王躍飛，李紅星，張曉培，袁雪鵬，黃宜軍

(欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式中的研究與探索

王躍飛，李紅星，張曉培，袁雪鵬，黃宜軍*

(欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式大多采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生"照方抓藥"，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及教學(xué)課時(shí)有限，客觀上束縛了學(xué)生工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，針對(duì)現(xiàn)有資源，將實(shí)驗(yàn)室上位機(jī)、控制裝置及控制對(duì)象裝置"單元化"，設(shè)計(jì)了一種異構(gòu)設(shè)備的自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐表明，自主性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施明顯改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，更有力地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力，對(duì)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)綠色教育有一定貢獻(xiàn)。

自主性實(shí)驗(yàn)；異構(gòu)設(shè)備；單元化；綠色教育

深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的新課程改革發(fā)展理念，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才[2-4]，促進(jìn)工程教育改革和創(chuàng)新，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)。在教育部印發(fā)的《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》〔2012〕文件中，要求要?jiǎng)?chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，增加實(shí)踐教學(xué)比重，提升高校科技創(chuàng)新能力[1]。在高校教育中，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的最有效環(huán)節(jié)就是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法和效果的優(yōu)劣直接影響到了新一代卓越工程師的培養(yǎng)。因此，我們對(duì)現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行深化改革，轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，為培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、科學(xué)素養(yǎng)高的優(yōu)秀畢業(yè)生搭建良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，方法經(jīng)典，步驟詳細(xì)，并且專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備全部是購置的成套裝置，系統(tǒng)內(nèi)部連接完備，界面開發(fā)成熟，學(xué)生只需設(shè)定參數(shù)、啟動(dòng)設(shè)備，按部就班的完成實(shí)驗(yàn)即可。以過程控制實(shí)驗(yàn)為調(diào)查對(duì)象，對(duì)歷屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行抽樣，其抽樣結(jié)果如圖1所示，實(shí)時(shí)曲線及分析雷同，結(jié)果都是4:1的衰減比。

圖1 抽樣結(jié)果圖

根據(jù)自動(dòng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，在2014～2016期間，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的雷同率最高可達(dá)90%以上，不同之處大多是因報(bào)告書寫格式、順序及表達(dá)不同造成，且雷同率呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

通過以上分析，可以將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式概括為三個(gè)"多于"：內(nèi)容上驗(yàn)證型多于設(shè)計(jì)型；方法上經(jīng)典多于創(chuàng)新；實(shí)踐上演示多于演練。這三個(gè)"多于"客觀上形成了學(xué)生過分依賴?yán)蠋熀椭笇?dǎo)書的局面，忽略了學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，降低了學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主操作的能力，限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2 自主性實(shí)驗(yàn)的研究

在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，通過嘗試各種不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)比并進(jìn)行優(yōu)化，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升和鍛煉學(xué)生的能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行單元整合，搭建一種異構(gòu)設(shè)備的自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使其不僅能滿足多門專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，而且有利于提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新能力。

2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

異構(gòu)設(shè)備的自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)室中的過程對(duì)象裝置、控制裝置及上位機(jī)等作為獨(dú)立的"單元"。按照"單元化"思想可分為對(duì)象單元、控制單元、上位操作單元和輔助單元四個(gè)部分，具體的平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

對(duì)象單元可以提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)或自主實(shí)驗(yàn)的不同類型實(shí)驗(yàn)對(duì)象；控制單元可以提供不同類型的控制裝置；上位操作單元根據(jù)選用的控制裝置采用不同的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面和系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)；輔助單元提供對(duì)象與控制裝置之間的連接電纜及所需的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，控制裝置與上位機(jī)的通信連接電纜及相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換設(shè)備[5]。由四個(gè)單元可以構(gòu)成不同對(duì)象、不同控制類型的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)。各單元的主要設(shè)備見表1。

圖2 平臺(tái)實(shí)物結(jié)構(gòu)框圖

序號(hào)單元名稱裝置設(shè)備1對(duì)象單元CS4000型過程裝置;HSA-1型過程裝置;管式電阻爐2控制單元C3000智能調(diào)節(jié)記錄儀控制臺(tái);DDC計(jì)算機(jī)直接控制I/O模塊控制臺(tái);3上位操作單元PLC-200控制臺(tái);PLC-300控制柜;PLC-400控制柜4輔助單元PC機(jī)、操作系統(tǒng)軟件和不同的監(jiān)控軟件(WinCC、MCGS、組態(tài)王等)組成。

2.2 自主性實(shí)驗(yàn)原理

以水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，要完成此實(shí)驗(yàn)的自主性設(shè)計(jì)，需要從以下幾個(gè)方面逐步實(shí)施：

(1)方案設(shè)計(jì)。通過自主學(xué)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，確定被控系統(tǒng)開關(guān)量及模擬量的I/O點(diǎn)數(shù)，估算內(nèi)存，選擇各個(gè)單元，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

(2)明確設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)配置和端子接線。掌握CS4000過程裝置的結(jié)構(gòu)原理、檢測(cè)控制參數(shù)的類型及數(shù)量(上中下水箱水位測(cè)量及所用壓力變送器、主副管流量測(cè)量及使用的流量?jī)x表、加熱水箱的溫度測(cè)量及溫度測(cè)量傳感器；主副管流量控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型、水箱溫度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)及裝置的總體接線；依據(jù)確定的I/O點(diǎn)數(shù)，設(shè)計(jì)S7-300PLC控制柜的結(jié)構(gòu)配置及端子接線；確定上位監(jiān)控軟件及系統(tǒng)編程軟件。

(3)硬件連接及軟件開發(fā)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)選擇通訊方式，畫出程序流程圖或功能圖，完成上位界面開發(fā)、下位組態(tài)的編程及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

(4)系統(tǒng)調(diào)試。對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試和修改，同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)室輔助單元和上下位之間的通訊連接，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)的整定，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)曲線。

(5)結(jié)論分析。結(jié)合專業(yè)課程理論知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及整合，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 自主性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用分析

這里以實(shí)驗(yàn)教學(xué)中水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)為例分析自主性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膶?shí)施與效果。圖4抽取的是兩組由學(xué)生自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)的上位人機(jī)界面和試驗(yàn)結(jié)果曲線。兩種設(shè)計(jì)的對(duì)象均選用CS4000型過控裝置。

A設(shè)計(jì)利用組態(tài)王WinCC開發(fā)服務(wù)器端畫面，在PLC300的客戶端環(huán)境中編寫控制程序和對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)；B的控制單元?jiǎng)t選用DDC計(jì)算機(jī)直接控制I/O模塊的控制臺(tái)、上位操作單元選用PC機(jī)，采用組態(tài)王監(jiān)控軟件建立友好的人機(jī)交互界面，兩種設(shè)計(jì)監(jiān)控界面均可以實(shí)時(shí)顯示結(jié)果曲線和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制。

在加入擾動(dòng)后，分析A設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)主回路，余差為0.6cm，最大偏差2.4cm，衰減比為4:1，對(duì)副回路，余差為1.2cm，最大偏差4.8cm，衰減比為4:1，系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)整定能很快的使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)；B設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)主回路，余差為0.3cm，最大偏差1.2cm，衰減比為4:1，對(duì)副回路，余差為0.9cm，最大偏差5.2cm，衰減比為14:3(大于4:1且小于10:1)，整定時(shí)間過長(zhǎng)，曲線波動(dòng)過大，PID控制器的參數(shù)設(shè)置還有待調(diào)整。試驗(yàn)結(jié)果顯示：學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由傳統(tǒng)驗(yàn)證性向創(chuàng)新性發(fā)展；開發(fā)界面及實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，參數(shù)設(shè)置有差異，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)和結(jié)果分析不再千篇一律，雷同率明顯降低。

另外，對(duì)這種自主性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行問卷調(diào)查，93%的學(xué)生認(rèn)為受益匪淺，對(duì)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)課程之間的聯(lián)系有了一個(gè)主觀的認(rèn)識(shí)，知道如何學(xué)以致用；不再盲目的跟隨他人，而是以己之長(zhǎng)，設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案；針對(duì)實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的問題共同討論解決，分析各自方案的優(yōu)劣，有利于知識(shí)的交流及分享。

圖4 平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果顯示圖

4 結(jié)束語

自主性實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三個(gè)“多于”模式，實(shí)現(xiàn)與理論教學(xué)緊密結(jié)合，將被動(dòng)性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)性參與，給與學(xué)生一個(gè)自由發(fā)揮的平臺(tái)，擴(kuò)展了學(xué)生的創(chuàng)新思維空間，增強(qiáng)了工程實(shí)踐動(dòng)手能力。另外，在保證完成教學(xué)任務(wù)和科學(xué)研究的前提下，可開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生開展科技活動(dòng)和創(chuàng)新實(shí)踐，提高學(xué)生工程和科研能力、推進(jìn)自動(dòng)化本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)較好的學(xué)生，初步實(shí)現(xiàn)了綠色發(fā)展理念下自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新[6-8]。

[1] 沈 秀,張 黎,戎紅仁,等.深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 提升大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(3):163-165.

[2] 葉向紅.綠色教育"三尊重"理論探析[J].中國(guó)教育學(xué)刊,2015,32(6):32-37.

[3] 陳華文,丁振國(guó).高校綠色教育的現(xiàn)狀與實(shí)時(shí)策略探討[J].思想政治教育研究,2011.6,27(3):45-47.

[4]田 燕,李貞雙,張新剛,等.計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào),2012,26(2):125-127.

[5] 金文兵.由組態(tài)軟件、智能儀表及PLC等組成的工業(yè)控制系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備.2005,25(6):73-76.

[6] 邢 亮,喬萬敏.文化視閾下的高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].教育研究,2012(1):9-13.

[7] 吳麗兵,徐再起.面向21世紀(jì)的綠色教育[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,14(2):41-44.

[8] Barrero F J , Martinez-Torres M R ,Toral S L , et al. :Addressing learner satisfaction outcomes in electronic instrumentation and measurement laboratory course organization[J].Journals & Magazines,2007,50(2):129 -136.

(本文文獻(xiàn)格式：王躍飛，李紅星，張曉培，等.自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式中的研究與探索[J].山東化工，2016，45(24)：135-137.)

Research and Exploration on Autonomous Experimental Platform in Applied Talents Training Model

Wang Yuefei,Li Hongxing,Zhang Xiaopei,Yuan Xuepeng,Huang Yijun*

(College of mechanical and marine engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000,China)

Most of the traditional experimental teaching model uses the verification experiment.The students followed, laboratory equipment and teaching hours are limited, training objective of restricting students' engineering practice ability and innovation ability.In order to improve the experimental teaching mode, the laboratory host computer, control device and the control object device are "unit".Practice shows that the implementation of independent experiment can obviously improve the teaching effect, improve the enthusiasm and initiative of students participating in the experiment, more effectively enhance the innovation ability of students, to change the experimental teaching system, the realization of green education has a certain contribution.

autonomous experiment; heterogeneous devices; unit; green education

2016-11-07

欽州學(xué)院高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2016QYJGB38);教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)專業(yè)教育教學(xué)改革研究課題(2015A04)；欽州學(xué)院教改項(xiàng)目(2016QYJGZ23)(2016QYJGB37)(2014XJJG-A21)

王躍飛(1986-)，助教;通訊作者：黃宜軍(1965-)，教授。

G40-057

A

1008-021X(2016)24-0135-03