测控技术与仪器专业学生创新能力培养的综合实验平台建设

2016-07-18王文娣霍晓静

河北农业大学学报(社会科学版) 2016年2期

关键词：工程实践创新能力

王文娣，霍晓静，唐　娟

(河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001)

测控技术与仪器专业学生创新能力培养的综合实验平台建设

王文娣，霍晓静，唐娟

(河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001)

摘要：基于测控技术与仪器专业现有实验课程与设备基础，针对原实验教学模式存在的问题，构建了面向本专业学生创新能力培养的综合实验平台。通过开放性实验、设计类实验、综合性试验、创新性实验等实践教学的创新实施，充分调动学生的学习积极性和主动性，提高学生的动手能力、工程实践能力、创新设计能力、综合应用能力和独立工作能力。

关键词：测控技术与仪器专业；创新能力；综合实验平台；虚拟仪器技术；工程实践

>DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2016.0037

测控技术与仪器专业培养具备精密仪器设计制造以及测量与控制方面的专业实践能力，具有将光、机、电、计算机相结合的当代测控技术实验研究能力，具有仪器仪表与系统的设计、开发能力，可从事电子信息、计算机应用、仪器与系统的设计制造、测量与控制自动化等领域的科学研究、产品设计开发、企业管理等方面工作的高级工程技术人才。加强学生综合素质教育和工程实践技能训练是实现这一目标的主要途径，实践动手能力和创新意识培养在本科教学中处于重要地位。通过对用人单位及相关科研院所广泛调研，发现该专业现有实验教学中存在一些问题和弊端。测控技术与仪器专业教师团队坚持“厚基础、宽专业、强能力、重实践”的原则，以我校农业优势特色学科为依托，突出自身特色，结合已取得的科研和教学成果[1-3]，提出了对测控技术与仪器专业实践教学模式的改革计划，建设既能满足测控技术与仪器专业实践教学的需要，也适用于农业机械化及其自动化专业、机械设计制造专业、车辆工程专业、机械电子工程专业、电子信息工程等专业实践锻炼的综合实验平台。

一、综合实验平台建设的必要性

(一)人才需求分析

测控技术与仪器是信息学科的源头，它涉及检测技术、控制技术、计算机技术、网络技术及有关工艺技术，本专业毕业生择业面宽，适应性强，可以分配到国家机关、研究院(所)、设计院、教育系统和各类大中型企业。测控技术与仪器是现代科技发展的基础，在国民经济建设、国防、航空航天等领域发挥着非常重要的作用，其中的信息获取和处理是现代化、自动化的重要基础和有力保证，要求毕业生具有较强的自学能力、创新意识和较高的工程素质，因此实践能力对测控学生的就业竞争力起着决定作用，而实践能力的培养离不开实验教学平台的建设[4]。

(二)实验教学现状

目前，国内大多数高校十分重视学生动手能力的培养，逐渐开设了综合实验，对学生的实际动手能力、适应工作的能力、协作精神等的培养和锻炼起了很大的作用，如天津工业大学构建了开放型的创新实验平台，为学生提供一个充分开放和自由的实验环境，可让学生自己设计实验内容，自己去完成某一个具体的项目，从而培养学生的动手能力和创新能力。天津大学精密仪器与光电子学院自行研制开发的测控综合实验台，综合了自动控制、检测技术、传感器、电路设计、计算机辅助设计等多门课程的知识。

目前，我校测控技术与仪器专业开设的专业课程实验达210多学时，而验证演示性实验几乎占80%[1]。虽然部分实验可归为综合实验，但是由于综合实验体系尚未建立，实验模式多参照验证性实验进行。为此，构建测控技术与仪器专业创新型综合实验教学体系，搭建面向工科学生创新能力培养的综合实验平台迫在眉睫。此外，进行综合型实验需要如传感器实验模块、控制实验模块、单片机实验模块等实验装置，这些实验装置可由任课的青年教师去研究开发，既能够减少经费投入，又可以使青年教师得到锻炼。

二、综合实验平台的模式

实验设备的落后和缺乏是长期困扰教学质量的难题，制约着教学改革的发展。近几年来，在学校和学院领导支持下，测控专业老师的努力下，建立了独具特色的综合实验平台。这些实验平台都是在现有仪器设备和多年科研成果的基础上，根据教学要求专门设计研制的，为学生实践动手能力和创新意识的培养提供了良好的实验环境。

为了使综合实验平台充分体现综合性、设计性、创新性、工程实践性等特点，同时激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识，充分发挥学生的想象力和创造力，对综合实验平台设计了3种模式：扩展模式、设计模式和综合模式，每种模式下设许多实验项目，内容覆盖测控专业的核心课程，同时兼顾其他工科专业选修课程。

(一)扩展模式

提供给学生各种硬件模块和配套的软件开发环境，要求学生自行构建一个测试系统，然后编写程序，进行整体调试运行，完成某项实验，如电涡流传感器测振动实验、霍尔传感器测转速实验、电容式传感器测位移实验等。实验考核采用实验系统演示、答辩、互评及实验报告相结合的方式。通过实验，使学生不仅理解了各种传感器的工作原理，熟练掌握了虚拟仪器开发软件的编程技巧，而且从整体系统高度，加深了测试系统构成的理解，完成了测试系统软硬件设计的初步训练。

(二)设计模式

提供给学生一定数量的电子元器件、芯片及实验任务，要求学生自行设计硬件电路，编写程序，在实验板上完成电路板的焊接和调试。实验考核采用电路板演示、互评和实验报告等方式进行。通过实验，使学生既验证了电子元器件的功能，又锻炼了学生的动手能力。学生部分作品如图1所示。

图1　学生作品展示

(三)综合模式

提供给学生教师研制的各种智能仪器仪表或已取得的科研项目成果等资源。根据实验要求，学生自行设计方案，独立完成系统的软硬件设计，切实体验具有一定对象的实际工程项目的设计开发过程。通过实验，培养学生主动学习、独立操作，独立分析与解决问题的能力和探索进取精神，达到锻炼学生的工程实践能力和培养创新意识的目的。

三、综合实验平台的内容

(一)基于虚拟仪器的计算机测试综合实验平台

为了提高传统实验设备的利用率、节约资金及充分利用科研成果，利用虚拟仪器技术，将实验室现有传感器实验仪及各种类型的传感器实物和数据采集卡相结合，自行设计开发了基于虚拟仪器的计算机测试综合实验平台。该平台由 CSY-998型传感器实验仪、应变式传感器、光照传感器、温湿度传感器、PC机、NI USB6259数据采集卡、相关附件和虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI等构成。CSY-998型传感器实验仪是浙江高联仪器技术有限公司推出的一款可满足大部分高校的传感器实验要求的教学实验仪器。该传感器实验仪配置了18种传感器，学生可完成31个实验项目[5]。该实验平台既能采用扩展模式设置实验，又能按照设计模式进行实践教学，还能通过综合模式达到实验目的。如采用扩展模式进行“电涡流传感器测振动实验”，学生可以通过传感器实验仪配有的电涡流传感器采集信号作为输出信号接入数据采集卡NI USB6259，经数据采集卡将模拟信号转换为数字信号送往计算机，最后采用LabWindows/CVI软件编程实现数据采集分析与处理，构建一个简单的计算机测试系统[6-8]。学生设计编写的软件界面如图2所示。

图2电涡流传感器测振动软件界面

若按照综合模式利用该平台进行实践教学，指导教师需给出具体的被测对象，提出实验要求，学生自行设计方案，组建一个完整的虚拟仪器测试系统，完成某个非电量的测量。如扭矩测量，提供给学生应变片、被测对象、传感器实验仪、数据采集卡、PC机和虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI，学生通过查阅资料，了解扭矩测量原理，对被测对象进行受力分析，确定应变片的粘贴位置及组桥方式等，利用应变片的粘贴工艺和电桥理论，完成应变片的粘贴和硬件系统的设计，最后通过LabWindows/CVI编程实现对被测对象扭矩测量[8,9]。学生设计的扭矩测量系统及软件界面如图3和图4所示。因前面已对设计模式进行了学生作品展示，所以不再对设计模式如何使用该平台举例说明。

图3扭矩测量系统

图4扭矩测量系统软件界面

(二)基于物联网的温室自动测控系统

依托学校优势特色学科，突出自身特色，结合已取得成果的科研项目“基于虚拟仪器的温室灌溉控制系统”，自行设计开发了基于物联网的温室自动测控系统。该系统采用最先进科学技术——物联网，以温室作为研究对象，集检测控制于一体，包含上位机、下位机、网关、无线路由器、无线光照度传感器节点模块、无线空气温湿度传感器节点模块、无线土壤温湿度传感器节点模块、无线遮阳帘控制节点模块和无线水泵控制节点模块等，如图5所示。基于物联网的温室测控系统具有良好的灵活性、开放性和可扩展性，为学生提供了充分的实验空间，支持从简单到复杂、从单一到综合的一系列实验。如利用该实验平台采用扩展模式设计温室环境温度自动测试系统，学生设计完成的系统软件界面如图6所示。

图5基于物联网的温室测控系统

图6温室环境温度自动测试系统软件界面

(三)基于PLC的自动控制系统

PLC自动控制系统包含PLC-2型可编程控制器、交通信号灯PLC自动控制模块、四层电梯的PLC控制模块、电机自动控制模块、步进电机自动控制模块、PC机、导线、编程电缆等部件。利用该系统可完成各种被控对象的控制。如采用综合模式进行四层电梯的PLC控制实验，要求学生完成电梯PLC控制系统各部件间连接、PLC编程及调试等操作(如图7所示)，实现对四层电梯模型的自动升降、自动开门、故障报警及楼层位置显示等功能[7,10]。除此之外，还可以要求学生通过LabWindows/CVI软件编程实现上位计算机与PLC的通信功能，对电梯进行实时监控。

图7四层电梯PLC控制

四、结论

1.通过自行开发基于虚拟仪器的计算机测试综合实验平台、基于物联网的温室自动测控系统和基于PLC的自动控制系统，构建了测控技术与仪器专业实践教学综合实验平台。

2.通过综合实验平台的建设，实现了实验类型的增加和实验数量的扩容，可开展设计类实验、开放性实验、创新性实验等综合性试验，既能满足测控技术与仪器专业课程的实践教学、课程设计、毕业设计的要求，也适用于机电工程学院其他本科专业实践教学，同时还兼顾了研究生和教师科研需求，形成了综合实践训练的特色。

3.通过综合实验平台开展了任务驱动模式下的项目教学研究，引导学生从任务分析、系统构建到软件实现，完成“信息获取—信息处理—显示记录—控制输出”四大功能综合训练，大大激发了学生的实验兴趣，提高了学生的动手实践能力、综合应用能力和设计创新能力，对促进机电工程学院人才培养质量的全面提升，实现校门到厂门的完美对接和增强就业竞争力具有重要意义。

参考文献：

[1]霍晓静，唐娟，王文娣，等.河北农业大学测控技术及仪器专业实践能力培养路线图[Z].保定：河北农业大学，2015.

[2]王文娣，杨静，霍晓静.利用虚拟仪器技术改革创新实验教学模式[J].河北农业大学学报(农林教育版),2012,14(2)：53-55.

[3]唐娟，王文娣，霍晓静.以311人才培养模式构筑科学人才培养方案[J].河北农业大学学报(农林教育版),2013,15(2)：5-7.

[4]刘益芳，崔宏魂.测控仪器设计教学中存在的问题及解决办法[C].昆明：全国机械设计教学研究，2005.221-223.

[5]浙江高联科技开发有限公司.CSY-9XX系列传感器实验台用户手册[Z].杭州：浙江高联科技开发有限公司,2010.

[6]National Instruments.LabWindows/CVI User Manual[M].USA:National Instruments,2005.

[7]李江全．Labwindows/CVI数据采集与串口通信典型应用实例[M]．北京：电子工业出版社，2014．

[8]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.

[9]霍晓静，王文娣，唐娟.机械测试技术实验指导书[Z].保定：河北农业大学，2010.

[10]初航，史进波. 三菱FX系列PLC编程及应用[M]．北京：电子工业出版社，2014．

(编辑：杨建肖)