馬 然， 包金明， 張健欣， 齊詠生

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 電力學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080； 2.東南大學 自動化學院， 江蘇 南京 210096)

0 引言

我院自動化專業(yè)以內(nèi)蒙古自治區(qū)能源、電力等特色行業(yè)的自動控制為背景，具有強弱電并重、軟硬件兼顧、行業(yè)特色突出等專業(yè)特點。該專業(yè)的主干專業(yè)課程的理論性、實踐性和應用性均很強，2016年新版的自動化專業(yè)培養(yǎng)方案更加強調(diào)專業(yè)課程群的實效性，強化工程意識，要求通過加強實踐教學環(huán)節(jié)著力提高學生的應用能力和創(chuàng)新意識。針對我院自動化專業(yè)相應實踐環(huán)節(jié)的教學模式和教學方法中現(xiàn)存的種種不足，本文從項目驅(qū)動的角度對一體化實踐教學模式和教學方法做了一些有益的研究和探索，旨在提高學生對實踐環(huán)節(jié)的興趣，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)觀以及分析和解決問題的工程實踐能力。

1 改革的指導思想與具體方案

1.1 存在的問題

我院自動化專業(yè)實踐環(huán)節(jié)主要包括課程基礎實驗、課程設計、畢業(yè)設計、認識實習和專業(yè)實習，本文主要針對前三項進行探討。課程基礎實驗存在實驗內(nèi)容單一、實驗模塊開放性差、實驗成績占比小、實驗指導書不完善等問題；課程設計存在題目數(shù)量少、內(nèi)容陳舊、實驗設備臺套數(shù)少等問題；畢業(yè)設計存在題目內(nèi)容陳舊、完整質(zhì)量低等問題。

1.2 改革的指導思想與改革方案

考慮前述實踐教學內(nèi)容存在的問題，以及新版培養(yǎng)方案對課程體系的要求，必須對專業(yè)課程的實踐環(huán)節(jié)進行整合，重新制定學時及考核要求。改革的指導思想是建立基于項目驅(qū)動的專業(yè)課程一體化實踐教學模式，以真實的工作任務、產(chǎn)品或工藝流程為載體構建實踐教學內(nèi)容體系，采用以學生為主體、項目為對象、教師為主導的教學模式，開展教學并實施過程考核與綜合評價[1～3]。實踐教學模式改革的架構如圖1所示。

圖1 實踐教學模式架構

1)增設小組項目與個人項目

小組項目的題目強調(diào)項目的綜合性與完整性，學生根據(jù)自己的興趣、能力以及題目的難易程度自主選擇、自由分組。小組自行制定方案并分解任務，選擇實驗元器件、模塊及其他項目資料，設計實驗或項目步驟，設計電路圖、結構圖，進行仿真或?qū)嵨镎{(diào)試。小組項目有利于激發(fā)學生的工程意識、對系統(tǒng)整體把握、促進學生間交流討論以及鍛煉團隊協(xié)作能力。

個人項目主要針對理論知識掌握較好、知識接受能力較強的學生而設置的，強調(diào)其理論研究的深度或?qū)I(yè)技能的廣度，要求利用較新的專業(yè)技術拓展和延伸項目內(nèi)容，以此提升個人的工程實踐能力與創(chuàng)新能力。

2)設置專業(yè)基礎和專業(yè)課的實踐環(huán)節(jié)

專業(yè)基礎課要求學生除參與課堂教學、完成個人作業(yè)和基礎實驗外，在開課初選擇小組項目，教師結合課程進展分配一定課堂教學學時用于小組項目階段匯報并開展課堂討論。

專業(yè)課開設的課程設計則拆分為小組項目和個人項目，小組項目可以在原課程設計大綱的基礎上進一步豐富設計題目，在理論教學內(nèi)容結束后集中1-2周完成；個人項目的題目可以通過結合課程大綱要求，在小組項目題目的基礎上對理論算法、實現(xiàn)方案與技術指標要求進行細化來確定，在開課初布置，學生自選，以學期為單位進行階段考核。

個人項目與小組項目均要求完成完整的產(chǎn)品項目，并進行實驗室測試驗收和答辯。

3)畢業(yè)設計改革的思考

目前，畢業(yè)設計在第8學期開展，由于時間上與找工作相重合，導致學生的實際設計時間有限。同時，學生的設計論文普遍存在紙上談兵、抄襲往年成果等問題，這些都必然會在最后的考核環(huán)節(jié)中有所反映，結果往往在一定程度上偏離了考核的初衷。

畢業(yè)設計屬于復雜工程問題，小組項目和個人項目恰恰是對復雜工程問題的任務分解，學生只有經(jīng)過項目、任務等實踐環(huán)節(jié)的充分鍛煉，才會結合個人興趣和能力正確選擇畢業(yè)設計題目，和教師形成真正的雙向互動，保證高質(zhì)量完成這項綜合考核，這是其一。

其次，筆者認為畢業(yè)設計任務應盡早下達。如果提前在大三結束時指導教師就提供題目，給出任務要求和必備課程知識體系結構，對于綜合能力較強的學生便可以結合參與的個人項目和小組項目提前進入畢業(yè)設計準備階段。畢業(yè)設計任務書可以結合專業(yè)課的開展進程分階段明確項目要求，由學生以學期為單位提交當前階段的個人項目完成情況報告，教師根據(jù)每階段學生的進展適當修改任務要求與階段計劃，師生雙方可以進行及時、充分地溝通。相信該方式對于教師改進教學方式、提高科研能力同樣是有幫助的。

2 改革的具體實踐

基于項目驅(qū)動的自動化專業(yè)實踐教學改革具體實踐落實于優(yōu)化教學內(nèi)容、更新教學方法和改革教學模式三個方面。

1) 優(yōu)化教學內(nèi)容

首先，應完善和豐富常規(guī)驗證型實驗項目，做到每次課程開展的實驗項目不重復。以檢測類課程為例，實驗類別涉及對溫度、壓力和機械量等參量的基本特性的測試[4]。實驗裝置(型號：THSRZ-2)采用模塊化設計，學生能夠全面學習和掌握信號傳感、處理、轉(zhuǎn)換、采集和傳輸?shù)恼麄€過程，可開設六十多個常規(guī)實驗[5]。表1給出了最近一學期開設的基礎實驗項目。

表1常規(guī)實驗項目

其次，根據(jù)課程的側重點不同設置相對應的個人項目與小組項目，如開發(fā)綜合型實驗項目作為小組項目(如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，分別如圖2、圖3所示)，開發(fā)設計型實驗項目作為個人項目(如電子秤和多點測溫系統(tǒng))。學生自主設計方案，繪制電路圖或結構圖，選擇實驗模塊或購買元器件，完成系統(tǒng)搭建與實物調(diào)試并進行精度分析。以圖2所示系統(tǒng)為例，學生利用現(xiàn)有實驗模塊設計、搭建一轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的檢測、處理、轉(zhuǎn)換、控制與顯示等功能。要求學生選擇合適的速度傳感器，建立轉(zhuǎn)動源(直流電機)的數(shù)學模型，分析系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。該項目涉及“自動控制原理”、“檢測技術與儀表”、“電機與拖動”、“過程控制系統(tǒng)”及“運動控制系統(tǒng)”等多門課程，后兩門課程雖然在項目開展時尚未開設，但項目知識點蘊含在過程控制和運動控制中，這恰好是鍛煉學生查閱資料、獨立學習新知識以及對所學知識融會貫通的好機會。

2) 更新教學方法

首先，教師在實驗指導過程中應注意引導，開展故障分析教學，鼓勵學生自己動手分析故障原因并加以排除，學生表現(xiàn)應在考核結果中予以體現(xiàn)[1]。其次，編寫具有系統(tǒng)性和工程意義的指導說明書。教材問題是實施一體化教學的關鍵，應當打破諸如傳統(tǒng)實驗指導書的編寫形式，以問題和項目為導向，以工程任務的形式提出需求，貫穿系統(tǒng)的概念，弱化基本原理的介紹，強調(diào)學生自主查找資料、設計方案并具體實現(xiàn)，逐步培養(yǎng)學生提出、分析和解決問題的能力。

3) 改革教學模式

首先，表1所示的常規(guī)實驗項目應按難易分級，并在課程綜合成績中占有不同比重，根據(jù)學生成績指定或由學生自主選擇實驗項目，以此提高學生對于實踐環(huán)節(jié)的重視度。其次，開放實驗室，建立培養(yǎng)學生學習的長效機制。最后，重視過程考核與綜合評價?；A實驗項目采用多元化考核方法，考核成績包括實驗預習(20%)、實驗操作(40%)和實驗報告(40%)三方面，并逐漸加大實驗成績在課程綜合成績評價中的比例。小組項目應根據(jù)學生的自我評價、同伴評價、口頭測試、自己負責部分的完成情況及整個產(chǎn)品的完成情況等綜合評價；個人項目則主要根據(jù)學生的設計方案、獨立分析和解決問題的能力、項目測試完成情況、研究論文獨立發(fā)表情況等方面評價。

圖2 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 圖3 溫度控制系統(tǒng)

3 大學生創(chuàng)新實驗計劃項目實例

以筆者指導的一項校級大學生創(chuàng)新實驗計劃項目為例說明項目任務的分解方法。

項目名稱：基于PLC控制的八層電梯系統(tǒng)的設計。

起止時間：2015.9-2017.5。

參加人員：5名自動化2013級本科生。

該項目要求學生自主設計一套電梯控制系統(tǒng)，作為開展專業(yè)基礎課——“檢測技術與儀表”和專業(yè)課——“可編程序控制器”、“現(xiàn)場總線”、“運動控制系統(tǒng)”等課程實踐教學環(huán)節(jié)的公共實驗平臺。學生自主完成該項目總體方案制定、元器件選取、信號處理及電氣控制系統(tǒng)設計與調(diào)試，要求考慮實際電梯系統(tǒng)的機械結構，完成電氣控制，具有電梯的基本功能，保證電梯模型在PLC控制下穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、有序、可靠的運行。

為保證項目按期完成，筆者結合相關專業(yè)課的開設進程和畢業(yè)設計任務，以個人項目和小組項目的形式將項目的具體任務分解到各專業(yè)課實踐教學環(huán)節(jié)中[6]。任務分解見表2，電梯系統(tǒng)實物圖如圖4所示。分配2-3名項目組成員同時做同一個個人項目，在獨立完成方案設計后，進行小組討論，選擇最優(yōu)方案，最終協(xié)同完成實物調(diào)試；保證每名成員各自負責完成一項個人項目。

4 結語

本文針對自動化專業(yè)的實踐教學環(huán)節(jié)，探索了基于項目驅(qū)動的實踐教學方法。從優(yōu)化教學內(nèi)容、更新教學方法和改革教學模式三方面落實了實踐教學改革，詳細介紹了基礎實驗、小組項目和個人項目的具體實踐過程，并在2011級、2012級和2013級學生的專業(yè)課實踐環(huán)節(jié)中進行了三輪實踐，取得了良好的教學效果。最后，以筆者指導的一項大學生創(chuàng)新實驗計劃項目為例，詳細介紹了項目任務按照個人項目和小組項目的分解過程。在該項目順利結題的同時，參與的學生均高質(zhì)量地完成了與其相關的畢業(yè)設計題目。改革中關于不同類別(如檢測類和控制類)專業(yè)課程的實踐環(huán)節(jié)如何協(xié)調(diào)、如何制定學時及考核要求等具體操作問題今后尚需進一步探討。

圖4 電梯模型實物圖

表2 項目任務分解表

項目形式項目題目任務簡述相關課程個人項目電梯拖動系統(tǒng)設計(一)采用直流電機作為拖動電機,設計拖動系統(tǒng),包括調(diào)速方案。運動控制系統(tǒng)個人項目電梯拖動系統(tǒng)設計(二)采用單相交流電機作為拖動電機,設計拖動系統(tǒng),包括調(diào)速方案。運動控制系統(tǒng)個人項目電梯監(jiān)控系統(tǒng)設計選擇組態(tài)軟件,設計電梯的監(jiān)控系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鱾€人項目轎廂內(nèi)觸摸屏軟件開發(fā)選擇觸摸屏,設計觸摸屏的監(jiān)控軟件。可編程序控制器個人項目電梯PLC控制程序開發(fā)編寫梯形圖,進行軟件調(diào)試?？删幊绦蚩刂破餍〗M項目電梯系統(tǒng)硬件聯(lián)調(diào)小組討論確定控制方案,在搭建好硬件平臺的基礎上,進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào),保證硬件電路信號的正確性。小組項目電梯系統(tǒng)聯(lián)調(diào)軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)畢業(yè)設計基于西門子1200系列PLC的電梯模型控制系統(tǒng)設計在創(chuàng)新實驗計劃項目的基礎上,拖動系統(tǒng)實現(xiàn)基于單相交流電機的變頻控制,采用光電編碼盤實現(xiàn)基于PLC的精確平層控制,完善基于觸摸屏和組態(tài)軟件的監(jiān)控功能,實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡控制,完成系統(tǒng)的集成與聯(lián)調(diào)。