以提升自动化专业学生工程意识为导向教学改革研究

周焕银， 王平风， 刘树博， 黄永忠， 李百余

(东华理工大学 机电学院，江西 南昌 330013)



以提升自动化专业学生工程意识为导向教学改革研究

周焕银， 王平风， 刘树博， 黄永忠， 李百余

(东华理工大学 机电学院，江西 南昌 330013)

通过对学校自动化专业以及相关工程类院系的调研，总结了教学中在理论、实验以及实践等方面存在的一些问题。通过与多位专业课教师共同研究，介绍了以培养学生工程素质为导向的一系列教学改革措施，并在教学实践中进行了应用。

工程素质；自动化；实践训练；教学改革

周焕银，王平风，刘树博，等.以提升自动化专业学生工程意识为导向教学改革研究[J].东华理工大学学报：社会科学版，2017，36(2)：178-181.

Zhou Huan-yin, Wang Ping-feng, Liu Shu-bo, et al.Teaching reform to improve the engineering quality of students majoring in automation [J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2017，36(2)：178-181.

自动化专业工程教育是伴随着自动化技术在社会生产、生活中的广泛应用而兴起的，是一门面向被控对象，解决实际问题的学科[1,2]。自动化工程领域要求相关专业能培养出知识面广、理论基础雄厚、能力强、高素质的复合型人才[3,4]。自动化专业学生不仅应掌握自动控制方面的理论知识，同时应具有理论联系实际的能力，具备较强的工程意识。工程意识以创新意识、实践意识和团队意识为主要特征[5]。在科技、经济飞速发展的今天，现代社会更需要大批具有坚实基础和多学科适应性的高素质工程人才[6]。工程意识是工程教育最重要、最基本的素质之一，也是当今高等工程教育的薄弱环节之一。

实践教学在培养学生工程意识与素质方面有着重要的作用。工程意识与素质的形成需要人们在长期从事工程实践中逐渐积累关于客观世界的一种潜在认识与经验总结[7-9]。在大学期间，通过实践教学的形式对学生工程意识与素质进行潜移默化的培养，不仅可为理解理论知识如何在工程中应用打下坚实基础，同时有助于学生进入社会后快速熟悉工程项目，从而加快学生对实际工程的理解。

1 自动化专业学生培养现状

在传统的教育体系下，中国的高等工程教育仍存在一些问题，工程技术人才的培养质量问题亟待解决。自动化专业在控制类课程教学方面存在如下问题：(1) 过于强调学生理论教学知识的掌握程度，实践教学环节薄弱；(2) 综合型、创新性的实验少，对学生未进行良好的科研素养和团队合作精神的培养；(3) 工程设计、实验和实习等环节虽然受到一定程度的重视，但往往侧重于操作技能的培养，而忽略了对学生获取信息能力和创新能力的培养。

图1 教学改革的总体方案图

2 相应解决方案

为了提高自动化专业大学生的工程素质与工程意识，本文根据学校相关专业出现的教学问题，对理论、实验、校外实习等内容进行了一系列教学改革。在理论教学改革中注重专业理论与实际工程的结合，培养学生的学习兴趣、学有所用的理念；在实验中，多开发综合型实验，注重培养学生自主实验能力、分析解决实际问题的能力，以培养学生工程意识为目的；在校内、外实践环节中根据学生的实际情况，进行老师放手、自主选题、共同完成小型控制类工程项目的设计思路，以挖掘学生的创新能力以及培养学生的团队合作精神，提升学生工程素质与工程意识。采用的主要改革方案如图1所示。

2.1 理论教学改革

理论教学过程中，以理论为主、经典工程案例为辅，激发学生学习兴趣。自动化专业是以培养社会需要的具有较高控制工程意识的人才为目标的。控制类专业课程具有原理复杂和算法抽象等特点，而在理论教学当中，教师偏重于控制理论与原理的理论分析、推导、验证和控制算法的经验总结，使得学生对相关控制理论作用与意义无明确概念，造成学生错以为专业课用处不大，无实际应用价值等消极观念。另外，由于学生未参与过工程实践，学生认为这些理论晦涩难懂，不知所云，兴趣不高。为了提高学生的学习兴趣，对“自动控制原理”、“微计算机控制技术”、“现代控制理论”等控制类讲授系统和理论的课程，应在教学中引导学生了解相关理论与工程系统的应用背景。理论教学改革中，学校自动化专业教师所授相关控制类课程，选用简单明了而不乏生动有趣的工程案例，同时不偏离实际，这样学生在有趣环境中激发学习热情，达到理论联系实际的目的，让学生体会到相关理论的应用价值。

根据自动化专业教学现状并充分利用学校教学资源，理论教学从以下两个方面进行改革。

(1)项目式教学方法，强调理论联系实际。对于理论分析、算法验证等抽象问题，通过一个个实际工程进行讲解，采用多种手段并进的方法验证重要算法，从而提高学生探索问题、解决问题的兴趣。对一些基本理论(如自动控制原理的动态性能分析、稳定性分析等) 通过MATLAB仿真工具进行实现、讲解、说明，提高学生学习兴趣与学习的主动性；对于一些重要控制理论或控制算法，如自动控制原理PID控制算法、微计算机控制原理的大林算法、现代控制理论的状态反馈法等，则通过虚拟现实技术或录制影像的方式再现某些工程类项目背景，让学生了解控制理论在工程中作用意义等，激发他们学习兴趣，加深对理论或算法的理解与掌握，并培养工程意识。

(2)多门控制类课程综合教学方法，提升工程意识。自动化专业的重点是培养学生的系统观与控制观，专业面广，涉及控制类多门课程、单片机、电力电子技术等，且在某些工程案例中可能涉及到多门学科内容，这就要求教学中在偏重本门课程相关理论的前提下，对所涉及的其它理论内容简单介绍、讲解，让学生较全面地了解被控对象的本质，理解控制理论在工程中的应用背景。拓展学生视野，从多方面了解控制理论应用价值，培养学生的工程素质与提升工程意识。图2为理论教学研究现状以及本文所提理论教学改革措施。

图2 理论教学现状与拟改进的理论教学方法

2.2 实验教学环节的改革

自动化专业实验教学环节存在实验教学依附于理论教学、实验能力的培养缺乏统一规划和系统安排、学科内各门课程的实验装置相对独立、缺乏课程联系与交叉等问题。实验内容多以演示性与验证性实验为主，综合性、创新性实验较少，导致学生动手能力和创新能力不足。

本课题拟通过加强综合性与设计性实验为主进行实验教学改革，以工程项目引导开发实验平台，平台根据学生爱好自己搭建，以更好地培养学生系统分析问题的能力、自主实验能力，提高学生创新能力与培养学生工程意识。

加强综合性、设计性实验建设，为学生工程意识的培养提供有效途径。综合性设计平台的开发内容是通过工程项目的方式引导，将大的工程项目分解为多个子项目，学生根据自己所长，选择子项目，组队搭建完成子项目所需要的实验平台、实验过程中完善实验平台、教师放手实验平台等，提高学生学习兴趣与挖掘学生创新能力。综合性实验平台采用学生自主研发，教师放手的改革方法。首先，教师根据工程项目各子项目的研究内容，分解子项目以及工程目标；然后，学生组队分析研究目标，对平台进行规划设计，将其设计为实验内容，教师在期间根据学生特点，以团队形式分配任务，任务下达后，团队根据任务目标，规划设计方案，并根据指导教师要求或自发组织研讨会，完成实验任务要求；最后，一个实验周期完成后，教师分析实验平台优缺点，完善实验平台。实验以激发学生积极性为主，以挖掘学生创新能力为辅，为了调动学生团队合作精神，根据各团队执行任务期间解决问题、分析问题的方式，设置不同奖励与惩罚措施，避免只看结果不看过程的考核方式。图3为实验教学环节改革研究方案。

图3 实验环节改革方案

2.3 校外实践环节的改革

当前学生对校外实践重视程度不够。学生在校外企业参观实习期间，由于时间短或为了学生安全，学生无法系统地了解一些仪器设备的工作原理，生产流水线中相关控制工程的应用，此期间动手机会更少，短期内无法达到预期的培养学生工程意识的目标。返校后，对学生的考核方式只是一些简单的实践报告，这不仅没有达到校企合作培养学生对工程项目了解的目的，且浪费了许多资源。

为了克服以上问题，通过校企合作、学生校外实践的机会提升学生工程素质与工程意识，本课题拟采用延长实习时间与改进考核方式的方法。通过加长学生的实习时间，为学生创造与企业员工、师傅、工程师等进行交流的机会，保证学生既了解行业背景和企业需求，同时通过看、学、做的方式让学生们较系统地了解生产流程与控制类仪器设备在实际中的应用。考核方式则通过学生外出实习期间对工程的了解情况，进行虚拟现实技术模拟，通过实际工程与虚拟环境模拟相结合的方式，提升学生的工程意识。考核步骤为：首先，学生通过校外实习了解控制类系统工作流程，返校后学生通过虚拟现实技术模拟所理解的“实际控制工程”，构建虚拟环境下的控制工程，提高学生获取知识的能力；然后，根据所模拟的虚拟环境工程平台分析相关控制理论的应用与在实践中的作用，培养学生理论联系实际的能力，激发学生实习的兴趣；最后，教师根据实际控制工程特点与学生所构建的虚拟环境控制工程平台进行对比，分析学生所设计平台的优缺点，提高学生自主学习、自主创新等能力。通过以上改革达到提升学生工程意识的目的。学生校外实践环节改革研究方案如图4。

图4 校外实践环节改革研究方案

2.4 理论与实践内容相结合的教学案例

为了提高学生对知识掌握程度，实现理论与实践的结合，学校教师结合《自动控制原理》《微计算机控制》《虚拟仪器》等课程，设置了一次虚拟环境模拟综合型设计。学生根据校外实践部分内容，设计双容水箱液位控制系统，在系统的主、副调节器输入，并通过MATLAB软件得到“最佳参数”，通过PID控制算法进行液位控制。由于双容水箱的特点存在大时滞，即时间上的延迟等，这就要求学生用到微机控制中的大林算法等相关控制理论进行解决。图5为学生利用组态软件构建的双容水箱液位虚拟控制平台。通过此平台的构建与说明，学生基本掌握了相关供水工程中的液位控制过程，并达到学以致用的目的。

图5 学生构建的双容水箱液位控制虚拟环境

3 结束语

通过相关教学方案的逐步改革，有望达到以下目标：(1)激发学生学习兴趣，夯实理论基础：通过优化理论教学内容，改革理论教学方法与手段，激发学生学习兴趣，通过实际工程案例分析，加深学生对专业理论的理解。(2)自学自练能力：通过对综合型实验教学内容、校外实践环节方法的改革，培养学生的自主实验、分析能力和解决问题的能力。(3)挖掘学生创新能力：通过项目引导团队设计综合性实验平台提高学生理论结合实践能力、“工程创新”能力，培养学生工程意识。(4)再学习能力和综合技能、实践能力：通过学生外出参观企业工程流程，返校后模拟实际工程的方式，培养学生自我学习能力、理论联系实际的能力、综合实践

能力，以及提升工程意识的目的。(5)互帮互助、团队合作精神：通过团队搭建实验平台方式，实现学生合作，互相学习、互相促进、共同进步，提高学生团队合作精神与创新能力。通过以上目标的逐步实施，实现自动化专业学生毕业时具备一定的工程素质与工程意识。

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Teaching Reform to Improve the Engineering Quality of Students Majoring in Automation

ZHOU Huan-yin, WANG Ping-feng, LIU Shu-bo, HUANG Yong-zhong, LI Bai-yu

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

By investigation into the major of automation and some related engineering faculties, the paper summarizes some problems existing in theory, experimental and practical teaching. And by the common research of many professional teachers, the paper introduces a series of teaching reform measures which are applied to teaching practice so as to develop students’ engineering quality.

engineering quality; automation; practical training; teaching reform

2016-10-20

江西省高等学校教学改革研究课题：以提升自动化专业学生工程意识为导向控制类课程教学改革(JXJG-15-6-14, JXJG-14-6-15 )；东华理工大学教改项目：基于组态软件虚拟实验平台的《微计算机控制技术》实验教学研究。

周焕银(1975—)，女，河北衡水人，副教授，博士，主要从事复杂系统运动控制研究。

G640

A

1674-3512(2017)02-0178-04