郭文会

北京林业大学 北京 100083

整合优化工业控制实验课程的教学改革与实践

郭文会

北京林业大学 北京 100083

本文以工业控制实验室为教学平台,优化实验教学环境，通过对传统的课堂实验内容进行整合优化，压缩了12学时,打破以往以验证性实验为主的教学模式，增加了创新性实验,提高实践教学效率,经过两年的实践，取得了良好的效果。

实验教学；工业控制；创新性

工业控制实验课程是自动化专业课程教学的重要环节。加强实验教学环节，有利于巩固学生的基础理论知识，培养学生的逻辑思维、动手能力、创新意识与创新能力。工业控制实验课程既包含有专业基础课实验内容又含有专业课的实验内容，其特点是内容较多、各部分之间互相交叉，理论与实践紧密结合。为适应培养基础扎实且具有创新能力人才的需要，提高实验效率，理清各部分的关系，将实验教学内容及过程交叉与融合,整合优化工业控制实验课程，建立完善的实验课程体系，对于人才培养具有重要意义。

一、课程改革的思路

目前，与工业控制实验的系列课程包括：单片机原理及应用、微机原理与接口技术、可编程控制器、计算机控制系统、工业控制基础等课程，传统的实验课穿插于理论教学中，学生有重视理论教学，轻视实验的观念，且由于各门课程的相关实验独立开设，实验内容存在一定程度的交叉与重复，且不利于学生形成系统的观念，为提高实验设备的使用效率，对工业控制实验相关内容进一步改造，是实验教学改革的重要工作之一。

优化整合的实验课程设置从四个方面入手，第一，遵循自动控制专业本科生人才培养的要求，按照先基础，再综合提高，后创新的原则，建立实验技能培养方案；第二，从课程设置的机制上保证课程的地位，工业控制实验课程作为必修课，与理论教学分开，采取单独开设、计算学分的方式；第三，提高实验效能，压缩验证和重复试验学时；第四，增加综合和创新实验内容，提高效率，注重理论与实践相结合，把每个实验的知识点进行梳理，改善条块分割的局面，使学生巩固基础理论同时，能够形成系统知识体系，通过创新设计试验培养学生创新能力。

二、工业控制实验课程构成体系和实验要求

工业控制实验课程构成体系由三大模块设计和一个创新性设计实践组成。其中，三大模块为单片机/微机原理实验系统、自控/计控实验系统和可编程控制器模拟实验组成。

单片机/微机原理实验系统要求学生掌握计算机硬件的基础知识以及汇编语言(或C语言)指令。在微机原理及接口实验后，把实践环节的重点放在单片机系统上，包括简单I/O扩展电路、并行接口电路实验、定时器/计数器电路实验、A/D转换实验、D/A转换实验、PI口扩展实验、中断实验(交通灯)、双机串行口实验、8279键盘和显示实验。

自控/计控实验系统包括自动控制理论实验和计算机控制实验两个实验部分。自动控制理论实验是自动化专业的核心基础和应用实验。要求学生掌握控制的基本理论和应用方法，包括二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、连续系统串联校正、非线性及相轨迹。计算机控制实验包括扩展接口实验、LCD实验、数字滤波器实验、数字PID控制实验。

可编程控制器模拟实验。要求学生在掌握理论的基础上，综合运用控制理论并通过计算机手段实现控制，包括LED数码显示、礼光之花、十字路口交通灯、三相异步电动机及电梯控制系统。

创新性设计实验。在指导教师和实验室教师的指导下，学生自主创新完成一个创新性设计实验。

学生根据创新性实验要求，明确实验目的，查阅相关资料，制定相应的设计方案，自行设计电路，运用相关软件模拟实验,调整或修改设计方案,最后，在相关仪器设备上，进行实际操作实验，完成实验设计方案。

创新性实验以学生为主体，采用交互式实验教学方式，可加强学生实验理论基础知识的综合运用能力。

三、实施条件

工业控制实验课程的相关设备包括：

1.单片机教学实验系统

(1)有联机和单机两种运行模式，中文的多窗口操作界面，编辑、编译、链接、调试与一体。支持8051调试、汇编语言、C语言编辑调试，也可运行程序操作指令或机器码，并显示在LED数码管上。

(2)多种电源接口可与PC机和外接电源开关电源相连。

(3)提供至少三种方式的可编程器件，其中包括在线编程。

(4)可选用80C31、8086、80C196CPU中的任一种，涵盖微机/单片机教学实验、接口、微机控制等课程的基本要求。

(5)外围的扩展接口电路包括：CPLD、并行接口、8253可编程定时器、8279键盘、A/D、D/A转换等。

2.自控/计控实验系统

(1)有输入/输出接口及扩展单元。输入输出点40点以上，输出有三种形式：继电器、晶体管和双向输出。

(2)手持编程器及外部设备接口。

3.可编程控制器模拟实验

自动控制USB数据采集器

(1)有AD/DA采集卡，AD有10位采样位数，采样率1KHz，DA有10位转换位数，1K的转换速率。

(2)实验模块有放大器、若干个电阻、电容等实验模块组成。

(3)有AD/DA卡输入输出模块，输入和输出端各两路。

(4)有变阻箱及变容箱模块。

在实验室管理上采取任课教师和实验教师共同指导学生的实验和创新研究，理论和实验有机结合，保证方案的正确性和可操作性。实验系统采用开放式模块化设计思想，学生可根据需要使用相应实验设备，保证其灵活性、扩展性。实验室8小时对学生开放，采取预约的管理模式，保证学生的实验条件，为学生提供方便快捷的实验和研究条件。

四、实践效果

自动化课程的特点是理论知识比较抽象，而实践环节更需要具体化，这样才能开阔学生思路、巩固理论的效果、提升学生学习的兴趣作用、把枯燥的理论和有趣的实验相结合，从而提高学生的动手能力。课程改革自2007年开始实施，已应用在我校自动化专业和机械设计及自动化等相关专业工业控制实验的实践，经过两年的实践，取得了良好的效果。

1.培养学生的动手能力和创新能力

单独开设，独立学分，在机制上保证学生认真对待实验课程，测重培养学生的动手能力、创新能力。使学生面对问题独立思索，培养了自己解决问题的能力。

2.节约了学时，提高了效率

课程教改后，工业控制实验室开设的5门相关实验课程，总学时由72学时精减为60学时，压缩12学时，即节约学时，又提高了效率。原来的教学实验环节大多为验证性实验，是在实验指导书和教师的指导下完成，学生的思路和个性受到了制约，不利于学生创新能力的培养。整合优化实践教学后，打破以往以验证性实验为主的教学模式，在原有实验基础上提高要求，删减一些验证性和重复交叉实验，例如：自动控制理论实验删减了典型环节及其阶跃响应实验，增加了一些创新性实验，例如：增加了系统串联校正的综合创新性实验，提升学生的创新能力。

3.调动了学生学习的积极性，提高了综合解决问题和创新能力

在近几次电子大赛的准备中，学生利用假期时间在教师指导下利用现有设备，收集大量的资料，了解行业的发展状况，购置一些相关构件，搭建系统，完成设计，并进行了实施，学生多次获得多个奖项。这项改革提高了学生对实践环节的主动性、积极性，要求参赛的学生人数在逐年增加。学生电子大赛也受到了社会的广泛关注，一些知名企业和著名高校的保研工作都有优惠条件优先录用和录取。

4.学生的反馈和教学效果的评价

实验教学不仅是教学必要环节,还是一项专门的实践活动。实验整个过程以学生为主导，充分考虑学生的知识储备，并尊重学习规律，系统、全面地使学生个人的潜能得到充分发挥。

改革后的实践教学环节受到学生的普遍欢迎，学生上课的积极性和主动性明显提高，而且在实验课程中学生认真思考，主动提问并与教师进行讨论，开阔了学生的思路，激发学生的求知欲望，提高了学生发现问题和解决问题的能力，收到了良好的教学效果。

五、工业控制实验课程教学实验平台人员和职能

教学实验综合平台上设置的实验进行管理, 包括对实验的组织和管理、学生的组织和管理、实验资源的组织和管理, 对于实验教学内容的各类活动的组织和管理, 以及对实验内容各项活动的最后评价等。

1.实验管理人员的组成

实验管理人员的组成由三方面的人员组成：教师(理论)、实验室管理人员(实验)、学生。以学生为主体，教师讲授基础理论知识，实验室管理人员设计基础理论相关的必要实验，做到理论和实践系统化的有机结合。

学生作为主体体现在参与并完成教师安排的每个实验学习活动，以及在学习过程中提出问题，通过师生互动或学生讨论来解决问题。

2.实验教学的评价

采用过程性评价,目标与过程并重的价值取向，主张内外结合的、开放的评价方式，主张评价过程与教学过程的交叉与融合，评价主体与客体的互动与整合，对学习的动机效果、过程以及与学习密切相关的非智力因素进行全面评价，它包括对学生的学习质量水平作出判断,肯定成绩，找出问题；促进学生对学习过程进行积极地反思,从而更好地把握学习方式和方法。

[1]刘文定.“自动控制理论”综合设计性实验探索与实践[J].中国林业教育，2009,增1

[2]刘文定.加强课程体系建设促进创新人才培养[J].中国林业教育，2009,增1

[3]王铁云.基于Moodle优化大学物理实验教学的探究教材[J].中国电化教育,2008, 5

[4]张军国.以电子设计大赛为契机加强大学生创新能力与实践能力的培养[J].中国林业教育,2009,增1

Teaching reform and practice in the course of Industrial control experiment by integration and optimization

Guo Wenhui
Beijing forestry university,Beijing,100083,China

In this paper, we discussed on teaching reform and practice in the course of industrial control experiment. A new teaching platform of industrial control experiment was put forward to integrate and optimize the traditional experiment contents. Innovate experiment were added to the new teaching platform, and thus 12 class hours could be compressed. After the new teaching platform conducted for two years, we made a good experimental teaching effect, which broke through the old mode of verified laboratory-based experiment and improved the efficiency.

experiment teaching；industrial control；innovation

2009-11-02

郭文会，本科，实验师。