基于设计性实验的卓越工程师能力培养教学改革与研究

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  摘要:自动化专业是东北电力大学实施“卓越工程师教育培养计划”的重点学科之一,计算机控制系统是自动化专业的重要专业课。以培养卓越工程师为目标,以突出实践能力为导向,以培养专业技术人才为目标。通过设计性实验,引导学生“在学习中研究,在研究中学习”。运用已有的知识和能力的前提下,自主地发现问题、研究问题和解决问题。在研讨中积累经验,培养设计能力和创新能力。学生在实践能力、综合设计能力方面得到了升华,并取得了良好的效果。
  关键词:设计性实验;卓越工程师;教学改革;研究
  中图分类号:G642.0 ; ; ; ; ;文献标识码:A ; ; ; ; ;文章编号:1007-0079(2014)18-0030-02
  “卓越工程师教育培养计划”是中国高等教育发展规划的一个重要计划。东北电力大学作为一所以电力行业特色鲜明的省属高校,在2011年10月入选教育部卓越工程师教育培养计划高校,自动化专业是东北电力大学实施“卓越计划”的重点学科之一。计算机控制系统作为自动化专业的重要专业必修课程。学生在了解和掌握控制理论和计算机控制技术的基础上,在掌握控制理论工程应用方面的基础知识和工程方面的技术能力前提下,以计算机控制系统设计性实验为依托,加强计算机控制系统课程实验教学方法上的改革。课题以实际工程为背景,以工程技术为主线,培养学生的实践动手能力,培养造就具有创新能力强、适应社会发展需要的高质量工程技术人才。同时,提高学生学习的主动性和积极性,培养学生的探索意识和科研能力,增强学生的综合设计能力,为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。[1,2]
  一、目标化管理,注重学生实践能力培养
  课题从实践能力培养入手,以计算机控制系统课程理论为依托,结合“自动控制原理”“微型计算机原理及应用”“检测技术与仪表”“过程控制系统”等专业课程,对实验进行开发和设计。使学生通过设计性实验,可以探究相关知识点之间的内在联系,加深理解和掌握,将理论知识与实践相结合,锻炼编程和硬件电路设计能力,通过工程实际课题,锻炼学生分析问题和解决问题的能力,在提高创造性地运用已有的知识和能力前提下,在新知识中自主地发现问题、研究问题和解决问题。在研讨过程中积累知识和经验,培养学生的实践能力和创新能力。
  为了更好地落实卓越工程师教育培养计划,着力培养学生的工程意识和创新能力,并根据东北电力大学自动化专业培养方案中的课程设置,为提高教学质量和水平,笔者针对课程的重点和难点进行深入的剖析,找出关键内容,挖掘知识的内在联系,培养学生的认知能力,提高学生的思维水平。由浅入深地讲解有关概念、定义和分析方法,积极引导学生主动思考问题。笔者注重将科研成果与教学内容改革紧密相连,将科技发展的最新动态和计算机控制理论的最新应用介绍给学生,这样极大地激发了学生的学习积极性和学习热情。由于优化了知识结构,教学方法得当,使学生增长了工程实际方面知识,开阔了眼界。培养了学生运用基本理论分析和解决实际问题的能力。
  “计算机控制系统”课程于2007年4月和2012年4月被评为吉林省优秀课,2013年6月被评为东北电力大学精品课。
  二、实验教学方法的改革
  成立了教授带头、副教授、青年教师为主干的课程组。鼓励并带动中青年教师参加各类科研课题,并将其部分科研成果以学术论文的形式在国内外的学术活动中交流,提高教师本身理论联系实际、解决实际问题的能力,使教学和科研工作紧密结合,并促进教学过程中理论和实际的结合,提高青年教师在学生设计性、创新性实验中的指导和学术水平。本课程组中青年教师中有3人具有博士学位,1人已出国进修,3人次获省、校教学成果奖3项,2人为大学生电子竞赛优秀指导教师,主、参编正式出版教材2部,整个教师队伍十分稳定且素质不断提高。青年教师正逐渐成为一支教学、科研的主力军。
  1.多样性的实践环节设置
  学生的动手实践能力如何已经成为大学教育成功与否的重要评判标准之一,这就要求大学生不仅要学习相关的学科知识,还要能够将其运用于实践。对系统设计方法可以从“拿到题目”到“进行分析”,再到“确定解决方案”,最后到“具体系统的设计的实现”的整个过程进行全方位的启发,使学生掌握设计的基本思想,提高学生程序设计技巧和解决实际问题的能力。实践环节是课程学习的重要内容,实践能力特别是系统性的综合实践能力是自动化专业本科学生的必备素质之一。因此,实践环节的设置在内容上应力求做到理论联系实际,重视工程概念及其在实际问题中的应用,注重培养学生应用所学知识解决实际问题的能力,进而提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。[3]本课程设置了实验课、课程设计、实习和课外科技活动等多个实践环节,并且在内容上兼顾对知识的覆盖程度、难易程度循序渐进,做到实践环节之间相辅相成,实现递阶性、系统性的培养模式,对理论课和实践环节进行有效扩充和延伸。
  2.实验环节及内容的改革
  实验教学采用启发式实验教学方式,应以工程素质为基础,突出能力目标,以学生为主体,以项目为载体,以实训为手段。以前该课程开设的实验内容主要是A/D0809应用设计,D/A0832应用设计转换的简单编程,内容偏硬件的验证性实验,缺少让学生自己动手设计调试一个完整的数字闭环控制系统的实验,而且学生对软件仿真缺少必要的练习,因此,笔者增设了一些软件仿真方向的综合性、设计性、研究型的实验内容。如“汽温控制系统”“汽包水位控制系统”“物位控制系统”“输煤控制系统”“锅炉燃烧控制系统”等多个设计性实验项目。根据理论课的教学进度,穿插了5个基础实验,包括A/D转换、D/A转换、数字PID调节器、纯滞后补偿控制系统设计、步进电机转速控制等。由实验指导教师讲解实验台的操作、通信接口的功能、软件编程的技巧等,然后由学生动手搭接硬件电路完成系统连接、算法编写等,这样学生既可以及时巩固课堂上学习的理论知识,又提高了实践动手能力,为后续的课程设计、毕业设计打下良好基础。[4]   3.课程设计的改革
  课程设计是教学计划中进行综合训练的重要实践环节,它将使学生在综合运用所学知识解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。本课程设置了计算机控制系统课程设计和专业方向课程设计两个课程设计,分别在开课学期和大四上学期进行。以前计算机控制系统课程设计开设的内容是基于单元机的过程输入输出通道的设计,要求学生自己根据提出的功能要求和性能指标,合理选择芯片设计过程输入输出通道,并使用Proteus或Protel软件进行仿真验证。为了实现课程设计的多样性,还增设了一些设计题目,利用实验室现有的设备如倒立摆系统、水位系统等,让学生进行控制器的设计、控制系统的设计与校正,并通过MATLAB软件进行编程仿真验证控制策略的有效性。在专业方向课程设计中,与计算机控制技术相关的方向有计算机控制方向、DCS方向、过程控制方向等,学生可根据兴趣选择不同的方向完成课程设计。例如,计算机控制方向要求学生根据给定的性能指标设计一个离散控制系统,并采用MATLAB仿真从时域和频域对比校正前后系统的性能,分析得出结论。通过课程设计的合理设置,既可以达到“软硬兼施”的目的,又培养了学生独立分析问题和解决问题的能力。[5]
  4.拓展课外科技活动
  在“以教师为主导,以学生为主体,以政策为导向”的指导思想下,学院在2007年成立了自动化创新实践基地,下设创新制作研究室、建模与仿真研究室、机器人研究室和炎火工作室四个研究室,组织学生开展了丰富的课外科技活动。在教师的指导下,学生们充分发挥了创造力和想象力,灵活地运用了本门课程中学到的知识,如数字控制器的设计、先进控制算法的仿真、单片机测控系统的设计等。建模与仿真研究室指导学生使用MATLAB软件编程实现数字PID参数的整定、控制系统的数字仿真等,同时让学生提前学习先进控制算法,如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等用于控制系统的设计。另外指导学生进行PLC程序设计,参加全国西门子杯工业自动化挑战赛,使学生开拓了视野。创新制作研究室指导学生进行单片机测控系统设计,参加全国挑战杯科技作品大赛、全国大学生电子设计竞赛并取得了很好的成绩。
  三、强化实践教学,培养综合设计能力
  以计算机控制系统设计性实验为依托,对其实验的思路、内容和实施进行改革。计算机控制系统的设计不但是一个理论问题,也是一个工程设计实际问题,涉及自动控制原理、计算机技术、仪表检测技术、传感器测试技术、过程控制系统等,是一种多学科的综合应用。理论设计包括被控对象的数学模型建立;确定满足一定性能指标的目标函数,寻求满足目标函数的控制策略;设计满足系统要求的软件、硬件等。学生掌握计算机控制系统设计的基本要求、原则与步骤,并设计出计算机控制系统的设计实例。
  根据“计算机控制系统”课程具有理论性强和工程实践性强的特点,以实际工程为背景,以工程技术为主线,培养学生的工程意识、工程素质和工程实践动手能力。将故事进程引导到不同的分枝和发展进程,实现事件的完整表达。将复杂概念和工程经验融入交互式动画之中,把复杂的综合问题拆分成简单的多级交互式简单问题,为学生深刻理解和掌握课程内容服务,解决了多年来“计算机控制系统”课程某些概念难懂的问题。
  实践教学是“计算机控制系统”课程的重要组成部分,是卓越工程师能力培养的重要环节。“计算机控制系统”课程的实践教学,既要培养学生分析问题和解决问题的能力,还要重视培养学生的思维能力和创新能力。通过形式多样的实践环节,不仅能够培养学生分析问题和解决问题的能力,验证所学理论,而且对所学内容能够提出一些新的见解。通过实验,可以活跃学生的学术思想,全面提高学生的综合素质,为提高学生的创新能力打下坚实的基础。
  学院在自动化专业综合实验平台的建设工作中,课题组对“计算机控制系统”课程的实验内容进行了认真研究,开发、设计出了在基本教学要求基础上的综合性实验,实验室这些开放实验室的设备进行计算机控制理论的相关研究,这些都为进一步全面提高学生的思维能力、动手能力和创新能力打下了物资基础。[6]
  以“计算机控制”作为设计要点,将“系统”在工程背景下运行作为实验目的,建立综合性和创新性实验平台。如“汽温控制系统”“汽包水位控制系统”“物位控制系统”“输煤控制系统”“锅炉燃烧控制系统”以及“给水控制系统实验平台”的建设。将生涩的理论问题结合实验课进行讲解,通过实验诠释,举一反三,加深学生对理论概念的理解,使计算机控制理论与应用的关系更加密切。[7]笔者通过加强实验教学环节,充分发挥学生的创造能力,提高学生的分析问题、解决问题的能力,使之解决实际问题的能力和实际动手能力得到了锻炼和提高。经过课程建设和实践环节的改革,近几年的全国高校电子大赛及全省高校电子大赛,东北电力大学学生均取得了多项冠军的优异成绩。
  四、结束语
  计算机控制系统课程有着更新快、实践性强的特点,因此对于课程内容、教学方法、实践环节等的改革是永无止境的。虽然在卓越工程师能力培养改革中笔者取得了一些成绩,积累了一定的经验,在今后的实践中会进一步探索和完善该课程的授课模式,丰富理论授课内容,引入更多的工程实例,强化实践环节让学生得到更多的锻炼。实验室以及创新实践基地为培养出高水平的人才提供了保证。各类别电子竞赛所取得的成绩,都有力地证明了笔者相关改革与探索方向的正确性,同时也为特色专业的建设提供了必要的、有益的探索。在学校“卓越计划”的培养目标下,面向企业、面向社会,树立理论联系实际的思想, 强化实践教育, 注重工程实际应用, 及时更新教学内容,积极创新教学方法和教学手段,为培养合格的高素质的卓越工程师奠定基础。
  参考文献:
  [1]林健.注重卓越工程教育本质创新工程人才培养模式[J].中国高等教育,2011,(6):19-21.
  [2]盛朝强,谢昭莉,柴毅.培养自动化卓越工程师初探[J].长春工业大学学报(高教研究版),2011,32(3):8-9,49.
  [3]张德江,于微波,贾文超.教学与教研互动 教法与学法共融——“计算机控制系统”国家精品课建设的体会[J].中国大学教学,2007,
  (10):29-31.
  [4]张安富,刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高等工程教育研究,2010,(4):56-59.
  [5]王少怀,刘羽,黄培明,等.实施“卓越工程师教育培养计划”打造“双师型”教学团队[J].中国地质教育,2010,(4):63-65.
  [6]李祥飞,张昌凡.“计算机控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育,2010,(12):85-86.
  [7]邢航,张铁民.“计算机控制技术”教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索,2007,26(12):370-372.
  (责任编辑:王意琴)
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