郭文會(huì)

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

整合優(yōu)化工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

郭文會(huì)

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

本文以工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)室為教學(xué)平臺(tái),優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過對傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，壓縮了12學(xué)時(shí),打破以往以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式，增加了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),提高實(shí)踐教學(xué)效率,經(jīng)過兩年的實(shí)踐，取得了良好的效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；工業(yè)控制；創(chuàng)新性

工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程是自動(dòng)化專業(yè)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力。工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程既包含有專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容又含有專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其特點(diǎn)是內(nèi)容較多、各部分之間互相交叉，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。為適應(yīng)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)且具有創(chuàng)新能力人才的需要，提高實(shí)驗(yàn)效率，理清各部分的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及過程交叉與融合,整合優(yōu)化工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程，建立完善的實(shí)驗(yàn)課程體系，對于人才培養(yǎng)具有重要意義。

一、課程改革的思路

目前，與工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)的系列課程包括：單片機(jī)原理及應(yīng)用、微機(jī)原理與接口技術(shù)、可編程控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)控制基礎(chǔ)等課程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課穿插于理論教學(xué)中，學(xué)生有重視理論教學(xué)，輕視實(shí)驗(yàn)的觀念，且由于各門課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開設(shè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在一定程度的交叉與重復(fù)，且不利于學(xué)生形成系統(tǒng)的觀念，為提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，對工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步改造，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要工作之一。

優(yōu)化整合的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置從四個(gè)方面入手，第一，遵循自動(dòng)控制專業(yè)本科生人才培養(yǎng)的要求，按照先基礎(chǔ)，再綜合提高，后創(chuàng)新的原則，建立實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)方案；第二，從課程設(shè)置的機(jī)制上保證課程的地位，工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程作為必修課，與理論教學(xué)分開，采取單獨(dú)開設(shè)、計(jì)算學(xué)分的方式；第三，提高實(shí)驗(yàn)效能，壓縮驗(yàn)證和重復(fù)試驗(yàn)學(xué)時(shí)；第四，增加綜合和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高效率，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，把每個(gè)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，改善條塊分割的局面，使學(xué)生鞏固基礎(chǔ)理論同時(shí)，能夠形成系統(tǒng)知識(shí)體系，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

二、工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)成體系和實(shí)驗(yàn)要求

工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)成體系由三大模塊設(shè)計(jì)和一個(gè)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)踐組成。其中，三大模塊為單片機(jī)/微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、自控/計(jì)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和可編程控制器模擬實(shí)驗(yàn)組成。

單片機(jī)/微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識(shí)以及匯編語言(或C語言)指令。在微機(jī)原理及接口實(shí)驗(yàn)后，把實(shí)踐環(huán)節(jié)的重點(diǎn)放在單片機(jī)系統(tǒng)上，包括簡單I/O擴(kuò)展電路、并行接口電路實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、PI口擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)(交通燈)、雙機(jī)串行口實(shí)驗(yàn)、8279鍵盤和顯示實(shí)驗(yàn)。

自控/計(jì)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)部分。自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)化專業(yè)的核心基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生掌握控制的基本理論和應(yīng)用方法，包括二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正、非線性及相軌跡。計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)包括擴(kuò)展接口實(shí)驗(yàn)、LCD實(shí)驗(yàn)、數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)、數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)。

可編程控制器模擬實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生在掌握理論的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用控制理論并通過計(jì)算機(jī)手段實(shí)現(xiàn)控制，包括LED數(shù)碼顯示、禮光之花、十字路口交通燈、三相異步電動(dòng)機(jī)及電梯控制系統(tǒng)。

創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)室教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自主創(chuàng)新完成一個(gè)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生根據(jù)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)要求，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，查閱相關(guān)資料，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，自行設(shè)計(jì)電路，運(yùn)用相關(guān)軟件模擬實(shí)驗(yàn),調(diào)整或修改設(shè)計(jì)方案,最后，在相關(guān)儀器設(shè)備上，進(jìn)行實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主體，采用交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，可加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

三、實(shí)施條件

工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)設(shè)備包括：

1.單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(1)有聯(lián)機(jī)和單機(jī)兩種運(yùn)行模式，中文的多窗口操作界面，編輯、編譯、鏈接、調(diào)試與一體。支持8051調(diào)試、匯編語言、C語言編輯調(diào)試，也可運(yùn)行程序操作指令或機(jī)器碼，并顯示在LED數(shù)碼管上。

(2)多種電源接口可與PC機(jī)和外接電源開關(guān)電源相連。

(3)提供至少三種方式的可編程器件，其中包括在線編程。

(4)可選用80C31、8086、80C196CPU中的任一種，涵蓋微機(jī)/單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、接口、微機(jī)控制等課程的基本要求。

(5)外圍的擴(kuò)展接口電路包括：CPLD、并行接口、8253可編程定時(shí)器、8279鍵盤、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。

2.自控/計(jì)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(1)有輸入/輸出接口及擴(kuò)展單元。輸入輸出點(diǎn)40點(diǎn)以上，輸出有三種形式：繼電器、晶體管和雙向輸出。

(2)手持編程器及外部設(shè)備接口。

3.可編程控制器模擬實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)控制USB數(shù)據(jù)采集器

(1)有AD/DA采集卡，AD有10位采樣位數(shù)，采樣率1KHz，DA有10位轉(zhuǎn)換位數(shù)，1K的轉(zhuǎn)換速率。

(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)K有放大器、若干個(gè)電阻、電容等實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成。

(3)有AD/DA卡輸入輸出模塊，輸入和輸出端各兩路。

(4)有變阻箱及變?nèi)菹淠K。

在實(shí)驗(yàn)室管理上采取任課教師和實(shí)驗(yàn)教師共同指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新研究，理論和實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，保證方案的正確性和可操作性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用開放式模塊化設(shè)計(jì)思想，學(xué)生可根據(jù)需要使用相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，保證其靈活性、擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)室8小時(shí)對學(xué)生開放，采取預(yù)約的管理模式，保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)條件，為學(xué)生提供方便快捷的實(shí)驗(yàn)和研究條件。

四、實(shí)踐效果

自動(dòng)化課程的特點(diǎn)是理論知識(shí)比較抽象，而實(shí)踐環(huán)節(jié)更需要具體化，這樣才能開闊學(xué)生思路、鞏固理論的效果、提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣作用、把枯燥的理論和有趣的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，從而提高學(xué)生的動(dòng)手能力。課程改革自2007年開始實(shí)施，已應(yīng)用在我校自動(dòng)化專業(yè)和機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，經(jīng)過兩年的實(shí)踐，取得了良好的效果。

1.培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力

單獨(dú)開設(shè)，獨(dú)立學(xué)分，在機(jī)制上保證學(xué)生認(rèn)真對待實(shí)驗(yàn)課程，測重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。使學(xué)生面對問題獨(dú)立思索，培養(yǎng)了自己解決問題的能力。

2.節(jié)約了學(xué)時(shí)，提高了效率

課程教改后，工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的5門相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，總學(xué)時(shí)由72學(xué)時(shí)精減為60學(xué)時(shí)，壓縮12學(xué)時(shí)，即節(jié)約學(xué)時(shí)，又提高了效率。原來的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，是在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和教師的指導(dǎo)下完成，學(xué)生的思路和個(gè)性受到了制約，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。整合優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)后，打破以往以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式，在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提高要求，刪減一些驗(yàn)證性和重復(fù)交叉實(shí)驗(yàn)，例如：自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)刪減了典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，增加了一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，例如：增加了系統(tǒng)串聯(lián)校正的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了綜合解決問題和創(chuàng)新能力

在近幾次電子大賽的準(zhǔn)備中，學(xué)生利用假期時(shí)間在教師指導(dǎo)下利用現(xiàn)有設(shè)備，收集大量的資料，了解行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，購置一些相關(guān)構(gòu)件，搭建系統(tǒng)，完成設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)施，學(xué)生多次獲得多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。這項(xiàng)改革提高了學(xué)生對實(shí)踐環(huán)節(jié)的主動(dòng)性、積極性，要求參賽的學(xué)生人數(shù)在逐年增加。學(xué)生電子大賽也受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注，一些知名企業(yè)和著名高校的保研工作都有優(yōu)惠條件優(yōu)先錄用和錄取。

4.學(xué)生的反饋和教學(xué)效果的評價(jià)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是教學(xué)必要環(huán)節(jié),還是一項(xiàng)專門的實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程以學(xué)生為主導(dǎo)，充分考慮學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，并尊重學(xué)習(xí)規(guī)律，系統(tǒng)、全面地使學(xué)生個(gè)人的潛能得到充分發(fā)揮。

改革后的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)受到學(xué)生的普遍歡迎，學(xué)生上課的積極性和主動(dòng)性明顯提高，而且在實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生認(rèn)真思考，主動(dòng)提問并與教師進(jìn)行討論，開闊了學(xué)生的思路，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，收到了良好的教學(xué)效果。

五、工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)人員和職能

教學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合平臺(tái)上設(shè)置的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理, 包括對實(shí)驗(yàn)的組織和管理、學(xué)生的組織和管理、實(shí)驗(yàn)資源的組織和管理, 對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的各類活動(dòng)的組織和管理, 以及對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各項(xiàng)活動(dòng)的最后評價(jià)等。

1.實(shí)驗(yàn)管理人員的組成

實(shí)驗(yàn)管理人員的組成由三方面的人員組成：教師(理論)、實(shí)驗(yàn)室管理人員(實(shí)驗(yàn))、學(xué)生。以學(xué)生為主體，教師講授基礎(chǔ)理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)室管理人員設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論相關(guān)的必要實(shí)驗(yàn)，做到理論和實(shí)踐系統(tǒng)化的有機(jī)結(jié)合。

學(xué)生作為主體體現(xiàn)在參與并完成教師安排的每個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)，以及在學(xué)習(xí)過程中提出問題，通過師生互動(dòng)或?qū)W生討論來解決問題。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評價(jià)

采用過程性評價(jià),目標(biāo)與過程并重的價(jià)值取向，主張內(nèi)外結(jié)合的、開放的評價(jià)方式，主張?jiān)u價(jià)過程與教學(xué)過程的交叉與融合，評價(jià)主體與客體的互動(dòng)與整合，對學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)效果、過程以及與學(xué)習(xí)密切相關(guān)的非智力因素進(jìn)行全面評價(jià)，它包括對學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量水平作出判斷,肯定成績，找出問題；促進(jìn)學(xué)生對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行積極地反思,從而更好地把握學(xué)習(xí)方式和方法。

[1]劉文定.“自動(dòng)控制理論”綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐[J].中國林業(yè)教育，2009,增1

[2]劉文定.加強(qiáng)課程體系建設(shè)促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].中國林業(yè)教育，2009,增1

[3]王鐵云.基于Moodle優(yōu)化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究教材[J].中國電化教育,2008, 5

[4]張軍國.以電子設(shè)計(jì)大賽為契機(jī)加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的培養(yǎng)[J].中國林業(yè)教育,2009,增1

Teaching reform and practice in the course of Industrial control experiment by integration and optimization

Guo Wenhui
Beijing forestry university,Beijing,100083,China

In this paper, we discussed on teaching reform and practice in the course of industrial control experiment. A new teaching platform of industrial control experiment was put forward to integrate and optimize the traditional experiment contents. Innovate experiment were added to the new teaching platform, and thus 12 class hours could be compressed. After the new teaching platform conducted for two years, we made a good experimental teaching effect, which broke through the old mode of verified laboratory-based experiment and improved the efficiency.

experiment teaching；industrial control；innovation

2009-11-02

郭文會(huì)，本科，實(shí)驗(yàn)師。