测控专业综合实验教学改革和实践

单宝明

(青岛科技大学 自动化与电子工程学院 山东 青岛 266061)

综合实验是大学培养计划的一个重要实践环节，是对学生在大学四年所学专业知识的一次检验，更是学生对所学知识的综合运用。通过综合实验能够培养学生综合运用所学知识的能力，培养学生发现、分析和解决问题的能力，培养自主创新精神[1]。

但综合实验课程的特点是综合性很强，实践性很强，如何设计有效的教学内容和教学模式一直是一个难题[2]。之前测控专业综合实验的授课模式有基于单片机课程的内容，基于检测仪表课程的内容或基于虚拟仪器实验设备的内容，存在的问题：一是设计内容不够综合，和所学的一些课程有重合；二是设备台套数不足，学生动手实践的机会不够，提升空间小。整体来说，综合实验的教学不够规范化，不能充分体现测控特色。

借助于专业认证的契机，测控实验室设备进行了更新，因此我们重新修订了综合实验的教学目标和教学计划[3]。时间由原来的一周改为两周，开设时间也进行了灵活安排。综合实验设计的指导思想是一定要体现"测"和"控"两个特色，在综合实验设计中既要有测量方面的内容，又具有控制的特色，两方面紧密配合、缺一不可。本文就是从教学目标、教学内容，组织实施方式和考核过程等方面阐述了实验教学的新模式。

1 综合实验的毕业指标和教学目标

综合实验要达到的毕业目标包括12条指标中的第9、10、11条内容，是分工合作、沟通和工程项目管理的基本要求。教学目的和任务是：培养学生综合运用大学前三年所学的专业基础理论和专业知识，提升基本技能，提高分析和解决工程设计问题的能力，培养学生查阅技术文献、资料和手册的能力，具备程序设计、电路图纸绘制及撰写书面报告的基本能力。通过综合实验的训练，学生能够合理分解、分配工程实践任务，能与团队成员开展合作，并倾听他人建议；能够通过口头、书面、图表、图纸等方式归纳和陈述测量与控制、仪器仪表设计等相关的复杂工程问题，能够根据需要撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达[4]。因此我们的综合实验教学内容就根据这些目标进行设计和更新。

2 教学内容设计

教学内容设计主要是基于目前实验室的设备，侧重体现“测”和“控”两个方面。实验室新进的实验设备是BDT-MPS-02型测控综合实验系统，该系统应用传感器技术、气动控制技术、机械传动、PLC控制和组网、步进电机位置控制等测控专业知识，来模拟上料、搬运、加工、安装、传送或分拣等生产加工控制过程，使学生得到一个非常接近于工厂生产环境的教学环境，缩短理论教学与实际应用的距离。该系统囊括了测控专业教学中所涉及的诸如传感器检测、电机驱动、位控、气动、可编程控制器、网络通讯等多门课程知识，给学生提供了一个典型的综合实训环境。测控专业实验就是基于此设备开展，主要内容包括：

(1)机械装调部分：系统上有多套步进电机及电机驱动器系统，有双轴和单轴两种方式，各驱动器由PLC I/O数字控制，充分学习各种型式的驱动器对于电机的特点，学生可以独立进行每个站点的实践学习。

(2)传感器信号检测部分：包括多种传感器，比如有多个电容式和电感式传感器，检测金属物体位置，起接近开关的作用；有反射型光电传感器，检测有无物体；多个磁感应式开关，安装在气缸两端，检测活塞位置等等。熟悉其工作原理，并在实验中进行测试和调整。

(3)电机驱动控制部分： 掌握步进电机驱动器和伺服电机驱动器的电气原理，通过对步进电机和伺服驱动器以及电机的认识，实现PLC与电机的精确定位。

(4)PLC编程实训部分：学生要掌握博途软件的安装和使用，通过对设备的熟悉，实现基本的逻辑控制和功能。掌握利用西门子1200系列PLC实现对电机的控制，实现运动控制和传输控制。掌握利用PLC实现气动控制技术，由电磁阀控制气缸实现电磁铁的运动。

(5)网络通讯部分：学生掌握网络参数的设置，掌握站点和站点之间的通讯方式和特点；同时掌握PLC与上位机的通讯，在中控主机或电脑上设计监控界面，实现数据的实时监控。

3 实施过程

3.1 实验的安排

表1 实验的安排

教研室成立综合实验指导小组，一般由2～4名教师组成；由指导教师给出综合实验任务书、基本原理及参考方案等；实验开始前，指导教师进行演示和讲解，并明确实验要求和注意事项；学生进行分组，并在教师的指导下独立完成任务。具体如表1。

3.2 学生完成任务的的流程：

(1)学生分组，熟悉设备的工作流程，相互讨论进行方案设计。

(2)参考说明资料，独立画出原理图，并在设备上进行接线。

(3)各部分调试：包括机械部分的调试；信号获取的方式(信号检测的各种传感器)；步进驱动电机控制；明确PLC控制的输入输出点数，实现对电机和气缸的控制等；PLC网络通讯包括多个站点连机通讯和PLC与上位机的通讯。

(4)设备运行操作流程：第一步供电操作：给设备供电，各设备电气柜空开全部达到ON；第二步，设备检查操作：为了确保设备上电后能够运行正常，需要对设备进行检查，主要包括供电电源检查、PLC检查、信号连接电缆检查、气动检查、传感器检测(设备机构无杂无阻碍、机构的轴位于限位范围内)等。第三步，设备运行：设备供电，经过检查无任何报警后可进行设备运行操作。按照电源操作 按钮操作 物料操作的顺序即可。注意，设备复位完成处于待机状态后，可以进行物料放置、搬运、抓取、检测、加工、入库等。物料需要从入料仓进行放置，入料仓为源头。物料可以一次运行一个，同时避免操作人员麻烦，也可以一次性放置多块物料。

按下启动按钮，设备单元执行的动作(见图1)。

图1 设备单元执行的动作

4 考核方式

综合实验成绩评定包括多个方面，采用综合考核，每一方面侧重体现学生的某些能力和品质[5]。一是实验结果的演示，学生独立地把设备从头到尾运行一遍，检验运行效果，是否有改进等，这部分占总成绩的60%。这个环节直接展示学生的工作，完成了哪些，效果如何；二是实验报告，体现学生的文字表达能力，如何把所做的事情准确、完整、充分地表达出来，而且要言简意赅，重点突出，让不熟悉的人一看就能清楚明白，占20%；三是答辩，每个组员讲解自己负责的一部分，考察学生的口头表达能力，同时体现成员之间分工合作的情况，占10%，最后要综合考虑平时表现，包括考勤和学生提问问题情况，这方面体现了学生的学习习惯和做事严谨的作风，平时表现经常迟到、请假或早退的学生一定是态度不够认真，学习不积极，实验过程一定不能全身心投入，这是会在成绩评定时要考虑的部分，占10%。最后的总成绩体现了学生在教学目标中各个部分的实现情况。

整个综合实验的内容包含了“测”和“控”两方面的内容，工作量比较大，涉及知识面广，不管从设计内容上还是实施方式上，都进行了改革。实验前老师们对新的模式是否有效还没有把握，但是实行了一个学期后发现，学生兴趣很高，很多同学利用晚上和周末的时间来编程、调试和修改，学生之间热情讨论，不断地改换方案、尝试新动作等，最终每一组都能够顺利地运行设备。老师们都深感学生的潜力无限，更有信心尝试新的教学改革。

5 结束语

测控专业综合实验新的教学模式，集成了机械、电子、电路、控制、光学、电磁学、材料科学等知识，多学科交叉，综合性强；同时要求学生能够熟悉原理，自己动手设计其原理图，自己接线，掌握PLC软件编程，实现抓、运、传，放等一系列流程动作，实践性强。每一套设备8人合作，结束时撰写报告，并进行答辩验收，整个综合实验的环节训练了学生的综合应用能力，培养了学生严谨求实的作风，实验效果也证明，学生在理论分析、查阅设计手册与资料、系统设计、制图、运用标准和规范以及计算机工程软件的使用等方面都得到了一个系统的训练和培养，提高了实践教学质量，为社会培养出综合素质高，动手能力强，有竞争力有潜力的工程应用型和创新型人才。