主页 > 技术文章 > 试析自动化专业实验实训室建设与实践教学体系改革 2024-09-27

试析自动化专业实验实训室建设与实践教学体系改革

摘要：介绍了自动化专业原有实践教学体系在运行中的经验和问题。结合新形势下高等院校人才培养目标及自动化专业的学科特点，阐述了建立自动化专业实验实训室、构建新的实践教学体系的必要性。从实验实训室建设和实践教学体系构建到实践教学运行质量控制等方面进行了探索和实践，经实际运行证明，相关经验对工科实践环节的建设有显著的借鉴价值。
培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才历来都是工科院校的首要任务。而2012年教育部启动的卓越工程师教育培养计划，主要目标是“面向工业界、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才”，为工科高等院校的人才培养提出了更高的要求。那么，作为这一计划的主体，怎样利用校内资源加强这方面的工作？显然，加强基于模拟工业场景的实验实训室的建设是培养学生实际操作能力、综合实践能力和创新精神必不可少的条件。
一、实验实训室建设背景：
　　电子信息与电气工程系是大专院校院系，实验室较多，设施相对齐全，部分实验室的设备配置达到较高层次。自动化专业本科生教育教学培养方案中，显著加强了实践和创新能力的培养，实验环节的设置上更注重设计性和综合性实践环节。但是，从核心专业的建设和学生实践锻炼环节来看，这样的设置仍缺乏系统性和整体性，实验所涉及的知识是离散的，实验的内容和操作过程与生产实际亦有较大出入，甚至会产生误导。
　　在每年一次的自动化专业课程建设研讨会上，校企合作单位的专家在参观了现有实验室并给予肯定的同时，也提出了改进意见，其中包括如何通过实验提高学生动手能力和树立工程概念，培养创新能力。
　　针对这一情况，根据自动化专业学科特点，电子信息与电气工程学院以现有实验室为依托，以自动化核心专业为重点，围绕贴近生产实际的基本任务，筹建了自动专业相关实验实训室，并构建了新的实践教学体系。
二、自动化专业实验实训室：
　　自动化专业的核心专业课程包括“自动控制”、“运动控制”、“过程控制”、“集散控制”、“可编程序控制器原理用其应用”等，并设有专门的实验室。然而，原有的实践教学体系单纯以课程为基础设置，实验室主要完成相关课程知识的验证和巩固，各实验之间基本无关联。这样会造成学生无法将知识系统化，难以建立关系到多课程的系统性概念。即便是综合性、设计性实验，也由于实验装置的过度模块化、集成化，使得在为学生提供模拟实际的操作中显得力不从心，而难于将专业知识系统化并与工程实际相联系。实训室的建立将成为多课程知识系统化的纽带，理论与工程实践联系的桥梁。
　　1.电工基础实训室
　　包括电子实训和电工基本操作，培养学生对常用电工仪表和电子仪器的使用及测量技能。主要完成对电子线路认识、焊接、测试，对电器元件、电机的认识和基本电气控制线路接线、调试，机床电气控制线路的调试、故障排除和维修。可用于认知实习、生产实习以及维修电工的技能鉴定训练。
　　2.过程控制与集散控制实验实训室
　　将原有的传感器实验室、过程控制实验室、运动控制实验室和PLC实验室相结合，模仿工厂的生产线，以过程控制实验室为基点，其他单个实验室相当于生产车间，通过网络把各实验室串起来，构成过程控制和集散控制实训室。以自动控制理论为核心，将传感器、运动控制、过程控制、PLC等相关课程知识系统化，使学生对所学理论知识有更直观的认识。实训对象形象逼真，接近工业现场的实际应用，学生很快就能适应现场的工作。本实训室除了要完成各课程的基本实验外，还可用于课程设计和毕业设计。
　　3.工业控制技术综合实验实训室
　　在现代工业自动化控制中，PLC因其配置灵活、使用方便、安全可靠等特点，使用越来越广泛，技术更新也越来越快。PLC、变频器、伺服控制、触摸屏等已成为当今工业现场的主流电气控制装置。该实训室按照劳动和社会保障部颁发的“工人技术等级标准”和职业技能鉴定规范的内容要求，根据电工培训考核的实际情况而设计的集学习、理论、验证、实际操作能力培养等功能为一体的多功能设备。采用标准网孔板设计，可在该平台上任意安装、拆卸电气元件，设计、搭建自己的控制电路。实验平台完全开放，整体实训设备以三菱FX1N-40mR（输入24点，输出16点），也可选择西门子、欧姆龙工业级产品为主，以步进电机、三相异步电机、伺服电机等为控制对象，完全按照工业现场常见控制工艺配置器件，从而提供一个完全真实的工业现场操作平台。
该实训室可进行PLC基本技能、PLC模拟控制实训、PLC实物模型控制实训、变频调速控制实训、触摸屏控制实训、工业总线网络实训等，主要用于自动化专业和电气工程及其自动化专业的生产实习、毕业设计，还可利用PLC与过程控制实训室的工业对象构成一个基于PLC的过程控制实训项目或集散控制系统。
三、新的实践教学体系
　　无论多好的实验硬件设施，如果没有相应的教学管理体系作保证，也只能是一种摆设。根据自动化专业的学科特点，通过分析、论证，构建了注重工程实践能力培养的模块化、系统化、贯通式实践教学体系。
　　新的实践教学体系把贯穿于大学四年的实践教学环节分成专业基础实验（如模电、数电、微机原理等，以验证为主）、专业课程实验（以综合性、设计性为主）、课程设计、电机电器实训、工业控制技术实训和毕业设计几大模块，分别在基础层、提高层、研究与创新层三个层面上开展，后者注重各实验的系统化连接以及与工程应用的联系，强化学生工程实践能力与创新能力的培养。
四、实践教学管理
　　1.实验实训室管理
　　由于缺少专职实验教师，实验实训室总体上由实验中心负责日常管理，包括实验时间协调、实验装置维护、实验室卫生等，而实验实训任务的实施主要由任课教师和实训指导教师负责完成。
　　实验实训任务可分为三大类：一种为培养计划内任务，即单课程实验（验证型、综合型和设计型实验）；一种是操作能力训练，如电机电器实训、工业控制技术实训等；一种为自主、创新性活动，如大学生电子科技创新大赛、自主选题实验、毕业设计等。
　　培养计划内实践任务主要是按照教学内容，通过实验对重要定义和概念进行验证。任课教师在学期初将计划书交予实验中心，由实验中心协调安排实验课表，并做好硬件保障。学生在任课教师的指导下，根据实验任务要求完成各类实验操作，并将实验结果以报告的形式完成。对于设计型、综合型实验，指导教师以实验室（可以是不同课程实验室）所能提供的设备，精心选择布置实验题目，学生根据实验题目要求，自行设计实验过程，分析、计算实验结果，以达到使课程知识系统化的目的。
　　操作能力训练，以维修电工技能培训、生产实习等形式开展。指导教师负责实训内容的确定及在此期间的管理。
　　对于自主、创新活动，学生自选实验内容、实验时间和指导教师，充分满足不同学生的需要。实验的过程及结果由指导教师负责。
　　2.实践教学体系运行控制
　　为保证新的实践教学体系的运行质量，必须对原有实践教学环节的内容、教学方法和教学模式进行相应的改革。
　　（1）综合型、设计型实验项目的设置以培养学生对课程知识的综合、分析能力为目的；课程设计项目的设置应与实用性及工程实践、新知识的工程应用紧密结合，培养学生的分析、设计和动手能力。
　　例如，在进行过程控制系统课程设计时，教师只给出实物对象和控制要求，由学生根据实验室现有的传感器、控制器、执行机构等装置，自行设计、选择控制装置，完成系统的构建、接线、参数整定。在此过程中，学生将自动化控制原理、过程控制系统、传感器原理与应用、MATLAB仿真等课程知识结合在一起，形成了系统的概念，培养了专业实践能力。
　　（2）实训项目的开展采用任务引导的方式进行，激发学生的专业兴趣、培养学生的实际操作和工程实践能力。实训的重点主要放在建立基本概念、了解基本功用、锻炼动手能力的基础上，不过多的介绍复杂的理论知识。
　　例如，在进行电机电器实训初期，首先让学生认识各种元器件的实物，了解其功能，然后教师结合实物对象和任务进行讲解，并指导学生完成任务功能。课后要求学生结合课本或查阅资料自学实训中用到的各种器件的工作原理，激发学生的专业学习兴趣。在接下来的实训中，教师只布置实验任务，简单讲解实现任务的过程，对于回路设计和具体接线等诸多问题，由学生在具体实践中通过查阅资料、小组讨论、独立思考等形式将问题逐一化解，抽象的理论知识迅速消化并转化为自己的思路和想法，逐步完成线路设计、接线和功能实现。从实训结果来看，大多数学生完成了教师要求的任务，一部分学生还通过小小的改动实现了不同的功能，这也大大增强了学生的自信心，激发了学生继续探索的动力，形成了一个良性循环。令人欣慰的是，在实训过程中，面对同一任务要求，还经常有不同“版本”的实现方法出现，并对电机拖动、调速方法等相关理论问题充满好奇，为后续课程的学习奠定了基础。
　　（3）实践教学的效果很大程度上取决于指导教师的精力投入。为保证实践教学的质量，必须配备有丰富实践经验和责任心强的指导教师进行实训指导，而且学校应建立相应的激励机制，最大程度地调动教师的工作积极性。

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