“罗克韦尔工业自动化创新中心”实践项目设计

王仲莉，宋 强，2，冯文豪，高国刚

（1.中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

0 引言

罗克韦尔集成商大连锂工科技有限公司向中国石油大学（北京）克拉玛依校区捐赠工业自动化设备，与校区合作共建罗克韦尔工业自动化创新中心（以下简称中心），作为校区科研、教学、工程应用基地。中心建设之初，主要承担面向机械专业学生开设的《机电系统综合设计》课程。该课程为机械专业的专业实践必修环节之一，主要培养学生综合设计以及解决工程实际问题的能力。教育部、国家发展和改革委员会、财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见中指出转型发展的主要任务包括建立行业、企业合作发展平台，产学结合，提高实践能力，培养创新应用型技术技能型人才[1]。因此，基于中心设备，利用企业的技术支持，充分发挥企业的导向作用，设计出与工程实际相结合的实践项目，是现在教学工作亟待解决的问题。

1 实验中心现状

该中心硬件设备包括不同规模的可编程逻辑控制器、变频器、伺服驱动器、人机界面等工业自动化设备，以及多种与现场实际相关的被控对象。软件系统包括CCW、Studio5000编程软件等。针对现有设备，开发的实践项目有三轴写字机运动控制、滚珠丝杠滑台运动控制、小型手臂机器人运动控制、小型并联机器人运动控制等。该实践项目未经教学检验，在后续的教学过程中，着重对以下方面进行优化和改进。

1.1 实践项目设计优化

实践项目是为了使学生巩固和加深理论知识，将典型技术和技能达到统一和实用而进行的教学，是培养具有创新意识的高素质技术人员的重要环节，为学生理论联系实际、培养学掌握科学方法和提高动手能力提供支持和服务[2]。

实践项目应体现综合性。《机电系统综合设计》是对前面所学电工电子学、测量检测、计算机接口和应用、控制工程、机电传动控制以及机械工程基础等课程知识的综合运用。因此，实践项目要能涵盖学生大学所学的多门学科知识，使学生能对不同知识加深理解以及融合运用。

实践项目应与生产实际相结合。很多学校由于资金、场地等的限制，实验室基础硬件设施更新换代不够及时，很难与时俱进，与企业的生产需求脱节。中心是由校企协同共建的，控制系统的核心部件如控制器、变频器、伺服电机、伺服驱动器及人机界面等都是工业级的，被控对象也是根据现场实际设备做的教学对象。基于与企业需求紧密结合的硬件设备，借助企业资源服务人才培养，让企业专家参与到课程的设计工作中，建立产教融合、协同育人的人才培养模式[3]。

实践项目应有可操作性。实践项目的难易程度要适中，难度较小，学生的主观能动性会大大降低，不能达到锻炼学生的目的；难度较大，大部分学生在规定的时间内完成不了，会增加学生的挫败感，打消学生的积极性。合适的难易程度使学生能够经过一定的努力完成项目，既可以激发学生的兴趣不断探索，又能在实验完成时有一定的成就感，增加课堂活力。

1.2 教学过程优化

《机电系统综合设计》是专业实践环节，在教学过程中，要侧重培养学生自主学习、自主设计的能力，实施以学生为中心的启发式、合作式、参与式的教学方法。在后续的教学过程中，应设计一套符合该课程的教学方法以及考核标准。

2 教学实践

中心初步开发的实践项目经过一年教学的检验，发现存在教学内容不够丰富、实验设备利用率较低等问题。针对存在的问题，做出以下改进。

2.1 实验设备改造

（1）实验室建设之初，硬件设备的接线是通过螺丝固定的。由于部分设备存在多个被控对象共用控制器I/O端子的情况，因此在使用不同的被控对象时需要频繁对螺丝进行操作，螺丝的使用寿命大大降低。针对此类情况，将该部分接线改造成插拔式的接线端子。

（2）中心的工控机、控制器、变频器、人机界面等是由企业工程师设置好静态IP地址，通过以太网连接，进行通讯。现改为在实验过程中，由学生自主完成静态IP地址的设置，以太网的连接，不仅可以使教学内容更加饱满，而且能够加深学生对工业互联网的理解。

（3）将工控机与外网连接，增加摄像头，为后续线上课程做准备。

2.2 综合实践项目内容的改进及扩展

原实践项目主要包括对硬件设备的认识以及通过PLC编程和人机界面组态，达到控制被控对象运动的目的。经过教学检验，发现实验内容不够丰富，既没有最大化利用实验室的设备资源；课堂内容又不够饱满，仅锻炼学生编程方面的逻辑思维能力。通过对实验设备进行改造，实践项目中增加硬件设备线路连接、设备调试和设备组网内容，加强对学生动手能力的培养，加深对PLC应用以及工业互联网的认识。改进后的实践项目，需要学生对课题有综合设计意识，完成控制需求分析、系统组成的确定、硬件系统配置及组网、I/O点分配、设计控制程序、程序的下载及调试等工作。

2.3 增加其他课程的实践项目

中心原只开设《机电系统综合设计》一门课程，实验室利用率较低。现增开《可编程控制器逻辑及应用》课程，但原有的综合性实践项目并不适用。针对该课程，需设计单一知识点的课内实验项目。可以将原综合性实践项目拆分成多个题目，主要涉及PLC编程与人机界面组态，每个实验包含2～3个重要知识点。

针对文化润疆工程，为克拉玛依市中学生开展符合认知水平的实验项目。该实验项目根据被控对象的不同划分为多个模块，每个模块中又有简单模式和困难模式，简单模式考查的知识点比较单一，只有简单模式的题目通过后方可操作困难模式的题目。

实践内容的改进及扩展，使课堂教学内容更加多元化，可为多门课程服务，提高实验室的利用率。

2.4 线上实验模式的开发

特殊时期，有学生滞留在家，无法到现场完成实验。针对此情况，中心开设了线上实验的功能。学生可远程操作中心的设备，通过工控机连接的摄像头可以观察到设备运行情况。除本校区学生可在线上完成实验以外，北京校区学生也可通过远程操作，利用中心设备，完成部分课内实验。后续还将为克拉玛依市中学生开放线上课程的功能，学生可在实验平台完成实验内容的学习及测试、实验项目的预约及操作等功能。

线上实验模式的开发，打破了时间和地域的限制，既能解决特殊时期线下教育的局限性；又能更加合理地利用北京校区和克拉玛依校区的实验室资源和教师资源，增加设备利用率；还能够拓宽高校教育资源的适用范围，为克拉玛依地区中学生提供高质量科技教育服务，推动克拉玛依教育的发展。

2.5 教学环节的设计

传统的教师讲解、学生操作、设计报告的教学方式，学生被动接收知识，实验过程中遇到问题不能独立思考解决，分析问题、解决问题的能力较低，很多学生即使完成实验，仍然对实验内容中部分知识不理解，课堂上的主动性与积极性不高，实验完成后成就感不强，实验的兴趣大打折扣。因此，想让学生积极主动实验，提高解决工程实践问题的能力，对以下几方面进行了改革。

（1）改变传统的教学方式。《机电系统综合设计》课程，每组学生的题目不同，学习能力不同，学习进度不同，教师统一讲解的内容及时间不能兼顾所有学生，可采用少量集中授课、大量自主学习、日常分散指导的方式进行教学。在课程初始及处理学生的共性问题时，可采用集中授课的形式。因是针对某一个具体问题进行讲解，每次授课时间不宜过长，学生不仅容易集中精力，且可在讲解后迅速进行实践检验，加深对知识的运用及理解。课前将硬件设备的操作、编程软件的使用、编程指令的使用、被控对象的介绍等内容录制成不同的教学视频，学生可根据个人的操作进度，随时进行教学内容的学习及回顾。在学生日常学习过程中，教师要时刻关注并掌握学生的设计进度，能在其遇到问题时及时给予指导。除视频资源外，学生还可以利用提供的相关文件资料及线上资源，完成项目的设计及操作。采用新的教学方式，兼顾了学生的个人学习进度，扩大了学生自主学习权，增强了学生学习深度及宽度。

（2）增加实践项目的扩展性。由于被控对象种类的限制，存在不同组学生使用同一种被控对象的现象，若实验要求完全一致，可能会降低部分学生学习的主动性，增加抄袭的概率。且学生对课题钻研的兴趣程度不一，学习能力强弱不同，若以相同的设计标准要求，不能完全反映学生的学习情况。针对该现象，教师只设定完成的基本目标，在此基础上，学生自行设计细节，除完成要求的目标外，也可设计实现更多功能。学生自己参与到实践项目的设计中，不仅仅能够避免抄袭问题，而且能够满足不同学习能力学生的学习需求，提高学生的学习兴趣，增强学生的主动性。

（3）优化考核标准。考核内容包括实践操作、设计答辩及设计报告三部分。增大过程考核的力度，即实践操作成绩不仅考查最后设计完成情况，而且要在项目实践过程中，分时段对项目进度进行检查，既可以督促学生合理安排时间，促进学生有效学习，又能够在进度考核中及时发现学生的问题并给予相应指导。由于实践过程中是两人一组，为避免出现“组内代劳”的情况，对于日常表现不积极、完成工作量较少的学生单独进行答辩。针对实践项目的扩展性，在每一项考核内容中制定由低到高三个等级的评分标准：第一级，完成项目给定的基本目标，基本没有自主设计内容；第二级，增加自主设计内容，但设计内容简单；第三级，增加的自主设计内容相对复杂。

3 教学案例

以小型手臂机器人（如图1）运动控制为例。该实践项目的基本目标：为机器人设置运动路径（至少包含3个不同的坐标位置），编写PLC程序使三轴配合，实现不同坐标位置的连续运动以及到达某个坐标位置的点动控制；能通过人机界面完成对机器人的上述控制。

图1 小型手臂机器人

学生完成该实践项目的步骤如下。（1）调试硬件设备。根据题目要求，学生需要确定项目所需硬件设备，完成控制器输入输出端口与被控对象之间的连接、设备静态IP地址的设置、设备网络连接等工作。（2）确定实际目标。在完成项目基本目标的基础上，确定实际完成目标。根据目标任务，对项目进行分析，完成设计方案。（3）实施方案。完成PCL梯形图程序的编写及人机界面组态工作，根据被控对象的运动状况对程序进行调试。教师对项目的操作部分进行验收。（4）撰写设计报告。学生根据项目完成情况，撰写报告。图2为学生所做项目的人机界面组态情况。项目完成三个坐标位置的循环往复运动、每个坐标位置单独运动，并可实现运动过程中暂停、回到初始位置和清除轴错误的功能。根据最终实现功能，在项目扩展性方面可评为第二级。

图2 人机界面组态

4 结语

经过校企教师精心设计、整合后的实践项目内容饱满，能够考查学生对多门学科知识的理解和运用；被控对象是根据工程实际对象简化的模型，符合当前行业的实际需求；学生可根据自身情况，对实践项目进行自主设计，可操作性强。经过教学检验，学生反应良好，既考虑了学生学习能力的差异性，又能提高学习自主学习的积极性。学生在完成实践项目的过程中，增强了分析问题、解决问题的能力。