王 魏， 繆新穎， 吳曉雪， 丁麗娜， 徐富錦

（大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連116023）

0 引 言

為培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，高校部分專業(yè)作為應(yīng)用轉(zhuǎn)型示范正在改進培養(yǎng)方案，增加實驗學(xué)時，加大實踐環(huán)節(jié)力度。我校自動化專業(yè)作為其中的一員，正在積極探索實踐教學(xué)模式的改革。關(guān)于課程實驗及實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，許多學(xué)者開展了研究。例如：劉洋等［1］針對未來新工科視域下電氣工程及其自動化專業(yè)實踐教學(xué)模式，對實踐教學(xué)模式進行了改革創(chuàng)新。肖麗仙［2］以電氣控制與PLC技術(shù)課程為例，將教、學(xué)、做、評4個內(nèi)容融合，進行一體化教學(xué)，落實課程教學(xué)應(yīng)用型改革。周瑜等［3］通過構(gòu)建PLC半實物仿真實訓(xùn)裝置，達到提升學(xué)生實踐能力的目的。孫遠韜等［4］探討了學(xué)科競賽與院校教學(xué)體系的相互支撐作用和途徑，提出了高校課程理論與實踐結(jié)合的優(yōu)化措施。楊蒙召等［5］以人工智能魚為抓手，設(shè)計了多學(xué)科相融合的教學(xué)體系，探索培養(yǎng)海洋特色信息類創(chuàng)新實踐人才。馮瀟［6］利用多課程交叉實現(xiàn)程序設(shè)計類課程的教學(xué)改革，并驗證了改革效果。這些學(xué)者以不同方式進行了教學(xué)改革實踐，進一步印證了實踐能力和創(chuàng)新能力對培養(yǎng)人才至關(guān)重要。

結(jié)合上述實踐改革方法，根據(jù)我校海洋漁業(yè)特色，選擇魚菜共生系統(tǒng)作為案例進行項目式實踐教學(xué)改革。魚菜共生系統(tǒng)將水產(chǎn)養(yǎng)殖與無土栽培相結(jié)合，通過硝化細菌將水中的氨氮分解成蔬菜好吸收的營養(yǎng)鹽類。蔬菜在生長的同時凈化了水質(zhì)，改善了魚類生長環(huán)境，從而達到動物、植物、微生物3者之間和諧的生態(tài)平衡關(guān)系［7］。作為一種低碳生產(chǎn)模式，魚菜共生系統(tǒng)不僅可以減少水資源的使用，而且能夠減少水處理的費用，是解決農(nóng)業(yè)生態(tài)危機的有效方法［8］。以此項目為例不僅符合我校特色，還可以將環(huán)保等思政理念引入教學(xué)過程。

1 魚菜共生實驗系統(tǒng)設(shè)計

整個魚菜共生系統(tǒng)由上位機PC監(jiān)控和下位機PLC控制系統(tǒng)組成。PC端監(jiān)控設(shè)計主要采用LabVIEW軟件、博圖軟件和MySQL數(shù)據(jù)庫。采集控制端主要由西門子S7-1200 PLC和各類水質(zhì)因素傳感器構(gòu)成。PLC主要負責(zé)控制水循環(huán)、采集傳感器數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)遠距離操作。上位機和下位機之間的實時通信采用的是OPC通信協(xié)議［9］。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魚菜共生實驗系統(tǒng)

此系統(tǒng)涉及到的主要自動化專業(yè)課程包括：電器與PLC控制技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、軟測量技術(shù)及應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)等。

2 基于魚菜共生系統(tǒng)的實踐教學(xué)改革

以開發(fā)魚菜共生實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，充分利用該系統(tǒng)涉及的知識和專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)自動化專業(yè)相關(guān)課程的實踐教學(xué)改革，從而提升學(xué)生綜合實踐能力。

2.1 電器與PLC控制技術(shù)實踐教學(xué)改革

我校電器與PLC控制技術(shù)課程實驗設(shè)備自2018年升級為西門子新型S7-1200，為更好地執(zhí)行專業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)型［10］，本門課程實驗課增至24學(xué)時，理論課程主要講述低壓電器元件、電氣控制線路及其工作原理，S7-1200基本指令及編程基本原理。對于編程實踐主要通過實驗和課程設(shè)計來完成。結(jié)合魚菜共生實驗系統(tǒng)，增加的實踐環(huán)節(jié)有：

（1）硬件設(shè)計。①接觸器、繼電器、電磁閥等電器元件的選擇。②數(shù)字量、模擬量的輸入輸出信號分析。I／O分配表、端子接線圖、硬件接線設(shè)備。

（2）程序設(shè)計（基于博圖軟件）。①閥門開閉控制實驗；②循環(huán)水自動控制系統(tǒng)實驗；③模擬量量程轉(zhuǎn)換實驗；④養(yǎng)殖水箱液位控制實驗；⑤養(yǎng)殖水體溫度控制實驗。

以魚菜共生系統(tǒng)項目為基礎(chǔ)，將理論與實踐教學(xué)相結(jié)合，通過對上述實際工程項目的調(diào)研、設(shè)計、實施、完成全過程，使學(xué)生提升系統(tǒng)思維、工程意識，通過項目實踐培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

2.2 傳感器與檢測技術(shù)實踐教學(xué)改革

我校傳感器與檢測技術(shù)課程包括24學(xué)時理論課，8學(xué)時實驗課。理論課主要講述各種類型傳感器的工作原理，實驗課進一步掌握各傳感器原理及其應(yīng)用［11］。結(jié)合魚菜共生實驗系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)實際需求，依賴所學(xué)理論知識，通過查資料、對比儀表參數(shù)、詢價等一系列實際操作為系統(tǒng)選擇合適的傳感器。為此，增加的實踐環(huán)節(jié)有：

（1）溫度測量實驗。掌握溫度測量的常用方法、熱電阻的特性、熱電偶傳感器的工作原理和應(yīng)用范圍。

（2）液位測量實驗。掌握液位檢測的基本方法，理解各式液位檢測裝置的工作原理。

（3）溶氧測量實驗。掌握溶氧分析儀器的分類、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

（4）pH值測量實驗。掌握pH分析儀器的分類、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

（5）電導(dǎo)率測量實驗。掌握電導(dǎo)率分析儀器的分類、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

學(xué)生通過自主選擇所需傳感器，對各類傳感器的原理、參數(shù)、功能以及應(yīng)用場合有了更深層次的理解，做到活學(xué)活用。

2.3 軟測量技術(shù)及應(yīng)用實踐教學(xué)改革

我校軟測量技術(shù)及應(yīng)用課程包括32學(xué)時理論課。主要講述軟測量基本原理、步驟及多變量統(tǒng)計建模、系統(tǒng)辨識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、模糊建模及遺傳算法和群智能優(yōu)化算法等［12］。課程主要偏重算法介紹，學(xué)生很難與實際相結(jié)合掌握方法的應(yīng)用。借助魚菜共生系統(tǒng)，學(xué)生可以完成如下實踐環(huán)節(jié)：

（1）軟測量主導(dǎo)變量和輔助變量的選擇。比如，選擇魚菜共生系統(tǒng)中的氨氮濃度為主導(dǎo)變量，溫度、溶氧、pH值、電導(dǎo)率為輔助變量。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理方法選擇及實現(xiàn)。

（3）氨氮濃度軟測量模型建立。包括基于多變量回歸、模糊模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等建模方法的仿真實驗。

（4）氨氮濃度軟測量模型修正。包括模型短期和長期校正方法，如參數(shù)更新或模型重建等。

以項目式教學(xué)方法，從輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模方法的選擇及模型修正等各方面與魚菜共生系統(tǒng)實際需求相結(jié)合，學(xué)生可以自主選擇編程語言進行仿真實驗，比如Matlab、C、Python等，這又與高級語言程序設(shè)計課程有效地連接起來。通過算法實踐，不僅更好地掌握了各類軟測量方法的適用條件，還對軟測量在實際應(yīng)用中的作用有了更深入的認(rèn)識。

2.4 虛擬儀器技術(shù)實踐教學(xué)改革

雖然西門子S7-1200 PLC控制器程序設(shè)計和監(jiān)控畫面都可以在博圖軟件中實現(xiàn)，但為了實現(xiàn)更多、更簡便的功能，更美觀的畫面，也可以采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境替代［13］。結(jié)合魚菜共生系統(tǒng)，虛擬儀器技術(shù)課程增加的實踐環(huán)節(jié)有：①魚菜共生系統(tǒng)前面板設(shè)計；②LabVIEW與PLC控制器通信實現(xiàn)；③溫度、pH值、溶氧等數(shù)據(jù)采集顯示；④液位超限、溶氧低限報警程序設(shè)計；⑤氨氮濃度計算及顯示程序設(shè)計。

通過一個實際工程項目，使學(xué)生領(lǐng)會并了解LabVIEW程序設(shè)計及調(diào)試方法，熟悉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計以及信號分析、儀表控制等各種軟件模塊的應(yīng)用。

綜上，利用同一個魚菜共生實驗系統(tǒng)，選擇不同的側(cè)重點教授不同專業(yè)課程，不僅促進了多門專業(yè)課程知識之間的融會貫通，同時培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，對提升創(chuàng)新實踐能力具有重要作用。

3 實踐教學(xué)改革成果

以專業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)型為契機，為實現(xiàn)實踐教學(xué)改革，以魚菜共生實驗系統(tǒng)為依托，切實提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。通過上述實踐教學(xué)改革，學(xué)生在上述4門課中都得到了實踐鍛煉，實踐成果如圖2所示。

圖2 實踐教學(xué)改革成果

從電器與PLC控制技術(shù)課程中得出魚菜共生系統(tǒng)梯形圖程序；傳感器與檢測技術(shù)課程中得到傳感器技術(shù)參數(shù)列表；軟測量技術(shù)及應(yīng)用課程中學(xué)會神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序仿真；虛擬儀器技術(shù)課程中學(xué)會LabVIEW程序設(shè)計。除此之外，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、國家和省級各類競賽以及研究生培養(yǎng)方面，都取得了較好的成果。 經(jīng)課程團隊老師指導(dǎo)，學(xué)生為主申請的以魚菜共生相關(guān)內(nèi)容為主題，獲批國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“魚菜共生系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”和省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的魚菜共生系統(tǒng)”。近3年來，獲得國家及省級競賽獎項10余項，包括2017年“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽省級三等獎3項；2018年“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽省級一等獎1項，二等獎1項；2019年全國大學(xué)生計算機競賽省級一等獎1項，國家三等獎1項；2019年“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽國家一等獎1項，東北賽區(qū)特等、一等獎各1項；2019年遼寧省普通高等學(xué)校大學(xué)生移動應(yīng)用開發(fā)大賽二等獎等。通過實踐教學(xué)改革、大創(chuàng)項目訓(xùn)練和競賽創(chuàng)新能力提升，學(xué)生的科創(chuàng)能力和實踐能力得到了大幅度提升。學(xué)生參與獲批實用新型專利2項，軟件著作權(quán)5項，撰寫期刊論文2篇，目前已發(fā)表1篇［14］。團隊老師指導(dǎo)1名本科生獲得保研資格，1名考取研究生，畢業(yè)1名研究生［15］。

4 結(jié) 語

結(jié)合我校海洋漁業(yè)特色，以魚菜共生實驗系統(tǒng)為研究對象進行了實踐教學(xué)改革，推動自動化專業(yè)課程交叉融合，改進海洋信息類特色人才培養(yǎng)模式，結(jié)合大創(chuàng)和各類競賽，切實提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，取得了較好的效果，為實踐教學(xué)改革探索了一條有效的途徑。在教學(xué)設(shè)計和實踐過程中的創(chuàng)新點如下：

（1）多門專業(yè)課程交叉融合。根據(jù)海洋漁業(yè)特色，結(jié)合“魚菜共生實驗系統(tǒng)”涉及的4門自動化專業(yè)課程，通過教師聯(lián)合研討授課，豐富了課程之間的融合和課程內(nèi)涵建設(shè)。除了4門課程，本系統(tǒng)還可拓展開發(fā)應(yīng)用到智能控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)課程的知識，如何將此類課程知識融合到魚菜共生系統(tǒng)將是未來繼續(xù)研究的工作。

（2）大創(chuàng)、競賽與實踐教學(xué)相結(jié)合。以魚菜共生系統(tǒng)為主題參與計算機設(shè)計大賽、移動應(yīng)用開發(fā)大賽、中國智能制造挑戰(zhàn)賽、互聯(lián)網(wǎng)＋大賽等，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，還能促進學(xué)生不斷探索，求實創(chuàng)新，切實提升實踐能力。