主頁 > 技術文章 > 試析自動化專業實驗實訓室建設與實踐教學體系改革 2022-03-28

試析自動化專業實驗實訓室建設與實踐教學體系改革

摘要：介紹了自動化專業原有實踐教學體系在運行中的經驗和問題。結合新形勢下高等院校人才培養目標及自動化專業的學科特點，闡述了建立自動化專業實驗實訓室、構建新的實踐教學體系的必要性。從實驗實訓室建設和實踐教學體系構建到實踐教學運行質量控制等方面進行了探索和實踐，經實際運行證明，相關經驗對工科實踐環節的建設有顯著的借鑒價值。
培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才歷來都是工科院校的首要任務。而2012年教育部啟動的卓越工程師教育培養計劃，主要目標是“面向工業界、面向世界、面向未來，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才”，為工科高等院校的人才培養提出了更高的要求。那么，作為這一計劃的主體，怎樣利用校內資源加強這方面的工作？顯然，加強基于模擬工業場景的實驗實訓室的建設是培養學生實際操作能力、綜合實踐能力和創新精神必不可少的條件。
一、實驗實訓室建設背景：
　　電子信息與電氣工程系是大專院校院系，實驗室較多，設施相對齊全，部分實驗室的設備配置達到較高層次。自動化專業本科生教育教學培養方案中，顯著加強了實踐和創新能力的培養，實驗環節的設置上更注重設計性和綜合性實踐環節。但是，從核心專業的建設和學生實踐鍛煉環節來看，這樣的設置仍缺乏系統性和整體性，實驗所涉及的知識是離散的，實驗的內容和操作過程與生產實際亦有較大出入，甚至會產生誤導。
　　在每年一次的自動化專業課程建設研討會上，校企合作單位的專家在參觀了現有實驗室并給予肯定的同時，也提出了改進意見，其中包括如何通過實驗提高學生動手能力和樹立工程概念，培養創新能力。
　　針對這一情況，根據自動化專業學科特點，電子信息與電氣工程學院以現有實驗室為依托，以自動化核心專業為重點，圍繞貼近生產實際的基本任務，籌建了自動專業相關實驗實訓室，并構建了新的實踐教學體系。
二、自動化專業實驗實訓室：
　　自動化專業的核心專業課程包括“自動控制”、“運動控制”、“過程控制”、“集散控制”、“可編程序控制器原理用其應用”等，并設有專門的實驗室。然而，原有的實踐教學體系單純以課程為基礎設置，實驗室主要完成相關課程知識的驗證和鞏固，各實驗之間基本無關聯。這樣會造成學生無法將知識系統化，難以建立關系到多課程的系統性概念。即便是綜合性、設計性實驗，也由于實驗裝置的過度模塊化、集成化，使得在為學生提供模擬實際的操作中顯得力不從心，而難于將專業知識系統化并與工程實際相聯系。實訓室的建立將成為多課程知識系統化的紐帶，理論與工程實踐聯系的橋梁。
　　1.電工基礎實訓室
　　包括電子實訓和電工基本操作，培養學生對常用電工儀表和電子儀器的使用及測量技能。主要完成對電子線路認識、焊接、測試，對電器元件、電機的認識和基本電氣控制線路接線、調試，機床電氣控制線路的調試、故障排除和維修。可用于認知實習、生產實習以及維修電工的技能鑒定訓練。
　　2.過程控制與集散控制實驗實訓室
　　將原有的傳感器實驗室、過程控制實驗室、運動控制實驗室和PLC實驗室相結合，模仿工廠的生產線，以過程控制實驗室為基點，其他單個實驗室相當于生產車間，通過網絡把各實驗室串起來，構成過程控制和集散控制實訓室。以自動控制理論為核心，將傳感器、運動控制、過程控制、PLC等相關課程知識系統化，使學生對所學理論知識有更直觀的認識。實訓對象形象逼真，接近工業現場的實際應用，學生很快就能適應現場的工作。本實訓室除了要完成各課程的基本實驗外，還可用于課程設計和畢業設計。
　　3.工業控制技術綜合實驗實訓室
　　在現代工業自動化控制中，PLC因其配置靈活、使用方便、安全可靠等特點，使用越來越廣泛，技術更新也越來越快。PLC、變頻器、伺服控制、觸摸屏等已成為當今工業現場的主流電氣控制裝置。該實訓室按照勞動和社會保障部頒發的“工人技術等級標準”和職業技能鑒定規范的內容要求，根據電工培訓考核的實際情況而設計的集學習、理論、驗證、實際操作能力培養等功能為一體的多功能設備。采用標準網孔板設計，可在該平臺上任意安裝、拆卸電氣元件，設計、搭建自己的控制電路。實驗平臺完全開放，整體實訓設備以三菱FX1N-40mR（輸入24點，輸出16點），也可選擇西門子、歐姆龍工業級產品為主，以步進電機、三相異步電機、伺服電機等為控制對象，完全按照工業現場常見控制工藝配置器件，從而提供一個完全真實的工業現場操作平臺。
該實訓室可進行PLC基本技能、PLC模擬控制實訓、PLC實物模型控制實訓、變頻調速控制實訓、觸摸屏控制實訓、工業總線網絡實訓等，主要用于自動化專業和電氣工程及其自動化專業的生產實習、畢業設計，還可利用PLC與過程控制實訓室的工業對象構成一個基于PLC的過程控制實訓項目或集散控制系統。
三、新的實踐教學體系
　　無論多好的實驗硬件設施，如果沒有相應的教學管理體系作保證，也只能是一種擺設。根據自動化專業的學科特點，通過分析、論證，構建了注重工程實踐能力培養的模塊化、系統化、貫通式實踐教學體系。
　　新的實踐教學體系把貫穿于大學四年的實踐教學環節分成專業基礎實驗（如模電、數電、微機原理等，以驗證為主）、專業課程實驗（以綜合性、設計性為主）、課程設計、電機電器實訓、工業控制技術實訓和畢業設計幾大模塊，分別在基礎層、提高層、研究與創新層三個層面上開展，后者注重各實驗的系統化連接以及與工程應用的聯系，強化學生工程實踐能力與創新能力的培養。
四、實踐教學管理
　　1.實驗實訓室管理
　　由于缺少專職實驗教師，實驗實訓室總體上由實驗中心負責日常管理，包括實驗時間協調、實驗裝置維護、實驗室衛生等，而實驗實訓任務的實施主要由任課教師和實訓指導教師負責完成。
　　實驗實訓任務可分為三大類：一種為培養計劃內任務，即單課程實驗（驗證型、綜合型和設計型實驗）；一種是操作能力訓練，如電機電器實訓、工業控制技術實訓等；一種為自主、創新性活動，如大學生電子科技創新大賽、自主選題實驗、畢業設計等。
　　培養計劃內實踐任務主要是按照教學內容，通過實驗對重要定義和概念進行驗證。任課教師在學期初將計劃書交予實驗中心，由實驗中心協調安排實驗課表，并做好硬件保障。學生在任課教師的指導下，根據實驗任務要求完成各類實驗操作，并將實驗結果以報告的形式完成。對于設計型、綜合型實驗，指導教師以實驗室（可以是不同課程實驗室）所能提供的設備，精心選擇布置實驗題目，學生根據實驗題目要求，自行設計實驗過程，分析、計算實驗結果，以達到使課程知識系統化的目的。
　　操作能力訓練，以維修電工技能培訓、生產實習等形式開展。指導教師負責實訓內容的確定及在此期間的管理。
　　對于自主、創新活動，學生自選實驗內容、實驗時間和指導教師，充分滿足不同學生的需要。實驗的過程及結果由指導教師負責。
　　2.實踐教學體系運行控制
　　為保證新的實踐教學體系的運行質量，必須對原有實踐教學環節的內容、教學方法和教學模式進行相應的改革。
　　（1）綜合型、設計型實驗項目的設置以培養學生對課程知識的綜合、分析能力為目的；課程設計項目的設置應與實用性及工程實踐、新知識的工程應用緊密結合，培養學生的分析、設計和動手能力。
　　例如，在進行過程控制系統課程設計時，教師只給出實物對象和控制要求，由學生根據實驗室現有的傳感器、控制器、執行機構等裝置，自行設計、選擇控制裝置，完成系統的構建、接線、參數整定。在此過程中，學生將自動化控制原理、過程控制系統、傳感器原理與應用、MATLAB仿真等課程知識結合在一起，形成了系統的概念，培養了專業實踐能力。
　　（2）實訓項目的開展采用任務引導的方式進行，激發學生的專業興趣、培養學生的實際操作和工程實踐能力。實訓的重點主要放在建立基本概念、了解基本功用、鍛煉動手能力的基礎上，不過多的介紹復雜的理論知識。
　　例如，在進行電機電器實訓初期，首先讓學生認識各種元器件的實物，了解其功能，然后教師結合實物對象和任務進行講解，并指導學生完成任務功能。課后要求學生結合課本或查閱資料自學實訓中用到的各種器件的工作原理，激發學生的專業學習興趣。在接下來的實訓中，教師只布置實驗任務，簡單講解實現任務的過程，對于回路設計和具體接線等諸多問題，由學生在具體實踐中通過查閱資料、小組討論、獨立思考等形式將問題逐一化解，抽象的理論知識迅速消化并轉化為自己的思路和想法，逐步完成線路設計、接線和功能實現。從實訓結果來看，大多數學生完成了教師要求的任務，一部分學生還通過小小的改動實現了不同的功能，這也大大增強了學生的自信心，激發了學生繼續探索的動力，形成了一個良性循環。令人欣慰的是，在實訓過程中，面對同一任務要求，還經常有不同“版本”的實現方法出現，并對電機拖動、調速方法等相關理論問題充滿好奇，為后續課程的學習奠定了基礎。
　　（3）實踐教學的效果很大程度上取決于指導教師的精力投入。為保證實踐教學的質量，必須配備有豐富實踐經驗和責任心強的指導教師進行實訓指導，而且學校應建立相應的激勵機制，最大程度地調動教師的工作積極性。

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