王仲莉，宋 強，2，馮文豪，高國剛

（1.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)工學院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

0 引言

羅克韋爾集成商大連鋰工科技有限公司向中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)捐贈工業(yè)自動化設備，與校區(qū)合作共建羅克韋爾工業(yè)自動化創(chuàng)新中心（以下簡稱中心），作為校區(qū)科研、教學、工程應用基地。中心建設之初，主要承擔面向機械專業(yè)學生開設的《機電系統(tǒng)綜合設計》課程。該課程為機械專業(yè)的專業(yè)實踐必修環(huán)節(jié)之一，主要培養(yǎng)學生綜合設計以及解決工程實際問題的能力。教育部、國家發(fā)展和改革委員會、財政部關(guān)于引導部分地方普通本科高校向應用型轉(zhuǎn)變的指導意見中指出轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要任務包括建立行業(yè)、企業(yè)合作發(fā)展平臺，產(chǎn)學結(jié)合，提高實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新應用型技術(shù)技能型人才[1]。因此，基于中心設備，利用企業(yè)的技術(shù)支持，充分發(fā)揮企業(yè)的導向作用，設計出與工程實際相結(jié)合的實踐項目，是現(xiàn)在教學工作亟待解決的問題。

1 實驗中心現(xiàn)狀

該中心硬件設備包括不同規(guī)模的可編程邏輯控制器、變頻器、伺服驅(qū)動器、人機界面等工業(yè)自動化設備，以及多種與現(xiàn)場實際相關(guān)的被控對象。軟件系統(tǒng)包括CCW、Studio5000編程軟件等。針對現(xiàn)有設備，開發(fā)的實踐項目有三軸寫字機運動控制、滾珠絲杠滑臺運動控制、小型手臂機器人運動控制、小型并聯(lián)機器人運動控制等。該實踐項目未經(jīng)教學檢驗，在后續(xù)的教學過程中，著重對以下方面進行優(yōu)化和改進。

1.1 實踐項目設計優(yōu)化

實踐項目是為了使學生鞏固和加深理論知識，將典型技術(shù)和技能達到統(tǒng)一和實用而進行的教學，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)，為學生理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學掌握科學方法和提高動手能力提供支持和服務[2]。

實踐項目應體現(xiàn)綜合性。《機電系統(tǒng)綜合設計》是對前面所學電工電子學、測量檢測、計算機接口和應用、控制工程、機電傳動控制以及機械工程基礎等課程知識的綜合運用。因此，實踐項目要能涵蓋學生大學所學的多門學科知識，使學生能對不同知識加深理解以及融合運用。

實踐項目應與生產(chǎn)實際相結(jié)合。很多學校由于資金、場地等的限制，實驗室基礎硬件設施更新?lián)Q代不夠及時，很難與時俱進，與企業(yè)的生產(chǎn)需求脫節(jié)。中心是由校企協(xié)同共建的，控制系統(tǒng)的核心部件如控制器、變頻器、伺服電機、伺服驅(qū)動器及人機界面等都是工業(yè)級的，被控對象也是根據(jù)現(xiàn)場實際設備做的教學對象?；谂c企業(yè)需求緊密結(jié)合的硬件設備，借助企業(yè)資源服務人才培養(yǎng)，讓企業(yè)專家參與到課程的設計工作中，建立產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的人才培養(yǎng)模式[3]。

實踐項目應有可操作性。實踐項目的難易程度要適中，難度較小，學生的主觀能動性會大大降低，不能達到鍛煉學生的目的；難度較大，大部分學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成不了，會增加學生的挫敗感，打消學生的積極性。合適的難易程度使學生能夠經(jīng)過一定的努力完成項目，既可以激發(fā)學生的興趣不斷探索，又能在實驗完成時有一定的成就感，增加課堂活力。

1.2 教學過程優(yōu)化

《機電系統(tǒng)綜合設計》是專業(yè)實踐環(huán)節(jié)，在教學過程中，要側(cè)重培養(yǎng)學生自主學習、自主設計的能力，實施以學生為中心的啟發(fā)式、合作式、參與式的教學方法。在后續(xù)的教學過程中，應設計一套符合該課程的教學方法以及考核標準。

2 教學實踐

中心初步開發(fā)的實踐項目經(jīng)過一年教學的檢驗，發(fā)現(xiàn)存在教學內(nèi)容不夠豐富、實驗設備利用率較低等問題。針對存在的問題，做出以下改進。

2.1 實驗設備改造

（1）實驗室建設之初，硬件設備的接線是通過螺絲固定的。由于部分設備存在多個被控對象共用控制器I/O端子的情況，因此在使用不同的被控對象時需要頻繁對螺絲進行操作，螺絲的使用壽命大大降低。針對此類情況，將該部分接線改造成插拔式的接線端子。

（2）中心的工控機、控制器、變頻器、人機界面等是由企業(yè)工程師設置好靜態(tài)IP地址，通過以太網(wǎng)連接，進行通訊?，F(xiàn)改為在實驗過程中，由學生自主完成靜態(tài)IP地址的設置，以太網(wǎng)的連接，不僅可以使教學內(nèi)容更加飽滿，而且能夠加深學生對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理解。

（3）將工控機與外網(wǎng)連接，增加攝像頭，為后續(xù)線上課程做準備。

2.2 綜合實踐項目內(nèi)容的改進及擴展

原實踐項目主要包括對硬件設備的認識以及通過PLC編程和人機界面組態(tài)，達到控制被控對象運動的目的。經(jīng)過教學檢驗，發(fā)現(xiàn)實驗內(nèi)容不夠豐富，既沒有最大化利用實驗室的設備資源；課堂內(nèi)容又不夠飽滿，僅鍛煉學生編程方面的邏輯思維能力。通過對實驗設備進行改造，實踐項目中增加硬件設備線路連接、設備調(diào)試和設備組網(wǎng)內(nèi)容，加強對學生動手能力的培養(yǎng)，加深對PLC應用以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的認識。改進后的實踐項目，需要學生對課題有綜合設計意識，完成控制需求分析、系統(tǒng)組成的確定、硬件系統(tǒng)配置及組網(wǎng)、I/O點分配、設計控制程序、程序的下載及調(diào)試等工作。

2.3 增加其他課程的實踐項目

中心原只開設《機電系統(tǒng)綜合設計》一門課程，實驗室利用率較低。現(xiàn)增開《可編程控制器邏輯及應用》課程，但原有的綜合性實踐項目并不適用。針對該課程，需設計單一知識點的課內(nèi)實驗項目。可以將原綜合性實踐項目拆分成多個題目，主要涉及PLC編程與人機界面組態(tài)，每個實驗包含2～3個重要知識點。

針對文化潤疆工程，為克拉瑪依市中學生開展符合認知水平的實驗項目。該實驗項目根據(jù)被控對象的不同劃分為多個模塊，每個模塊中又有簡單模式和困難模式，簡單模式考查的知識點比較單一，只有簡單模式的題目通過后方可操作困難模式的題目。

實踐內(nèi)容的改進及擴展，使課堂教學內(nèi)容更加多元化，可為多門課程服務，提高實驗室的利用率。

2.4 線上實驗模式的開發(fā)

特殊時期，有學生滯留在家，無法到現(xiàn)場完成實驗。針對此情況，中心開設了線上實驗的功能。學生可遠程操作中心的設備，通過工控機連接的攝像頭可以觀察到設備運行情況。除本校區(qū)學生可在線上完成實驗以外，北京校區(qū)學生也可通過遠程操作，利用中心設備，完成部分課內(nèi)實驗。后續(xù)還將為克拉瑪依市中學生開放線上課程的功能，學生可在實驗平臺完成實驗內(nèi)容的學習及測試、實驗項目的預約及操作等功能。

線上實驗模式的開發(fā)，打破了時間和地域的限制，既能解決特殊時期線下教育的局限性；又能更加合理地利用北京校區(qū)和克拉瑪依校區(qū)的實驗室資源和教師資源，增加設備利用率；還能夠拓寬高校教育資源的適用范圍，為克拉瑪依地區(qū)中學生提供高質(zhì)量科技教育服務，推動克拉瑪依教育的發(fā)展。

2.5 教學環(huán)節(jié)的設計

傳統(tǒng)的教師講解、學生操作、設計報告的教學方式，學生被動接收知識，實驗過程中遇到問題不能獨立思考解決，分析問題、解決問題的能力較低，很多學生即使完成實驗，仍然對實驗內(nèi)容中部分知識不理解，課堂上的主動性與積極性不高，實驗完成后成就感不強，實驗的興趣大打折扣。因此，想讓學生積極主動實驗，提高解決工程實踐問題的能力，對以下幾方面進行了改革。

（1）改變傳統(tǒng)的教學方式。《機電系統(tǒng)綜合設計》課程，每組學生的題目不同，學習能力不同，學習進度不同，教師統(tǒng)一講解的內(nèi)容及時間不能兼顧所有學生，可采用少量集中授課、大量自主學習、日常分散指導的方式進行教學。在課程初始及處理學生的共性問題時，可采用集中授課的形式。因是針對某一個具體問題進行講解，每次授課時間不宜過長，學生不僅容易集中精力，且可在講解后迅速進行實踐檢驗，加深對知識的運用及理解。課前將硬件設備的操作、編程軟件的使用、編程指令的使用、被控對象的介紹等內(nèi)容錄制成不同的教學視頻，學生可根據(jù)個人的操作進度，隨時進行教學內(nèi)容的學習及回顧。在學生日常學習過程中，教師要時刻關(guān)注并掌握學生的設計進度，能在其遇到問題時及時給予指導。除視頻資源外，學生還可以利用提供的相關(guān)文件資料及線上資源，完成項目的設計及操作。采用新的教學方式，兼顧了學生的個人學習進度，擴大了學生自主學習權(quán)，增強了學生學習深度及寬度。

（2）增加實踐項目的擴展性。由于被控對象種類的限制，存在不同組學生使用同一種被控對象的現(xiàn)象，若實驗要求完全一致，可能會降低部分學生學習的主動性，增加抄襲的概率。且學生對課題鉆研的興趣程度不一，學習能力強弱不同，若以相同的設計標準要求，不能完全反映學生的學習情況。針對該現(xiàn)象，教師只設定完成的基本目標，在此基礎上，學生自行設計細節(jié)，除完成要求的目標外，也可設計實現(xiàn)更多功能。學生自己參與到實踐項目的設計中，不僅僅能夠避免抄襲問題，而且能夠滿足不同學習能力學生的學習需求，提高學生的學習興趣，增強學生的主動性。

（3）優(yōu)化考核標準?？己藘?nèi)容包括實踐操作、設計答辯及設計報告三部分。增大過程考核的力度，即實踐操作成績不僅考查最后設計完成情況，而且要在項目實踐過程中，分時段對項目進度進行檢查，既可以督促學生合理安排時間，促進學生有效學習，又能夠在進度考核中及時發(fā)現(xiàn)學生的問題并給予相應指導。由于實踐過程中是兩人一組，為避免出現(xiàn)“組內(nèi)代勞”的情況，對于日常表現(xiàn)不積極、完成工作量較少的學生單獨進行答辯。針對實踐項目的擴展性，在每一項考核內(nèi)容中制定由低到高三個等級的評分標準：第一級，完成項目給定的基本目標，基本沒有自主設計內(nèi)容；第二級，增加自主設計內(nèi)容，但設計內(nèi)容簡單；第三級，增加的自主設計內(nèi)容相對復雜。

3 教學案例

以小型手臂機器人（如圖1）運動控制為例。該實踐項目的基本目標：為機器人設置運動路徑（至少包含3個不同的坐標位置），編寫PLC程序使三軸配合，實現(xiàn)不同坐標位置的連續(xù)運動以及到達某個坐標位置的點動控制；能通過人機界面完成對機器人的上述控制。

圖1 小型手臂機器人

學生完成該實踐項目的步驟如下。（1）調(diào)試硬件設備。根據(jù)題目要求，學生需要確定項目所需硬件設備，完成控制器輸入輸出端口與被控對象之間的連接、設備靜態(tài)IP地址的設置、設備網(wǎng)絡連接等工作。（2）確定實際目標。在完成項目基本目標的基礎上，確定實際完成目標。根據(jù)目標任務，對項目進行分析，完成設計方案。（3）實施方案。完成PCL梯形圖程序的編寫及人機界面組態(tài)工作，根據(jù)被控對象的運動狀況對程序進行調(diào)試。教師對項目的操作部分進行驗收。（4）撰寫設計報告。學生根據(jù)項目完成情況，撰寫報告。圖2為學生所做項目的人機界面組態(tài)情況。項目完成三個坐標位置的循環(huán)往復運動、每個坐標位置單獨運動，并可實現(xiàn)運動過程中暫停、回到初始位置和清除軸錯誤的功能。根據(jù)最終實現(xiàn)功能，在項目擴展性方面可評為第二級。

圖2 人機界面組態(tài)

4 結(jié)語

經(jīng)過校企教師精心設計、整合后的實踐項目內(nèi)容飽滿，能夠考查學生對多門學科知識的理解和運用；被控對象是根據(jù)工程實際對象簡化的模型，符合當前行業(yè)的實際需求；學生可根據(jù)自身情況，對實踐項目進行自主設計，可操作性強。經(jīng)過教學檢驗，學生反應良好，既考慮了學生學習能力的差異性，又能提高學習自主學習的積極性。學生在完成實踐項目的過程中，增強了分析問題、解決問題的能力。