目(5111623304)、北京信息科技大学2016年教改项目(2016JGYB14、2016JGYB16)立项资助。

王巧玲（1978—），女，陕西大荔人，实验师，研究方向为过程控制、现场总线等。