周煥銀， 王平風， 劉樹博， 黃永忠， 李百余

(東華理工大學 機電學院，江西 南昌 330013)

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以提升自動化專業(yè)學生工程意識為導向教學改革研究

周煥銀， 王平風， 劉樹博， 黃永忠， 李百余

(東華理工大學 機電學院，江西 南昌 330013)

通過對學校自動化專業(yè)以及相關工程類院系的調(diào)研，總結了教學中在理論、實驗以及實踐等方面存在的一些問題。通過與多位專業(yè)課教師共同研究，介紹了以培養(yǎng)學生工程素質(zhì)為導向的一系列教學改革措施，并在教學實踐中進行了應用。

工程素質(zhì)；自動化；實踐訓練；教學改革

周煥銀，王平風，劉樹博，等.以提升自動化專業(yè)學生工程意識為導向教學改革研究[J].東華理工大學學報：社會科學版，2017，36(2)：178-181.

Zhou Huan-yin, Wang Ping-feng, Liu Shu-bo, et al.Teaching reform to improve the engineering quality of students majoring in automation [J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2017，36(2)：178-181.

自動化專業(yè)工程教育是伴隨著自動化技術在社會生產(chǎn)、生活中的廣泛應用而興起的，是一門面向被控對象，解決實際問題的學科[1,2]。自動化工程領域要求相關專業(yè)能培養(yǎng)出知識面廣、理論基礎雄厚、能力強、高素質(zhì)的復合型人才[3,4]。自動化專業(yè)學生不僅應掌握自動控制方面的理論知識，同時應具有理論聯(lián)系實際的能力，具備較強的工程意識。工程意識以創(chuàng)新意識、實踐意識和團隊意識為主要特征[5]。在科技、經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代社會更需要大批具有堅實基礎和多學科適應性的高素質(zhì)工程人才[6]。工程意識是工程教育最重要、最基本的素質(zhì)之一，也是當今高等工程教育的薄弱環(huán)節(jié)之一。

實踐教學在培養(yǎng)學生工程意識與素質(zhì)方面有著重要的作用。工程意識與素質(zhì)的形成需要人們在長期從事工程實踐中逐漸積累關于客觀世界的一種潛在認識與經(jīng)驗總結[7-9]。在大學期間，通過實踐教學的形式對學生工程意識與素質(zhì)進行潛移默化的培養(yǎng)，不僅可為理解理論知識如何在工程中應用打下堅實基礎，同時有助于學生進入社會后快速熟悉工程項目，從而加快學生對實際工程的理解。

1 自動化專業(yè)學生培養(yǎng)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的教育體系下，中國的高等工程教育仍存在一些問題，工程技術人才的培養(yǎng)質(zhì)量問題亟待解決。自動化專業(yè)在控制類課程教學方面存在如下問題：(1) 過于強調(diào)學生理論教學知識的掌握程度，實踐教學環(huán)節(jié)薄弱；(2) 綜合型、創(chuàng)新性的實驗少，對學生未進行良好的科研素養(yǎng)和團隊合作精神的培養(yǎng)；(3) 工程設計、實驗和實習等環(huán)節(jié)雖然受到一定程度的重視，但往往側(cè)重于操作技能的培養(yǎng)，而忽略了對學生獲取信息能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖1 教學改革的總體方案圖

2 相應解決方案

為了提高自動化專業(yè)大學生的工程素質(zhì)與工程意識，本文根據(jù)學校相關專業(yè)出現(xiàn)的教學問題，對理論、實驗、校外實習等內(nèi)容進行了一系列教學改革。在理論教學改革中注重專業(yè)理論與實際工程的結合，培養(yǎng)學生的學習興趣、學有所用的理念；在實驗中，多開發(fā)綜合型實驗，注重培養(yǎng)學生自主實驗能力、分析解決實際問題的能力，以培養(yǎng)學生工程意識為目的；在校內(nèi)、外實踐環(huán)節(jié)中根據(jù)學生的實際情況，進行老師放手、自主選題、共同完成小型控制類工程項目的設計思路，以挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力以及培養(yǎng)學生的團隊合作精神，提升學生工程素質(zhì)與工程意識。采用的主要改革方案如圖1所示。

2.1 理論教學改革

理論教學過程中，以理論為主、經(jīng)典工程案例為輔，激發(fā)學生學習興趣。自動化專業(yè)是以培養(yǎng)社會需要的具有較高控制工程意識的人才為目標的?？刂祁悓I(yè)課程具有原理復雜和算法抽象等特點，而在理論教學當中，教師偏重于控制理論與原理的理論分析、推導、驗證和控制算法的經(jīng)驗總結，使得學生對相關控制理論作用與意義無明確概念，造成學生錯以為專業(yè)課用處不大，無實際應用價值等消極觀念。另外，由于學生未參與過工程實踐，學生認為這些理論晦澀難懂，不知所云，興趣不高。為了提高學生的學習興趣，對“自動控制原理”、“微計算機控制技術”、“現(xiàn)代控制理論”等控制類講授系統(tǒng)和理論的課程，應在教學中引導學生了解相關理論與工程系統(tǒng)的應用背景。理論教學改革中，學校自動化專業(yè)教師所授相關控制類課程，選用簡單明了而不乏生動有趣的工程案例，同時不偏離實際，這樣學生在有趣環(huán)境中激發(fā)學習熱情，達到理論聯(lián)系實際的目的，讓學生體會到相關理論的應用價值。

根據(jù)自動化專業(yè)教學現(xiàn)狀并充分利用學校教學資源，理論教學從以下兩個方面進行改革。

(1)項目式教學方法，強調(diào)理論聯(lián)系實際。對于理論分析、算法驗證等抽象問題，通過一個個實際工程進行講解，采用多種手段并進的方法驗證重要算法，從而提高學生探索問題、解決問題的興趣。對一些基本理論(如自動控制原理的動態(tài)性能分析、穩(wěn)定性分析等) 通過MATLAB仿真工具進行實現(xiàn)、講解、說明，提高學生學習興趣與學習的主動性；對于一些重要控制理論或控制算法，如自動控制原理PID控制算法、微計算機控制原理的大林算法、現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋法等，則通過虛擬現(xiàn)實技術或錄制影像的方式再現(xiàn)某些工程類項目背景，讓學生了解控制理論在工程中作用意義等，激發(fā)他們學習興趣，加深對理論或算法的理解與掌握，并培養(yǎng)工程意識。

(2)多門控制類課程綜合教學方法，提升工程意識。自動化專業(yè)的重點是培養(yǎng)學生的系統(tǒng)觀與控制觀，專業(yè)面廣，涉及控制類多門課程、單片機、電力電子技術等，且在某些工程案例中可能涉及到多門學科內(nèi)容，這就要求教學中在偏重本門課程相關理論的前提下，對所涉及的其它理論內(nèi)容簡單介紹、講解，讓學生較全面地了解被控對象的本質(zhì)，理解控制理論在工程中的應用背景。拓展學生視野，從多方面了解控制理論應用價值，培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)與提升工程意識。圖2為理論教學研究現(xiàn)狀以及本文所提理論教學改革措施。

圖2 理論教學現(xiàn)狀與擬改進的理論教學方法

2.2 實驗教學環(huán)節(jié)的改革

自動化專業(yè)實驗教學環(huán)節(jié)存在實驗教學依附于理論教學、實驗能力的培養(yǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和系統(tǒng)安排、學科內(nèi)各門課程的實驗裝置相對獨立、缺乏課程聯(lián)系與交叉等問題。實驗內(nèi)容多以演示性與驗證性實驗為主，綜合性、創(chuàng)新性實驗較少，導致學生動手能力和創(chuàng)新能力不足。

本課題擬通過加強綜合性與設計性實驗為主進行實驗教學改革，以工程項目引導開發(fā)實驗平臺，平臺根據(jù)學生愛好自己搭建，以更好地培養(yǎng)學生系統(tǒng)分析問題的能力、自主實驗能力，提高學生創(chuàng)新能力與培養(yǎng)學生工程意識。

加強綜合性、設計性實驗建設，為學生工程意識的培養(yǎng)提供有效途徑。綜合性設計平臺的開發(fā)內(nèi)容是通過工程項目的方式引導，將大的工程項目分解為多個子項目，學生根據(jù)自己所長，選擇子項目，組隊搭建完成子項目所需要的實驗平臺、實驗過程中完善實驗平臺、教師放手實驗平臺等，提高學生學習興趣與挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力。綜合性實驗平臺采用學生自主研發(fā)，教師放手的改革方法。首先，教師根據(jù)工程項目各子項目的研究內(nèi)容，分解子項目以及工程目標；然后，學生組隊分析研究目標，對平臺進行規(guī)劃設計，將其設計為實驗內(nèi)容，教師在期間根據(jù)學生特點，以團隊形式分配任務，任務下達后，團隊根據(jù)任務目標，規(guī)劃設計方案，并根據(jù)指導教師要求或自發(fā)組織研討會，完成實驗任務要求；最后，一個實驗周期完成后，教師分析實驗平臺優(yōu)缺點，完善實驗平臺。實驗以激發(fā)學生積極性為主，以挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力為輔，為了調(diào)動學生團隊合作精神，根據(jù)各團隊執(zhí)行任務期間解決問題、分析問題的方式，設置不同獎勵與懲罰措施，避免只看結果不看過程的考核方式。圖3為實驗教學環(huán)節(jié)改革研究方案。

圖3 實驗環(huán)節(jié)改革方案

2.3 校外實踐環(huán)節(jié)的改革

當前學生對校外實踐重視程度不夠。學生在校外企業(yè)參觀實習期間，由于時間短或為了學生安全，學生無法系統(tǒng)地了解一些儀器設備的工作原理，生產(chǎn)流水線中相關控制工程的應用，此期間動手機會更少，短期內(nèi)無法達到預期的培養(yǎng)學生工程意識的目標。返校后，對學生的考核方式只是一些簡單的實踐報告，這不僅沒有達到校企合作培養(yǎng)學生對工程項目了解的目的，且浪費了許多資源。

為了克服以上問題，通過校企合作、學生校外實踐的機會提升學生工程素質(zhì)與工程意識，本課題擬采用延長實習時間與改進考核方式的方法。通過加長學生的實習時間，為學生創(chuàng)造與企業(yè)員工、師傅、工程師等進行交流的機會，保證學生既了解行業(yè)背景和企業(yè)需求，同時通過看、學、做的方式讓學生們較系統(tǒng)地了解生產(chǎn)流程與控制類儀器設備在實際中的應用?？己朔绞絼t通過學生外出實習期間對工程的了解情況，進行虛擬現(xiàn)實技術模擬，通過實際工程與虛擬環(huán)境模擬相結合的方式，提升學生的工程意識?？己瞬襟E為：首先，學生通過校外實習了解控制類系統(tǒng)工作流程，返校后學生通過虛擬現(xiàn)實技術模擬所理解的“實際控制工程”，構建虛擬環(huán)境下的控制工程，提高學生獲取知識的能力；然后，根據(jù)所模擬的虛擬環(huán)境工程平臺分析相關控制理論的應用與在實踐中的作用，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力，激發(fā)學生實習的興趣；最后，教師根據(jù)實際控制工程特點與學生所構建的虛擬環(huán)境控制工程平臺進行對比，分析學生所設計平臺的優(yōu)缺點，提高學生自主學習、自主創(chuàng)新等能力。通過以上改革達到提升學生工程意識的目的。學生校外實踐環(huán)節(jié)改革研究方案如圖4。

圖4 校外實踐環(huán)節(jié)改革研究方案

2.4 理論與實踐內(nèi)容相結合的教學案例

為了提高學生對知識掌握程度，實現(xiàn)理論與實踐的結合，學校教師結合《自動控制原理》《微計算機控制》《虛擬儀器》等課程，設置了一次虛擬環(huán)境模擬綜合型設計。學生根據(jù)校外實踐部分內(nèi)容，設計雙容水箱液位控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)的主、副調(diào)節(jié)器輸入，并通過MATLAB軟件得到“最佳參數(shù)”，通過PID控制算法進行液位控制。由于雙容水箱的特點存在大時滯，即時間上的延遲等，這就要求學生用到微機控制中的大林算法等相關控制理論進行解決。圖5為學生利用組態(tài)軟件構建的雙容水箱液位虛擬控制平臺。通過此平臺的構建與說明，學生基本掌握了相關供水工程中的液位控制過程，并達到學以致用的目的。

圖5 學生構建的雙容水箱液位控制虛擬環(huán)境

3 結束語

通過相關教學方案的逐步改革，有望達到以下目標：(1)激發(fā)學生學習興趣，夯實理論基礎：通過優(yōu)化理論教學內(nèi)容，改革理論教學方法與手段，激發(fā)學生學習興趣，通過實際工程案例分析，加深學生對專業(yè)理論的理解。(2)自學自練能力：通過對綜合型實驗教學內(nèi)容、校外實踐環(huán)節(jié)方法的改革，培養(yǎng)學生的自主實驗、分析能力和解決問題的能力。(3)挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力：通過項目引導團隊設計綜合性實驗平臺提高學生理論結合實踐能力、“工程創(chuàng)新”能力，培養(yǎng)學生工程意識。(4)再學習能力和綜合技能、實踐能力：通過學生外出參觀企業(yè)工程流程，返校后模擬實際工程的方式，培養(yǎng)學生自我學習能力、理論聯(lián)系實際的能力、綜合實踐

能力，以及提升工程意識的目的。(5)互幫互助、團隊合作精神：通過團隊搭建實驗平臺方式，實現(xiàn)學生合作，互相學習、互相促進、共同進步，提高學生團隊合作精神與創(chuàng)新能力。通過以上目標的逐步實施，實現(xiàn)自動化專業(yè)學生畢業(yè)時具備一定的工程素質(zhì)與工程意識。

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Teaching Reform to Improve the Engineering Quality of Students Majoring in Automation

ZHOU Huan-yin, WANG Ping-feng, LIU Shu-bo, HUANG Yong-zhong, LI Bai-yu

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

By investigation into the major of automation and some related engineering faculties, the paper summarizes some problems existing in theory, experimental and practical teaching. And by the common research of many professional teachers, the paper introduces a series of teaching reform measures which are applied to teaching practice so as to develop students’ engineering quality.

engineering quality; automation; practical training; teaching reform

2016-10-20

江西省高等學校教學改革研究課題：以提升自動化專業(yè)學生工程意識為導向控制類課程教學改革(JXJG-15-6-14, JXJG-14-6-15 )；東華理工大學教改項目：基于組態(tài)軟件虛擬實驗平臺的《微計算機控制技術》實驗教學研究。

周煥銀(1975—)，女，河北衡水人，副教授，博士，主要從事復雜系統(tǒng)運動控制研究。

G640

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1674-3512(2017)02-0178-04