构建测控实践教学体系 培养学生创新科研能力

杜云 孟凡华 黄公发 宋哲英

摘 要：为了使毕业生和企业真正实现“零对接”，培养学生创新科研能力，测控技术与仪器专业以专业知识为背景，结合实际工业生产过程，构建了基于应用型人才的实践教学体系。该体系包括相互交叉、各有特色、点面结合的四个层次：“课内实验”、“综合设计”、“创新研究”和“工程实践”，为培养测控专业面向21世纪专业人才，全面推进素质教育奠定了良好的基础。并以单片微机六周个性化环节为例，具体介绍了该环节任务驱动的实践教学模式，为学生提供了创造性的学习平台，培养了其完整开发单片机产品的能力。

关键词：实践教学体系；创新教育；零对接；素质教育；个性化训练

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）14-0029-03

Abstract： In order to make the graduates and enterprises truly realize the "zero docking" and train students ability of innovate scientific research， the practice teaching system is set up in the Measurement and Control Major. It is based on the background of professional knowledge and the actual industrial production process.The system includes four interdisciplinary and distinctive levels： "in-class experiment"， "comprehensive design"， "innovation research" and "engineering practice"， which are designed to cultivate the professional and technical talents of the 21st century and lay a good foundation on promote quality education. Taking a single microcomputer as an example， it is personalized for six weeks， which specifically introduces the task-driven practice teaching model. It provides a creative learning platform for students and cultivates students' ability to develop a complete microcomputer products.

Keywords： practical teaching system； innovation education； zero docking； quality education； individualized training

一、概述

美國曾做过一个统计，20世纪50年代，研究开发人才、一线技术工程人员、熟练工人的比例为2：2：6，到90年代变为2：6：2。这一统计结果不仅反映出经济发展对应用型、创新型本科人才需求的增加[1]，对高校毕业生实际应用水平的提高提出了要求，也从另一面反映出高校应根据这种变化及时调整人才培养模式。培养创新人才是社会发展的需求，更是当前高等教育的首要任务。如何构建创新人才培养模式，更新实践教学体系，成为地方本科院校亟待解决的任务。作为宽口径的电气信息类测控技术与仪器专业是实践性很强的专业，培养的学生应该是能综合运用理论和方法分析、解决实际问题的高级复合型、应用型人才，所以专业依据自身办学条件和专业特点，根据“加强基础、淡化专业、拓宽知识面、注重工程实践”的教学指导思想，进行实践教学环节的探索与实践[2]。

二、递进式的实践教学体系

多年来，测控技术与仪器专业在培养学生的工程应用能力和创新能力方面，依托各种实践环节，构建了递进式的实践教学体系如图1所示。该体系包括课内实践和课外实践两方面，共分四个层面：第一层为专业基本能力层，训练学生基本技能，掌握本课程的基本知识；第二层为工程师能力层，通过综合设计环节，加强学生工程意识，提高设计能力；第三层为创新研究层，通过课外科技活动、科技竞赛等，提高学生动手能力和创新能力；第四层为工程实践层，通过各种实习环节提高学生的工程实践能力，真正实现“零对接”。通过该实践教学体系的构建，可在不同分支实践环节建设及教学过程中，根据各层次对学生基本技能的要求，对教学软硬件条件、师资队伍、教学方法和模式方面进行针对性的建设，使各个实践教学环节既能承担整个实践教学培养链条中的特定实践训练任务，又具有承上启下的功能[3]。

在整个实践教学体系中，很多实践环节并没有考虑学生个性差异，因此在第七学期，增加了六周个性化训练环节。在六周个性化训练中，专业老师根据自己的特长，设立了包括单片机、PLC、虚拟仪器、组态软件等在内的6个专题。学生可根据自己的兴趣和擅长的技能，自由选择某个专题。该环节设置在毕业设计之前，生产实习之后，起到承上启下的作用，使學生即能对理论知识掌握得更加深入，又能对生产实习阶段获得的能力得到强化和拓展；为毕业设计环节提供很好的方法论，使得学生能够在毕业设计阶段快速进入状态，自主完成设计。

三、单片机个性化训练专题

（一）专题设计目的

单片机既有一般微型计算机的功能、特点和原理，又具有技术水平高、应用起点低的特点，很容易和某一行业实现有机结合。以往单片机实训课程采取“理论+实验+综合设计”的教学模式，按照教材顺序进行理论讲解。实践环节主要是用单片机实验箱进行验证实验，往往停留在学生按照实验指导书进行插线、输入程序进行验证的传统教学模式。这种教学模式虽然有利于理论知识的巩固，锻炼学生的编程设计能力，但会使学生不知道单片机在实践中的真正作用，容易丧失学习兴趣，导致学生没有一个整体的测控系统概念，缺乏开发单片机产品的经历和能力。因此专业老师提出的单片机个性化训练专题，以单片机技术为核心设计贯穿测控技术与仪器大部分专业知识。

（二）单片机技术专题内容

1. 整体方案

专题训练采取项目式教学，在实训室集中训练组织实施。先由教师对项目进行必要的课堂讲解和分析，要求学生在六周内完成硬件电路设计、焊接、调试、软件编程、下载运行、故障排除等。

单片机专题每年内容会有所不同，以2016年要求学生设计一个单片机溫度测控系统为例，从理论和实践两方面对学生进行全方位的训练。

理论方面从系统概念入手，通过实测温度数据，分析对象物理特性，建立被控对象的数学模型。在建立数学模型基础上，设计对温度参量的测控系统，对控制器参数进行整定，用MATLAB语言仿真，分析系统性能。

实践方面从制作温度对象入手，设计以单片机为控制器的软硬件测控系统。包括单片机的选型、温度信号测量电路的设计、驱动电路的设计、必要的人机接口电路的设计等。完成方案设计、器件选型、焊接实物和实际调试的全过程。

2. 设计步骤

整个设计具体步骤分为硬件设计、理论分析与仿真、系统焊接调试三个方面。

（1）硬件设计

a. 制作温度对象

一般来讲，最简易最便宜的温度对象是电炉丝，所以购买了2000瓦的交流电炉丝加热炉。但是考虑学生安全操作要求，把220V交流电炉丝按照长度比例，并考虑有效值，截取12V长度的电炉丝即可，对应的功率约108瓦，改造为直流12V的电炉丝，采用直流供电加热，这样既安全又容易制作直流电压可调的功率放大器。

b. 选择合理的传感器

对于温度对象，可以采用热电阻、热电偶或单片集成测温芯片18B20等测温元件完成温度测量。学生可以根据被控对象的特点、自主选择传感器。本部分要求学生根据《检测仪表》、《误差分析》等相关知识，考察当前市场上各型号产品的应用情况，合理选择温度传感器。

c. 设计驱动电路

学生需要考虑电炉丝的功率108W，供电电压直流12V，所以额定电流最大不超过9A，所以必须选择功率放大元件耐压24V以上、耐流20A以上的器件。本部分要求学生根据《电路》和《模拟电子技术》等相关知识，选择合理的功放元件，设计符合实际需求的驱动电路。

d. 单片机选型

学生需要选用性价比较高的单片机构成核心控制电路，控制输出采用PWM（即脉冲宽度调制）技术。为了使单片机稳定工作，需要设计适合于单片机的稳压电路，而且设计中要考虑单片机工作的抗干扰问题。

e. 辅助功能电路的设计

为了实现温度设定值可调，需要设计按键电路；为了实现温度值的实时显示，需要设计数码管显示电路。

f. 电路仿真

将上面设计的电路搭建起来后，需要通过电路仿真软件进行仿真，来验证硬件电路的正确性。

（2）理论分析与仿真

a. 建立控制对象的模型

给电炉丝突加一个阶跃信号，获得温度变化曲线，根据曲线响应法获得对象模型，经过实测数据分析，建立电阻炉这个一阶惯性加纯滞后对象的数学模型，为进行PID控制提供数学基础。本部分要求学生根据《自动控制原理》等相关知识，根据实验数据进行分析计算，构建出系统的数学模型。

b. 控制系统仿真并整定PID控制器参数

应用MATLAB语言，搭建温度对象的单闭环控制系统，控制器采用常规的PID，通过仿真，选择合理的控制器参数。

（3）系统调试

a. 编制汇编程序实现控制器的运算

将理论仿真的控制方法，移植到单片机上，用汇编语言编写PID控制程序、按键功能、显示功能和温度采集功能等程序。

b. 运行和调试系统

运行单片机控制系统，观察实际控制效果，通过微调控制参数，最后取得理想的预期效果。

本部分要求学生综合运用本专业所学理论知识，对出现的实际问题加以分析、调试、解决，最终得到满意的控制效果。

3. 实施效果

通过理论分析，进而对实际控制系统进行调试和运行，取得了很好的预期效果，让学生体验到了自己动手设计并取得成功的喜悦。使学生真正获得理论联系实际，理论指导实践，实践验证理论的实战能力。该环节已实施五届，学生对单片机的理解和认识有了明显的进步：在整个项目实施过程中，进一步掌握了课程要求的知识和技能，缩短了从理论知识到实际应用的过程，加强了分析问题和解决问题的能力以及团队合作能力，有利于提高实际应用能力，增强了创新意识；很好地培养了学生的专业兴趣，大部分学生在实践中通过对硬件和软件的认知、操作和编程，对单片机学习产生了较浓厚的兴趣，有些学生自选单片机应用系统课题在课下自行设计研究，促进了学生的电子设计能力；提高了就业能力，真正达到了实施个性化训练的目的[6]。

四、结束语

在测控专业的实践教学体系中，四个环节定位准确、衔接紧密，平滑过渡与重复强化相结合，注重学生基础实验的规范性、集成环节的系统性；注重创新思维意识和工程素质的培养。课内实验环节注重培养学生的基本动手能力和规范的实验习惯。综合设计环节将学生的知识系统化，培养学生的系统认知能力，使学生初步具有分析、设计能力。其中个性化训练环节涉及到多门课程的综合运用，通过六周的训练和实践，使学生进一步理解和掌握了所学的专业知识。创新研究环节是对综合设计环节的强化，又是工程实践环节的基础。最后，通过工程实践环节，将一个大学的“学才”转化为社会需求的“人才”[7]。经过几年来的实践结果表明，该递进式实践教学体系结构合理，效果明显，我院学生由于创新能力突出，深受用人单位的欢迎，一次就业率逐年上升。

参考文献：

[1]周 ，陈桂.自动化专业人才工程应用能力培養模式的研究与实践[J].科技创新导报，2008，9：199-201.

[2]杜云，孙晓云，梁国壮，等.构建实践教学体系培养学生创新科研能力[C].第7届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集，2010.

[3]唐国兴.机械工程类应用型本科实践教学体系的创新研究与实践[C].2008机械类课程报告论坛文集，2008：329-333.

[4]杨洲，李静.开放式实验教学对培养学生创新能力的研究[J].高校实验室工作研究，2009，101（3）：32-34.

[5]王勇，叶敦范.依托大学生电子设计竞赛培养学生创新能力[J].中国地质教育，2009，1：145-148.

[6]王立萍.单片微机技术实践教学模式的改革与实施[J].中国电力教育，2011，189：109-110.

[7]王彬，穆国岩.高校工科应用型人才培养模式的探索[J].山东商业职业技术学院学报，2008，8（4）：40-42.