基于项目驱动的自动化专业实践教学改革

马 然， 包金明， 张健欣， 齐咏生

(1.内蒙古工业大学 电力学院， 内蒙古 呼和浩特 010080； 2.东南大学 自动化学院， 江苏 南京 210096)

0 引言

我院自动化专业以内蒙古自治区能源、电力等特色行业的自动控制为背景，具有强弱电并重、软硬件兼顾、行业特色突出等专业特点。该专业的主干专业课程的理论性、实践性和应用性均很强，2016年新版的自动化专业培养方案更加强调专业课程群的实效性，强化工程意识，要求通过加强实践教学环节着力提高学生的应用能力和创新意识。针对我院自动化专业相应实践环节的教学模式和教学方法中现存的种种不足，本文从项目驱动的角度对一体化实践教学模式和教学方法做了一些有益的研究和探索，旨在提高学生对实践环节的兴趣，培养学生的系统观以及分析和解决问题的工程实践能力。

1 改革的指导思想与具体方案

1.1 存在的问题

我院自动化专业实践环节主要包括课程基础实验、课程设计、毕业设计、认识实习和专业实习，本文主要针对前三项进行探讨。课程基础实验存在实验内容单一、实验模块开放性差、实验成绩占比小、实验指导书不完善等问题；课程设计存在题目数量少、内容陈旧、实验设备台套数少等问题；毕业设计存在题目内容陈旧、完整质量低等问题。

1.2 改革的指导思想与改革方案

考虑前述实践教学内容存在的问题，以及新版培养方案对课程体系的要求，必须对专业课程的实践环节进行整合，重新制定学时及考核要求。改革的指导思想是建立基于项目驱动的专业课程一体化实践教学模式，以真实的工作任务、产品或工艺流程为载体构建实践教学内容体系，采用以学生为主体、项目为对象、教师为主导的教学模式，开展教学并实施过程考核与综合评价[1～3]。实践教学模式改革的架构如图1所示。

图1 实践教学模式架构

1)增设小组项目与个人项目

小组项目的题目强调项目的综合性与完整性，学生根据自己的兴趣、能力以及题目的难易程度自主选择、自由分组。小组自行制定方案并分解任务，选择实验元器件、模块及其他项目资料，设计实验或项目步骤，设计电路图、结构图，进行仿真或实物调试。小组项目有利于激发学生的工程意识、对系统整体把握、促进学生间交流讨论以及锻炼团队协作能力。

个人项目主要针对理论知识掌握较好、知识接受能力较强的学生而设置的，强调其理论研究的深度或专业技能的广度，要求利用较新的专业技术拓展和延伸项目内容，以此提升个人的工程实践能力与创新能力。

2)设置专业基础和专业课的实践环节

专业基础课要求学生除参与课堂教学、完成个人作业和基础实验外，在开课初选择小组项目，教师结合课程进展分配一定课堂教学学时用于小组项目阶段汇报并开展课堂讨论。

专业课开设的课程设计则拆分为小组项目和个人项目，小组项目可以在原课程设计大纲的基础上进一步丰富设计题目，在理论教学内容结束后集中1-2周完成；个人项目的题目可以通过结合课程大纲要求，在小组项目题目的基础上对理论算法、实现方案与技术指标要求进行细化来确定，在开课初布置，学生自选，以学期为单位进行阶段考核。

个人项目与小组项目均要求完成完整的产品项目，并进行实验室测试验收和答辩。

3)毕业设计改革的思考

目前，毕业设计在第8学期开展，由于时间上与找工作相重合，导致学生的实际设计时间有限。同时，学生的设计论文普遍存在纸上谈兵、抄袭往年成果等问题，这些都必然会在最后的考核环节中有所反映，结果往往在一定程度上偏离了考核的初衷。

毕业设计属于复杂工程问题，小组项目和个人项目恰恰是对复杂工程问题的任务分解，学生只有经过项目、任务等实践环节的充分锻炼，才会结合个人兴趣和能力正确选择毕业设计题目，和教师形成真正的双向互动，保证高质量完成这项综合考核，这是其一。

其次，笔者认为毕业设计任务应尽早下达。如果提前在大三结束时指导教师就提供题目，给出任务要求和必备课程知识体系结构，对于综合能力较强的学生便可以结合参与的个人项目和小组项目提前进入毕业设计准备阶段。毕业设计任务书可以结合专业课的开展进程分阶段明确项目要求，由学生以学期为单位提交当前阶段的个人项目完成情况报告，教师根据每阶段学生的进展适当修改任务要求与阶段计划，师生双方可以进行及时、充分地沟通。相信该方式对于教师改进教学方式、提高科研能力同样是有帮助的。

2 改革的具体实践

基于项目驱动的自动化专业实践教学改革具体实践落实于优化教学内容、更新教学方法和改革教学模式三个方面。

1) 优化教学内容

首先，应完善和丰富常规验证型实验项目，做到每次课程开展的实验项目不重复。以检测类课程为例，实验类别涉及对温度、压力和机械量等参量的基本特性的测试[4]。实验装置(型号：THSRZ-2)采用模块化设计，学生能够全面学习和掌握信号传感、处理、转换、采集和传输的整个过程，可开设六十多个常规实验[5]。表1给出了最近一学期开设的基础实验项目。

表1常规实验项目

其次，根据课程的侧重点不同设置相对应的个人项目与小组项目，如开发综合型实验项目作为小组项目(如转速控制系统和温度控制系统，分别如图2、图3所示)，开发设计型实验项目作为个人项目(如电子秤和多点测温系统)。学生自主设计方案，绘制电路图或结构图，选择实验模块或购买元器件，完成系统搭建与实物调试并进行精度分析。以图2所示系统为例，学生利用现有实验模块设计、搭建一转速控制系统，实现信号的检测、处理、转换、控制与显示等功能。要求学生选择合适的速度传感器，建立转动源(直流电机)的数学模型，分析系统的动态和稳态性能。该项目涉及“自动控制原理”、“检测技术与仪表”、“电机与拖动”、“过程控制系统”及“运动控制系统”等多门课程，后两门课程虽然在项目开展时尚未开设，但项目知识点蕴含在过程控制和运动控制中，这恰好是锻炼学生查阅资料、独立学习新知识以及对所学知识融会贯通的好机会。

2) 更新教学方法

首先，教师在实验指导过程中应注意引导，开展故障分析教学，鼓励学生自己动手分析故障原因并加以排除，学生表现应在考核结果中予以体现[1]。其次，编写具有系统性和工程意义的指导说明书。教材问题是实施一体化教学的关键，应当打破诸如传统实验指导书的编写形式，以问题和项目为导向，以工程任务的形式提出需求，贯穿系统的概念，弱化基本原理的介绍，强调学生自主查找资料、设计方案并具体实现，逐步培养学生提出、分析和解决问题的能力。

3) 改革教学模式

首先，表1所示的常规实验项目应按难易分级，并在课程综合成绩中占有不同比重，根据学生成绩指定或由学生自主选择实验项目，以此提高学生对于实践环节的重视度。其次，开放实验室，建立培养学生学习的长效机制。最后，重视过程考核与综合评价。基础实验项目采用多元化考核方法，考核成绩包括实验预习(20%)、实验操作(40%)和实验报告(40%)三方面，并逐渐加大实验成绩在课程综合成绩评价中的比例。小组项目应根据学生的自我评价、同伴评价、口头测试、自己负责部分的完成情况及整个产品的完成情况等综合评价；个人项目则主要根据学生的设计方案、独立分析和解决问题的能力、项目测试完成情况、研究论文独立发表情况等方面评价。

图2 转速控制系统 图3 温度控制系统

3 大学生创新实验计划项目实例

以笔者指导的一项校级大学生创新实验计划项目为例说明项目任务的分解方法。

项目名称：基于PLC控制的八层电梯系统的设计。

起止时间：2015.9-2017.5。

参加人员：5名自动化2013级本科生。

该项目要求学生自主设计一套电梯控制系统，作为开展专业基础课——“检测技术与仪表”和专业课——“可编程序控制器”、“现场总线”、“运动控制系统”等课程实践教学环节的公共实验平台。学生自主完成该项目总体方案制定、元器件选取、信号处理及电气控制系统设计与调试，要求考虑实际电梯系统的机械结构，完成电气控制，具有电梯的基本功能，保证电梯模型在PLC控制下稳定、协调、有序、可靠的运行。

为保证项目按期完成，笔者结合相关专业课的开设进程和毕业设计任务，以个人项目和小组项目的形式将项目的具体任务分解到各专业课实践教学环节中[6]。任务分解见表2，电梯系统实物图如图4所示。分配2-3名项目组成员同时做同一个个人项目，在独立完成方案设计后，进行小组讨论，选择最优方案，最终协同完成实物调试；保证每名成员各自负责完成一项个人项目。

4 结语

本文针对自动化专业的实践教学环节，探索了基于项目驱动的实践教学方法。从优化教学内容、更新教学方法和改革教学模式三方面落实了实践教学改革，详细介绍了基础实验、小组项目和个人项目的具体实践过程，并在2011级、2012级和2013级学生的专业课实践环节中进行了三轮实践，取得了良好的教学效果。最后，以笔者指导的一项大学生创新实验计划项目为例，详细介绍了项目任务按照个人项目和小组项目的分解过程。在该项目顺利结题的同时，参与的学生均高质量地完成了与其相关的毕业设计题目。改革中关于不同类别(如检测类和控制类)专业课程的实践环节如何协调、如何制定学时及考核要求等具体操作问题今后尚需进一步探讨。

图4 电梯模型实物图

表2 项目任务分解表

项目形式项目题目任务简述相关课程个人项目电梯拖动系统设计(一)采用直流电机作为拖动电机,设计拖动系统,包括调速方案。运动控制系统个人项目电梯拖动系统设计(二)采用单相交流电机作为拖动电机,设计拖动系统,包括调速方案。运动控制系统个人项目电梯监控系统设计选择组态软件,设计电梯的监控系统。可编程序控制器个人项目轿厢内触摸屏软件开发选择触摸屏,设计触摸屏的监控软件。可编程序控制器个人项目电梯PLC控制程序开发编写梯形图,进行软件调试。可编程序控制器小组项目电梯系统硬件联调小组讨论确定控制方案,在搭建好硬件平台的基础上,进行系统联调,保证硬件电路信号的正确性。小组项目电梯系统联调软硬件系统联调毕业设计基于西门子1200系列PLC的电梯模型控制系统设计在创新实验计划项目的基础上,拖动系统实现基于单相交流电机的变频控制,采用光电编码盘实现基于PLC的精确平层控制,完善基于触摸屏和组态软件的监控功能,实现基于现场总线的网络控制,完成系统的集成与联调。