王 魏， 繆新穎， 吳曉雪， 丁麗娜， 徐富錦

（大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連116023）

0 引 言

為培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，高校部分專業(yè)作為應(yīng)用轉(zhuǎn)型示范正在改進(jìn)培養(yǎng)方案，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)力度。我校自動(dòng)化專業(yè)作為其中的一員，正在積極探索實(shí)踐教學(xué)模式的改革。關(guān)于課程實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，許多學(xué)者開展了研究。例如：劉洋等［1］針對(duì)未來(lái)新工科視域下電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式，對(duì)實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了改革創(chuàng)新。肖麗仙［2］以電氣控制與PLC技術(shù)課程為例，將教、學(xué)、做、評(píng)4個(gè)內(nèi)容融合，進(jìn)行一體化教學(xué)，落實(shí)課程教學(xué)應(yīng)用型改革。周瑜等［3］通過(guò)構(gòu)建PLC半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置，達(dá)到提升學(xué)生實(shí)踐能力的目的。孫遠(yuǎn)韜等［4］探討了學(xué)科競(jìng)賽與院校教學(xué)體系的相互支撐作用和途徑，提出了高校課程理論與實(shí)踐結(jié)合的優(yōu)化措施。楊蒙召等［5］以人工智能魚為抓手，設(shè)計(jì)了多學(xué)科相融合的教學(xué)體系，探索培養(yǎng)海洋特色信息類創(chuàng)新實(shí)踐人才。馮瀟［6］利用多課程交叉實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)改革，并驗(yàn)證了改革效果。這些學(xué)者以不同方式進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐，進(jìn)一步印證了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力對(duì)培養(yǎng)人才至關(guān)重要。

結(jié)合上述實(shí)踐改革方法，根據(jù)我校海洋漁業(yè)特色，選擇魚菜共生系統(tǒng)作為案例進(jìn)行項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)改革。魚菜共生系統(tǒng)將水產(chǎn)養(yǎng)殖與無(wú)土栽培相結(jié)合，通過(guò)硝化細(xì)菌將水中的氨氮分解成蔬菜好吸收的營(yíng)養(yǎng)鹽類。蔬菜在生長(zhǎng)的同時(shí)凈化了水質(zhì)，改善了魚類生長(zhǎng)環(huán)境，從而達(dá)到動(dòng)物、植物、微生物3者之間和諧的生態(tài)平衡關(guān)系［7］。作為一種低碳生產(chǎn)模式，魚菜共生系統(tǒng)不僅可以減少水資源的使用，而且能夠減少水處理的費(fèi)用，是解決農(nóng)業(yè)生態(tài)危機(jī)的有效方法［8］。以此項(xiàng)目為例不僅符合我校特色，還可以將環(huán)保等思政理念引入教學(xué)過(guò)程。

1 魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)魚菜共生系統(tǒng)由上位機(jī)PC監(jiān)控和下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)組成。PC端監(jiān)控設(shè)計(jì)主要采用LabVIEW軟件、博圖軟件和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。采集控制端主要由西門子S7-1200 PLC和各類水質(zhì)因素傳感器構(gòu)成。PLC主要負(fù)責(zé)控制水循環(huán)、采集傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作。上位機(jī)和下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信采用的是OPC通信協(xié)議［9］。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

此系統(tǒng)涉及到的主要自動(dòng)化專業(yè)課程包括：電器與PLC控制技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)等。

2 基于魚菜共生系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)改革

以開發(fā)魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，充分利用該系統(tǒng)涉及的知識(shí)和專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)改革，從而提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力。

2.1 電器與PLC控制技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革

我校電器與PLC控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備自2018年升級(jí)為西門子新型S7-1200，為更好地執(zhí)行專業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)型［10］，本門課程實(shí)驗(yàn)課增至24學(xué)時(shí)，理論課程主要講述低壓電器元件、電氣控制線路及其工作原理，S7-1200基本指令及編程基本原理。對(duì)于編程實(shí)踐主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)來(lái)完成。結(jié)合魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，增加的實(shí)踐環(huán)節(jié)有：

（1）硬件設(shè)計(jì)。①接觸器、繼電器、電磁閥等電器元件的選擇。②數(shù)字量、模擬量的輸入輸出信號(hào)分析。I／O分配表、端子接線圖、硬件接線設(shè)備。

（2）程序設(shè)計(jì)（基于博圖軟件）。①閥門開閉控制實(shí)驗(yàn)；②循環(huán)水自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；③模擬量量程轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)；④養(yǎng)殖水箱液位控制實(shí)驗(yàn)；⑤養(yǎng)殖水體溫度控制實(shí)驗(yàn)。

以魚菜共生系統(tǒng)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，將理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)上述實(shí)際工程項(xiàng)目的調(diào)研、設(shè)計(jì)、實(shí)施、完成全過(guò)程，使學(xué)生提升系統(tǒng)思維、工程意識(shí)，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

2.2 傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革

我校傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程包括24學(xué)時(shí)理論課，8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課。理論課主要講述各種類型傳感器的工作原理，實(shí)驗(yàn)課進(jìn)一步掌握各傳感器原理及其應(yīng)用［11］。結(jié)合魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，依賴所學(xué)理論知識(shí)，通過(guò)查資料、對(duì)比儀表參數(shù)、詢價(jià)等一系列實(shí)際操作為系統(tǒng)選擇合適的傳感器。為此，增加的實(shí)踐環(huán)節(jié)有：

（1）溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。掌握溫度測(cè)量的常用方法、熱電阻的特性、熱電偶傳感器的工作原理和應(yīng)用范圍。

（2）液位測(cè)量實(shí)驗(yàn)。掌握液位檢測(cè)的基本方法，理解各式液位檢測(cè)裝置的工作原理。

（3）溶氧測(cè)量實(shí)驗(yàn)。掌握溶氧分析儀器的分類、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

（4）pH值測(cè)量實(shí)驗(yàn)。掌握pH分析儀器的分類、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

（5）電導(dǎo)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)。掌握電導(dǎo)率分析儀器的分類、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

學(xué)生通過(guò)自主選擇所需傳感器，對(duì)各類傳感器的原理、參數(shù)、功能以及應(yīng)用場(chǎng)合有了更深層次的理解，做到活學(xué)活用。

2.3 軟測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)改革

我校軟測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用課程包括32學(xué)時(shí)理論課。主要講述軟測(cè)量基本原理、步驟及多變量統(tǒng)計(jì)建模、系統(tǒng)辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、模糊建模及遺傳算法和群智能優(yōu)化算法等［12］。課程主要偏重算法介紹，學(xué)生很難與實(shí)際相結(jié)合掌握方法的應(yīng)用。借助魚菜共生系統(tǒng)，學(xué)生可以完成如下實(shí)踐環(huán)節(jié)：

（1）軟測(cè)量主導(dǎo)變量和輔助變量的選擇。比如，選擇魚菜共生系統(tǒng)中的氨氮濃度為主導(dǎo)變量，溫度、溶氧、pH值、電導(dǎo)率為輔助變量。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理方法選擇及實(shí)現(xiàn)。

（3）氨氮濃度軟測(cè)量模型建立。包括基于多變量回歸、模糊模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等建模方法的仿真實(shí)驗(yàn)。

（4）氨氮濃度軟測(cè)量模型修正。包括模型短期和長(zhǎng)期校正方法，如參數(shù)更新或模型重建等。

以項(xiàng)目式教學(xué)方法，從輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模方法的選擇及模型修正等各方面與魚菜共生系統(tǒng)實(shí)際需求相結(jié)合，學(xué)生可以自主選擇編程語(yǔ)言進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，比如Matlab、C、Python等，這又與高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程有效地連接起來(lái)。通過(guò)算法實(shí)踐，不僅更好地掌握了各類軟測(cè)量方法的適用條件，還對(duì)軟測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中的作用有了更深入的認(rèn)識(shí)。

2.4 虛擬儀器技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革

雖然西門子S7-1200 PLC控制器程序設(shè)計(jì)和監(jiān)控畫面都可以在博圖軟件中實(shí)現(xiàn)，但為了實(shí)現(xiàn)更多、更簡(jiǎn)便的功能，更美觀的畫面，也可以采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境替代［13］。結(jié)合魚菜共生系統(tǒng)，虛擬儀器技術(shù)課程增加的實(shí)踐環(huán)節(jié)有：①魚菜共生系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)；②LabVIEW與PLC控制器通信實(shí)現(xiàn)；③溫度、pH值、溶氧等數(shù)據(jù)采集顯示；④液位超限、溶氧低限報(bào)警程序設(shè)計(jì)；⑤氨氮濃度計(jì)算及顯示程序設(shè)計(jì)。

通過(guò)一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)并了解LabVIEW程序設(shè)計(jì)及調(diào)試方法，熟悉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及信號(hào)分析、儀表控制等各種軟件模塊的應(yīng)用。

綜上，利用同一個(gè)魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選擇不同的側(cè)重點(diǎn)教授不同專業(yè)課程，不僅促進(jìn)了多門專業(yè)課程知識(shí)之間的融會(huì)貫通，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，對(duì)提升創(chuàng)新實(shí)踐能力具有重要作用。

3 實(shí)踐教學(xué)改革成果

以專業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)型為契機(jī)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)改革，以魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為依托，切實(shí)提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。通過(guò)上述實(shí)踐教學(xué)改革，學(xué)生在上述4門課中都得到了實(shí)踐鍛煉，實(shí)踐成果如圖2所示。

圖2 實(shí)踐教學(xué)改革成果

從電器與PLC控制技術(shù)課程中得出魚菜共生系統(tǒng)梯形圖程序；傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程中得到傳感器技術(shù)參數(shù)列表；軟測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用課程中學(xué)會(huì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序仿真；虛擬儀器技術(shù)課程中學(xué)會(huì)LabVIEW程序設(shè)計(jì)。除此之外，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、國(guó)家和省級(jí)各類競(jìng)賽以及研究生培養(yǎng)方面，都取得了較好的成果。 經(jīng)課程團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)，學(xué)生為主申請(qǐng)的以魚菜共生相關(guān)內(nèi)容為主題，獲批國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“魚菜共生系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”和省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的魚菜共生系統(tǒng)”。近3年來(lái)，獲得國(guó)家及省級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)10余項(xiàng)，包括2017年“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽省級(jí)三等獎(jiǎng)3項(xiàng)；2018年“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽省級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；2019年全國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)競(jìng)賽省級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；2019年“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽國(guó)家一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，東北賽區(qū)特等、一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)；2019年遼寧省普通高等學(xué)校大學(xué)生移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)大賽二等獎(jiǎng)等。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)改革、大創(chuàng)項(xiàng)目訓(xùn)練和競(jìng)賽創(chuàng)新能力提升，學(xué)生的科創(chuàng)能力和實(shí)踐能力得到了大幅度提升。學(xué)生參與獲批實(shí)用新型專利2項(xiàng)，軟件著作權(quán)5項(xiàng)，撰寫期刊論文2篇，目前已發(fā)表1篇［14］。團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)1名本科生獲得保研資格，1名考取研究生，畢業(yè)1名研究生［15］。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合我校海洋漁業(yè)特色，以魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)改革，推動(dòng)自動(dòng)化專業(yè)課程交叉融合，改進(jìn)海洋信息類特色人才培養(yǎng)模式，結(jié)合大創(chuàng)和各類競(jìng)賽，切實(shí)提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，取得了較好的效果，為實(shí)踐教學(xué)改革探索了一條有效的途徑。在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐過(guò)程中的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）多門專業(yè)課程交叉融合。根據(jù)海洋漁業(yè)特色，結(jié)合“魚菜共生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”涉及的4門自動(dòng)化專業(yè)課程，通過(guò)教師聯(lián)合研討授課，豐富了課程之間的融合和課程內(nèi)涵建設(shè)。除了4門課程，本系統(tǒng)還可拓展開發(fā)應(yīng)用到智能控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)課程的知識(shí)，如何將此類課程知識(shí)融合到魚菜共生系統(tǒng)將是未來(lái)繼續(xù)研究的工作。

（2）大創(chuàng)、競(jìng)賽與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。以魚菜共生系統(tǒng)為主題參與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)大賽、中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽、互聯(lián)網(wǎng)＋大賽等，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，還能促進(jìn)學(xué)生不斷探索，求實(shí)創(chuàng)新，切實(shí)提升實(shí)踐能力。