王躍飛，李紅星，張曉培，袁雪鵬，黃宜軍

(欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

自主性實(shí)驗平臺在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式中的研究與探索

王躍飛，李紅星，張曉培，袁雪鵬，黃宜軍*

(欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)模式大多采用驗證性實(shí)驗，學(xué)生"照方抓藥"，實(shí)驗室設(shè)備及教學(xué)課時有限，客觀上束縛了學(xué)生工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了改進(jìn)實(shí)驗教學(xué)模式，針對現(xiàn)有資源，將實(shí)驗室上位機(jī)、控制裝置及控制對象裝置"單元化"，設(shè)計了一種異構(gòu)設(shè)備的自主性實(shí)驗平臺。實(shí)踐表明，自主性實(shí)驗的實(shí)施明顯改善了實(shí)驗教學(xué)效果，提高了學(xué)生參與實(shí)驗的積極性和主動性，更有力地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力，對轉(zhuǎn)變實(shí)驗教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)綠色教育有一定貢獻(xiàn)。

自主性實(shí)驗；異構(gòu)設(shè)備；單元化；綠色教育

深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的新課程改革發(fā)展理念，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才[2-4]，促進(jìn)工程教育改革和創(chuàng)新，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。在教育部印發(fā)的《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》〔2012〕文件中，要求要創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，增加實(shí)踐教學(xué)比重，提升高?？萍紕?chuàng)新能力[1]。在高校教育中，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的最有效環(huán)節(jié)就是實(shí)驗環(huán)節(jié)，實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容、方法和效果的優(yōu)劣直接影響到了新一代卓越工程師的培養(yǎng)。因此，我們對現(xiàn)存的實(shí)驗教學(xué)問題進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行深化改革，轉(zhuǎn)變實(shí)驗教學(xué)體系，為培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、科學(xué)素養(yǎng)高的優(yōu)秀畢業(yè)生搭建良好的實(shí)驗教學(xué)平臺。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗?zāi)Ｊ?/h2>

在傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)模式中，實(shí)驗指導(dǎo)書以驗證性實(shí)驗居多，方法經(jīng)典，步驟詳細(xì)，并且專業(yè)實(shí)驗室的設(shè)備全部是購置的成套裝置，系統(tǒng)內(nèi)部連接完備，界面開發(fā)成熟，學(xué)生只需設(shè)定參數(shù)、啟動設(shè)備，按部就班的完成實(shí)驗即可。以過程控制實(shí)驗為調(diào)查對象，對歷屆學(xué)生的實(shí)驗報告進(jìn)行抽樣，其抽樣結(jié)果如圖1所示，實(shí)時曲線及分析雷同，結(jié)果都是4:1的衰減比。

圖1 抽樣結(jié)果圖

根據(jù)自動化學(xué)生的實(shí)驗報告統(tǒng)計，在2014～2016期間，實(shí)驗報告的雷同率最高可達(dá)90%以上，不同之處大多是因報告書寫格式、順序及表達(dá)不同造成，且雷同率呈逐年增長趨勢。

通過以上分析，可以將傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)模式概括為三個"多于"：內(nèi)容上驗證型多于設(shè)計型；方法上經(jīng)典多于創(chuàng)新；實(shí)踐上演示多于演練。這三個"多于"客觀上形成了學(xué)生過分依賴?yán)蠋熀椭笇?dǎo)書的局面，忽略了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，降低了學(xué)生自主設(shè)計、自主操作的能力，限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2 自主性實(shí)驗的研究

在實(shí)驗學(xué)習(xí)中，通過嘗試各種不同的實(shí)驗設(shè)計，對比并進(jìn)行優(yōu)化，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升和鍛煉學(xué)生的能力，根據(jù)實(shí)驗室現(xiàn)有實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行單元整合，搭建一種異構(gòu)設(shè)備的自主性實(shí)驗平臺，使其不僅能滿足多門專業(yè)課程的實(shí)驗教學(xué)要求，而且有利于提高學(xué)生實(shí)際動手能力和自主創(chuàng)新能力。

2.1 平臺結(jié)構(gòu)

異構(gòu)設(shè)備的自主性實(shí)驗平臺是以實(shí)驗室現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，將實(shí)驗室中的過程對象裝置、控制裝置及上位機(jī)等作為獨(dú)立的"單元"。按照"單元化"思想可分為對象單元、控制單元、上位操作單元和輔助單元四個部分，具體的平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

對象單元可以提供教學(xué)實(shí)驗或自主實(shí)驗的不同類型實(shí)驗對象；控制單元可以提供不同類型的控制裝置；上位操作單元根據(jù)選用的控制裝置采用不同的監(jiān)控軟件設(shè)計人機(jī)交互界面和系統(tǒng)編程設(shè)計；輔助單元提供對象與控制裝置之間的連接電纜及所需的信號轉(zhuǎn)換器，控制裝置與上位機(jī)的通信連接電纜及相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換設(shè)備[5]。由四個單元可以構(gòu)成不同對象、不同控制類型的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)教學(xué)實(shí)驗和自主實(shí)驗。各單元的主要設(shè)備見表1。

圖2 平臺實(shí)物結(jié)構(gòu)框圖

序號單元名稱裝置設(shè)備1對象單元CS4000型過程裝置;HSA-1型過程裝置;管式電阻爐2控制單元C3000智能調(diào)節(jié)記錄儀控制臺;DDC計算機(jī)直接控制I/O模塊控制臺;3上位操作單元PLC-200控制臺;PLC-300控制柜;PLC-400控制柜4輔助單元PC機(jī)、操作系統(tǒng)軟件和不同的監(jiān)控軟件(WinCC、MCGS、組態(tài)王等)組成。

2.2 自主性實(shí)驗原理

以水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)驗為例，要完成此實(shí)驗的自主性設(shè)計，需要從以下幾個方面逐步實(shí)施：

(1)方案設(shè)計。通過自主學(xué)習(xí)，熟悉實(shí)驗設(shè)備，根據(jù)實(shí)驗要求，確定被控系統(tǒng)開關(guān)量及模擬量的I/O點(diǎn)數(shù)，估算內(nèi)存，選擇各個單元，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計圖

(2)明確設(shè)計的結(jié)構(gòu)配置和端子接線。掌握CS4000過程裝置的結(jié)構(gòu)原理、檢測控制參數(shù)的類型及數(shù)量(上中下水箱水位測量及所用壓力變送器、主副管流量測量及使用的流量儀表、加熱水箱的溫度測量及溫度測量傳感器；主副管流量控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型、水箱溫度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)及裝置的總體接線；依據(jù)確定的I/O點(diǎn)數(shù)，設(shè)計S7-300PLC控制柜的結(jié)構(gòu)配置及端子接線；確定上位監(jiān)控軟件及系統(tǒng)編程軟件。

(3)硬件連接及軟件開發(fā)。根據(jù)以上設(shè)計選擇通訊方式，畫出程序流程圖或功能圖，完成上位界面開發(fā)、下位組態(tài)的編程及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

(4)系統(tǒng)調(diào)試。對程序進(jìn)行模擬調(diào)試和修改，同時完成實(shí)驗室輔助單元和上下位之間的通訊連接，最后進(jìn)行實(shí)驗參數(shù)的整定，得到實(shí)驗數(shù)據(jù)與實(shí)時曲線。

(5)結(jié)論分析。結(jié)合專業(yè)課程理論知識，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及整合，完成實(shí)驗報告。

3 自主性實(shí)驗的應(yīng)用分析

這里以實(shí)驗教學(xué)中水箱液位串級控制系統(tǒng)為例分析自主性實(shí)驗?zāi)Ｊ降膶?shí)施與效果。圖4抽取的是兩組由學(xué)生自主設(shè)計系統(tǒng)的上位人機(jī)界面和試驗結(jié)果曲線。兩種設(shè)計的對象均選用CS4000型過控裝置。

A設(shè)計利用組態(tài)王WinCC開發(fā)服務(wù)器端畫面，在PLC300的客戶端環(huán)境中編寫控制程序和對硬件進(jìn)行組態(tài)；B的控制單元則選用DDC計算機(jī)直接控制I/O模塊的控制臺、上位操作單元選用PC機(jī)，采用組態(tài)王監(jiān)控軟件建立友好的人機(jī)交互界面，兩種設(shè)計監(jiān)控界面均可以實(shí)時顯示結(jié)果曲線和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對水箱液位的控制。

在加入擾動后，分析A設(shè)計的實(shí)驗結(jié)果，對主回路，余差為0.6cm，最大偏差2.4cm，衰減比為4:1，對副回路，余差為1.2cm，最大偏差4.8cm，衰減比為4:1，系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)整定能很快的使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)；B設(shè)計的實(shí)驗結(jié)果，對主回路，余差為0.3cm，最大偏差1.2cm，衰減比為4:1，對副回路，余差為0.9cm，最大偏差5.2cm，衰減比為14:3(大于4:1且小于10:1)，整定時間過長，曲線波動過大，PID控制器的參數(shù)設(shè)置還有待調(diào)整。試驗結(jié)果顯示：學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗，由傳統(tǒng)驗證性向創(chuàng)新性發(fā)展；開發(fā)界面及實(shí)驗結(jié)果不同，參數(shù)設(shè)置有差異，實(shí)驗報告的數(shù)據(jù)和結(jié)果分析不再千篇一律，雷同率明顯降低。

另外，對這種自主性實(shí)驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行問卷調(diào)查，93%的學(xué)生認(rèn)為受益匪淺，對實(shí)驗和專業(yè)課程之間的聯(lián)系有了一個主觀的認(rèn)識，知道如何學(xué)以致用；不再盲目的跟隨他人，而是以己之長，設(shè)計自己的實(shí)驗方案；針對實(shí)驗中所出現(xiàn)的問題共同討論解決，分析各自方案的優(yōu)劣，有利于知識的交流及分享。

圖4 平臺試驗結(jié)果顯示圖

4 結(jié)束語

自主性實(shí)驗教學(xué)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的三個“多于”模式，實(shí)現(xiàn)與理論教學(xué)緊密結(jié)合，將被動性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃有詤⑴c，給與學(xué)生一個自由發(fā)揮的平臺，擴(kuò)展了學(xué)生的創(chuàng)新思維空間，增強(qiáng)了工程實(shí)踐動手能力。另外，在保證完成教學(xué)任務(wù)和科學(xué)研究的前提下，可開放實(shí)驗平臺，鼓勵學(xué)生開展科技活動和創(chuàng)新實(shí)踐，提高學(xué)生工程和科研能力、推進(jìn)自動化本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)較好的學(xué)生，初步實(shí)現(xiàn)了綠色發(fā)展理念下自動化實(shí)驗教學(xué)的創(chuàng)新[6-8]。

[1] 沈 秀,張 黎,戎紅仁,等.深化實(shí)驗教學(xué)改革 提升大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[J].實(shí)驗室研究與探索,2012,31(3):163-165.

[2] 葉向紅.綠色教育"三尊重"理論探析[J].中國教育學(xué)刊,2015,32(6):32-37.

[3] 陳華文,丁振國.高校綠色教育的現(xiàn)狀與實(shí)時策略探討[J].思想政治教育研究,2011.6,27(3):45-47.

[4]田 燕,李貞雙,張新剛,等.計算機(jī)實(shí)驗教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].長沙大學(xué)學(xué)報,2012,26(2):125-127.

[5] 金文兵.由組態(tài)軟件、智能儀表及PLC等組成的工業(yè)控制系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備.2005,25(6):73-76.

[6] 邢 亮,喬萬敏.文化視閾下的高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].教育研究,2012(1):9-13.

[7] 吳麗兵,徐再起.面向21世紀(jì)的綠色教育[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,14(2):41-44.

[8] Barrero F J , Martinez-Torres M R ,Toral S L , et al. :Addressing learner satisfaction outcomes in electronic instrumentation and measurement laboratory course organization[J].Journals & Magazines,2007,50(2):129 -136.

(本文文獻(xiàn)格式：王躍飛，李紅星，張曉培，等.自主性實(shí)驗平臺在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式中的研究與探索[J].山東化工，2016，45(24)：135-137.)

Research and Exploration on Autonomous Experimental Platform in Applied Talents Training Model

Wang Yuefei,Li Hongxing,Zhang Xiaopei,Yuan Xuepeng,Huang Yijun*

(College of mechanical and marine engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000,China)

Most of the traditional experimental teaching model uses the verification experiment.The students followed, laboratory equipment and teaching hours are limited, training objective of restricting students' engineering practice ability and innovation ability.In order to improve the experimental teaching mode, the laboratory host computer, control device and the control object device are "unit".Practice shows that the implementation of independent experiment can obviously improve the teaching effect, improve the enthusiasm and initiative of students participating in the experiment, more effectively enhance the innovation ability of students, to change the experimental teaching system, the realization of green education has a certain contribution.

autonomous experiment; heterogeneous devices; unit; green education

2016-11-07

欽州學(xué)院高等教育本科教學(xué)改革工程項目(2016QYJGB38);教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會專業(yè)教育教學(xué)改革研究課題(2015A04)；欽州學(xué)院教改項目(2016QYJGZ23)(2016QYJGB37)(2014XJJG-A21)

王躍飛(1986-)，助教;通訊作者：黃宜軍(1965-)，教授。

G40-057

A

1008-021X(2016)24-0135-03