徐鑫航，蔣開(kāi)明，熊 霖，黃洪全

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引言

目前，工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入第四次工業(yè)革命的重要時(shí)期，而德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”又是這一時(shí)期的標(biāo)志性概念，即是以智能制造為主導(dǎo)的革命性的生產(chǎn)方法[1-2]。我國(guó)是世界工業(yè)大國(guó)，并穩(wěn)步向工業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。為了這一宏偉目標(biāo)，我國(guó)已進(jìn)行了偉大的戰(zhàn)略布局，提出“中國(guó)制造2025”并積極實(shí)施，明確工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化就是“工業(yè)4.0”，對(duì)于未來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

為了“中國(guó)制造2025”偉大戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，必須培養(yǎng)大量適應(yīng)時(shí)代需要的自動(dòng)化優(yōu)秀人才。高校想要培養(yǎng)優(yōu)秀的自動(dòng)化人才就必須改變傳統(tǒng)教學(xué)的模式，尋找學(xué)生在學(xué)習(xí)和科研上的問(wèn)題，再做出對(duì)應(yīng)的解決方案，才能有效、切實(shí)地提高學(xué)生的科研能力。

以自動(dòng)化專業(yè)中重要的核心課程《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》為例，各高校配置了各種“過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置”供學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用，但這些實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)來(lái)說(shuō)過(guò)于的呆板且實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性被大幅度的限制，學(xué)生進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也僅僅是依葫蘆畫(huà)瓢，改改參數(shù)而已，而對(duì)實(shí)驗(yàn)中的對(duì)象及其特性并未加以深入了解。因此，這是機(jī)械式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在根本上并未融入生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象中，從而難以在以后的工作崗位上快速地適應(yīng)復(fù)雜的自動(dòng)化大生產(chǎn)環(huán)境[3-5]。

為此，本文將探討如何在大學(xué)本科階段提高自己的科研能力，通過(guò)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于本科實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究從而提高自己的科研能力，使得學(xué)生一出校門就是一個(gè)合格的“準(zhǔn)工程師”，成為“中國(guó)制造2025”迫切需要的人才。

1 刻板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲焕诳蒲心芰Φ奶岣?/h2>

在高校傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，課程的學(xué)習(xí)課時(shí)較少，老師的教學(xué)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)很緊湊，而學(xué)習(xí)的內(nèi)容也比較深?yuàn)W和枯燥，從而對(duì)于正在學(xué)習(xí)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)的熱情會(huì)被逐漸消磨而難以去提高自身的科研能力。以《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》課程為例，其書(shū)本中有大量一階、二階、高階的公式及各種各樣的控制過(guò)程原理圖，學(xué)習(xí)的過(guò)程就會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)的消磨學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同樣《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》課程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)也存在著刻板守舊的授課思路，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，是在實(shí)驗(yàn)室中操作系統(tǒng)自身已經(jīng)設(shè)計(jì)好的組態(tài)圖中進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也只是單純的按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)箱電路連接，將實(shí)驗(yàn)箱和電腦主機(jī)相連接，通過(guò)組態(tài)軟件改變對(duì)應(yīng)參數(shù)得出不同實(shí)驗(yàn)的波形圖。這樣依葫蘆畫(huà)瓢的實(shí)驗(yàn)操作步驟，在簡(jiǎn)單機(jī)械式的工作下也只會(huì)消磨學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，毫無(wú)創(chuàng)新能力的過(guò)程對(duì)于學(xué)生科研能力的提高也毫無(wú)幫助。

其次，學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)的《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)閷W(xué)生一直是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的內(nèi)容來(lái)操作的，所以自身做實(shí)驗(yàn)時(shí)的思考量是不夠的，這樣就會(huì)讓學(xué)生走入一個(gè)很大的誤區(qū)：只要自己按照步驟做了實(shí)驗(yàn)，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果那么就是學(xué)會(huì)這門課程。其實(shí)這種學(xué)習(xí)過(guò)程的方向是錯(cuò)誤的，學(xué)生要明白實(shí)驗(yàn)課是為了論證理論知識(shí)的正確性，所以在學(xué)習(xí)的過(guò)程中學(xué)生未做到將理論知識(shí)和實(shí)踐有效結(jié)合是很難提高自身的科研能力。

2 提高大學(xué)生科研能力的措施

首先，各個(gè)高校想要提高學(xué)生的科研能力，一定要點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。古人云“萬(wàn)事開(kāi)頭難”，當(dāng)學(xué)生有了強(qiáng)大的學(xué)習(xí)熱情，那么他的科研能力也會(huì)隨著時(shí)間不斷地提升。在《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)上，現(xiàn)有的“過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置”都是事先設(shè)計(jì)好的物理模塊，或者是代辦的且數(shù)量有限的實(shí)體來(lái)代替實(shí)際生產(chǎn)中的被控對(duì)象；學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的所謂操作僅僅是改改參數(shù)而已，而對(duì)控制策略及被控對(duì)象的特性并未加以深入了解。所以學(xué)生從根本上并未融入生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象中，所以學(xué)生難以產(chǎn)生學(xué)習(xí)的熱情。

因此，高效的解決方案是將自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程“搬進(jìn)”實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)對(duì)實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的虛擬化再現(xiàn)，學(xué)生扮演著系統(tǒng)設(shè)計(jì)師與系統(tǒng)調(diào)試者的角色，進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的任意搭建，看著策略的多樣化設(shè)計(jì)，真正融入“現(xiàn)場(chǎng)”，自主實(shí)驗(yàn)，做到學(xué)校所學(xué)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的無(wú)縫連接。高?？梢允褂煤侠淼膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生們通過(guò)自己動(dòng)手在仿真軟件上任意搭建組態(tài)，模擬不同物理模型的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，親自動(dòng)手連接試驗(yàn)箱，輸出不同的波形圖。通過(guò)切實(shí)的參與和各位同學(xué)思維的碰撞，極大地活躍了實(shí)驗(yàn)課氣氛，調(diào)動(dòng)了每位同學(xué)的積極性，利于提高學(xué)生的科研能力。學(xué)生也可以通過(guò)調(diào)節(jié)仿真程序上組態(tài)圖的自變量去觀察因變量的變化，通過(guò)對(duì)實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的虛擬化，能夠身臨其境地感受到現(xiàn)實(shí)工程的運(yùn)行，更加形象地感受到理論知識(shí)，激發(fā)科研熱情，從而有足夠的動(dòng)力去投身于科研中。

其次，學(xué)生要將理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合才能更好地理解如何將理論知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中。如在《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》的課程中主要是和控制系統(tǒng)、傳遞函數(shù)打交道。以二階慣性環(huán)節(jié)為例，如公式2-1所示，單從抽象的函數(shù)是很難深刻理解其公式的意義，但如果將公式放在具體的工程實(shí)例中，在虛擬化系統(tǒng)中進(jìn)行模擬就很好地去理解公式的原理和作用。

學(xué)生可以在虛擬系統(tǒng)中搭建一個(gè)水箱調(diào)節(jié)水位狀態(tài)的組態(tài)圖，將二階慣性環(huán)節(jié)賦予單容水箱的定值控制實(shí)驗(yàn)中完成實(shí)驗(yàn)步驟，觀察組態(tài)圖的動(dòng)態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與水箱液位為被控對(duì)象，水箱的液位為被調(diào)量。系統(tǒng)的執(zhí)行軟件為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它控制對(duì)水箱供水的管道的流量，以調(diào)節(jié)水箱液位，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制電壓為實(shí)驗(yàn)的主控制變量。其中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成：

水箱液位傳遞函數(shù)也為一階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成：

系統(tǒng)的廣義被控對(duì)象傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成：

通過(guò)組態(tài)圖的構(gòu)成和慣性環(huán)節(jié)控制的輸入量、輸出量可以得出單容水箱液位定值控制的系統(tǒng)框圖（圖1）和原理圖（圖2）。這樣的學(xué)習(xí)延展了學(xué)生的思維能力，極大地加強(qiáng)了學(xué)生的思考量，有力地提升了學(xué)生獨(dú)自處理問(wèn)題的能力。

圖1 單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖2 單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)原理圖

因此，學(xué)生可以通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥、水箱的時(shí)間常數(shù)和增益，在組態(tài)圖的動(dòng)態(tài)變化下，觀察電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和水箱液位的變化規(guī)律，也可以從響應(yīng)曲線上讀出系統(tǒng)的超調(diào)量、峰值時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。這樣就通過(guò)虛擬系統(tǒng)形象的將生硬的慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)和大量的數(shù)據(jù)活靈活現(xiàn)地展示給學(xué)生，降低了學(xué)習(xí)的難度，提高了學(xué)習(xí)興趣，又大大提高了學(xué)生的科研能力。

將思維從《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》這門課程中跳出來(lái)，映射到自己學(xué)過(guò)的其他課程中，將單一的思維發(fā)散開(kāi)來(lái)是科研能力提升的必要途徑。比如，一階、二階慣性環(huán)節(jié)還可以應(yīng)用在有電容、電感的電路中，學(xué)生可以通過(guò)電路參數(shù)去更好地理解一階、二階慣性環(huán)節(jié)的原理。

最后，學(xué)生也應(yīng)該增加自身的思考量，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，這是科研學(xué)者必須要具備的能力。如在《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》的學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到了一些復(fù)雜的高階環(huán)節(jié)，但可以通過(guò)自己的方法將高階環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)，這樣就將分析的難度降低，增加自身的理解。本文以公式（2-5）所示的三階環(huán)節(jié)為例。

將三階環(huán)節(jié)公式化簡(jiǎn)為三個(gè)低階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成，如下公式（2-6）所示。

將高階系統(tǒng)降為由多個(gè)慣性環(huán)節(jié)相加的形式，降低了階次，便于觀察現(xiàn)象和計(jì)算數(shù)據(jù)。這樣讓學(xué)生一步一步地動(dòng)手實(shí)踐，按照步驟和方法多做幾遍，不要懼怕困難，工作量上去了，自然科研能力就得到了強(qiáng)化。

3 總結(jié)

本文以《計(jì)算機(jī)過(guò)程控制》的學(xué)習(xí)過(guò)程為例，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)提出的“中國(guó)制造2025”決策，提出了高校提升大學(xué)生科研能力存在的問(wèn)題：刻板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲焕诳蒲心芰Φ奶岣?。針?duì)上述提出的問(wèn)題，詳細(xì)論述了提高大學(xué)生科研能力的措施：通過(guò)高校搭建的虛擬系統(tǒng)讓學(xué)生加強(qiáng)理論和實(shí)踐的結(jié)合提高學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)發(fā)散性思維加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)生獨(dú)自思考的能力將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化等這些措施。高?？梢酝ㄟ^(guò)自身改善教學(xué)方式，在實(shí)驗(yàn)室搭建虛擬系統(tǒng)等措施去提升本科生的科研能力，但大學(xué)生想要在走出校門的時(shí)候就成為一名“準(zhǔn)工程師”，也要靠自身的學(xué)習(xí)能力和自律能力去提高自身的科研能力。相信這樣的大學(xué)生會(huì)成為一名符合“中國(guó)制造2025”決策的高端人才，為國(guó)家社會(huì)做出貢獻(xiàn)。