本站原创摘 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,具有理论性强和工程实践性强的特点.以培养卓越工程师为目标,从理论教学内容、教学方法和手段、实践环节等方面进行了有益的改革和探索,这些举措有利于提高学生的工程素质和综合实践能力.
关 键 词：卓越工程师；计算机控制系统；教学改革；实践
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）23-0031-02
东北电力大学作为一所以工为主、电力行业特色鲜明的省属院校,于2011年10月入选教育部第二批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.旨在通过教育和行业、高校和企业的密切合作,以实际工程为背景,以工程技术为主线,着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力.[1-3]计算机控制系统、计算机控制系统课程设计、专业方向课程设计等环节为自动化专业的专业必修课,在控制理论和计算机控制技术的基础上,面向计算机控制系统的理论问题和工程实践需求,使学生掌握控制理论工程应用方面的基础知识和工程实现方面的技术能力.为了积极响应东北电力大学“272工程”提出的优质课程改革与建设工程实施方案,同时以培养卓越工程师为目标,加强计算机控制类课程的建设质量,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,增强学生的职业综合能力,针对计算机控制系统课程的课堂教学、实践环节以及学生工程应用能力培养方面做了一些工作,现在介绍教学改革中的一些体会和经验.
一、优化整合课程教学内容
计算机控制系统课程涉及知识面广且集成度高,从控制算法到系统硬件,从基本理论到先进技术,从微型计算机控制系统到集散控制系统现场总线技术,既有理论方面的知识,又有实际工程应用方面的要求,要想在一门课中把这些知识点都包括进去,既不可能,又不实际.[4]为此对教学内容进行了优化整合,遵循的基本原则是理论联系实际,兼顾基础性和工程实用性,把控制原理和典型应用相结合、软件和硬件相结合,并通过各个教学环节之间的紧密联系,使学生掌握计算机控制系统的组成和特点、数字控制器设计的原则和应用技术、复杂控制规律的原理和应用场合以及计算机控制系统的硬件、软件的选择、配置和设计.
经过整合后,课程主要内容包括：以数字控制理论为主体,区别离散控制与连续控制的不同点；数字控制器的设计,控制算法与编程；复杂控制规律系统的设计及应用场合；计算机控制系统的设计与实现.
在课堂教学中穿插介绍应用实例,例如计算机温度控制系统、计算机技术在电厂中的应用,让学生将枯燥的理论知识同实际应用结合起来,从整体设计到软硬件设计再到系统仿真与调试,使学生对计算机控制系统设计及应用有一个全面的认识.为了保证理论体系的完整性,还需要实验、课程设计、实习等实践环节的配合,以补充课堂上不能完全呈现的内容.
二、丰富教学手段和方法
在理论教学方面,尝试采用基于项目的研究性教学模式,采取以问题为导向,以作业、专题研究报告、组织研讨课、研究性实验报告等为载体的探索式教学模式.[5]教学方法上,以开拓学生学习兴趣,积极主动获取知识为主,教师正确引导和总结为辅,变学生被动学习为主动学习和课堂内外多途径获取新知识的方式.[6]
在教学手段上,开发了多媒体课件,将传统教学同多媒体、FLASH、网络等现代化的手段相结合,使教学内容更加形象直观,易于理解.另外,将仿真技术引入到教学中来,进一步丰富教学手段.仿真教学包括制作仿真型课件供课堂教学使用,编写或利用具有仿真功能的软件进行仿真实验.[7]例如对设计好的数字控制器进行验证,从理论上讲解显得很枯燥,学生理解起来也困难,可利用仿真软件对控制系统进行仿真,学生可直观地看到控制效果,加强感性认识.
在课堂教学中,采用知识点讲授、课堂讨论和测验、工程实例分析相结合的方法,注重师生之间的双向沟通,处理好概念与应用之间的关系,做到层次分明、精讲多练.以形式多样的大作业为载体,鼓励学生探究式学习.[8]
第一,在教学过程中,当讲解完数字控制器的设计、复杂控制系统等知识后,以大作业的形式,让学生对课后习题进行仿真练习,一方面验证理论计算的结果,另一方面提高学生的软件编程能力.
第二,利用丰富的网络资源和图书馆的数字资源,让学生检索查阅计算机控制技术在电厂过程控制中应用的文章,包括PID参数优化、PID在电厂热工过程中的应用、前馈-串级控制技术的应用、Smith预估控制技术的应用等研究方向,锻炼了学生的文献检索能力.
三、多层次实践环节相辅相成
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.[9]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,进而提高学生的的工程意识、工程素质和工程实践能力.[10]本课程设置了实验课、课程设计、实习、毕业设计和课外科技活动等实践环节,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,对理论课进行有效的扩充和延展.
1.实验教学的改革
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.[6]以往实验多为验证性的,缺少让学生自己动手设计并调试数字控制系统,因此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.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和步进电机转速控制.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和算法编写,及时巩固了理论知识,又提高了实践动手能力.2.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.[10]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.为了实现课程设计的多样性,在原来课程设计的基础上又增设了一些设计题目.第一,以倒立摆系统和水箱为被控对象进行控制系统的设计,并通过MATLAB软件进行编程仿真验证控制策略的有效性；第二,利用单片机设计并开发能自动循迹和调速的电动小车控制系统,完成硬件电路的设计、软件设计和实物制作等.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,达到了“软硬兼施”的目的.
3.毕业设计和实习
理论课、实验课和课程设计学时有限,要想全面提高学生综合实践能力和计算机控制技术的应用能力,还需要通过毕业设计和实习等实践环节进一步强化.通过数字PID控制算法及仿真研究、电厂锅炉燃烧模糊控制系统的设计、神经网络在PID控制器参数整定中的应用、基于PLC的火电厂输煤程控系统设计、基于单片机的交通灯控制系统设计等综合性毕业设计题目,让学生得到更全面的锻炼.
自动化工程学院与国电吉林热电厂、丰满发电厂等企业建立了良好的合作关系,在大四下学期学院组织学生去企业参加认识实习,同时到学校电力运行仿真中心进行仿真实习,使学生熟悉电能生产、输送的整个过程,了解电厂DCS系统的组成和运行,对过去所学的专业知识能够进一步加深理解和融会贯通,也得到了操作技 能的训练,毕业后能很快适应生产现场的需求.
4.开展丰富的课外科技活动
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较好的成绩.
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.虽然在计算机控制系统课程改革中取得了一些成绩,积累了一些经验,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.在学校“卓越计划”的培养目标下,要面向企业,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.