完善实践教学体系与平台，加强创新和实践能力培养

完善实践教学体系与平台，加强创新和实践能力培养^[1]

孟正大^[2]

（东南大学自动控制系　江苏　南京　210096）

摘　要　本文介绍了该校自动化专业在建设国家工科基础课程（电工电子）教学基地、构建电气电子信息类基础课程平台、建设电工电子基础实践教学体系与平台的基础上，建立起本专业的实践教学体系与平台，加强创新与实践能力培养的实践过程。近年来的教学实践检验证明这些改革和建设成果为全面培养高素质的创新人才打下了扎实的基础，取得了较好的教学效果。

关键词　自动化；实践教学体系；实验平台

中图分类号　G642.0　　　　　　　　　　　　文献标识码　B

文章编号　1006－7167（2005）Z－0090－04

一、引言

建设国家工科基础课程教学基地是继建设国家重点学科和重点实验室之后所采取的一项旨在提高教学质量的重要举措。经过近8年的努力，东南大学的电工电子基地以优异成绩通过了专家的验收评估。该成果为自动化专业构建了与其他电类系共享的基础课（电工电子）教学平台，为本专业的人才培养方案制订、实践教学体系与平台建设等奠定了重要基础。以此为契机，我系对课程体系与教学内容、实践教学体系进行了全面系统的改革，拓宽专业口径，重视素质教育，加强实践环节，突出创新能力培养，从实验内容、实验方式到管理方法进行全面改革。该方案已在本科教学中全面实施，并取得了明显成效。通过实验内容与方式的改革、实验室开放、学生参与科研、电子设计竞赛等，使学生的实践能力和创新精神得到了明显提高。

东南大学自动化专业已建设有多层次、多种类、功能齐全的国内一流水平的教学实验室。一、二年级拥有校级的计算机中心、电工电子实验中心、工培中心、物理实验中心、化学实验中心等；三、四年级拥有校级的计算机硬件应用实验中心（挂靠本系）、电子信息实验平台和机电控制实验平台（在建）和自动化实验中心（挂靠本系）。

近两年来，在学校的支持下，通过与美国罗克韦尔公司合作，我系利用该公司资助的具有世界一流水平的自动化设备与系统（每年约50万元），以与电气工程系、机械系等兄弟系联合建设资源共享的方式，与学科建设、“211”工程建设紧密结合，建设了高水平的反映当前学科发展水平的自动化实验中心。通过与美国TI公司合作，建立了DSP控制实验室；通过与美国英特尔公司合作，建立了嵌入式系统实验室；通过与台湾凌阳公司合作，建立了单片机实验室。这些实验室作为学生开展教学实验、科研活动和创新活动的基地，发挥了日益重要的作用。

依托国家重点学科的学科优势，通过“211”工程建设，我系已建设有先进的学科实验基地，包括综合自动化实验室、制造系统及其自动化实验室、机器人及运动控制实验室等，实验场地达1100平方米以上，有价值近千万元以上的先进软硬件实验设备、资料齐全的专业资料室。这些也成为学生开展教学实验、科研活动和创新活动的基地。

二、电工电子基础实践教学体系与平台

电工电子实践课程从电类基础实践教学和创新实践教学的需求出发，将“电工电子实践初步”、“电子线路实践”、“电路与数字逻辑设计实践”、“综合电子系统设计与实践”等几门课程进行大幅度的整合，既与理论教学相互配合，又自成体系具有相对的独立性，以传授实验基础知识、基本方法、基本技能，培养知识综合运用、系统设计能力、工程实践能力和创新实践能力为主要目标，配合电工电子理论教学，系统性、分阶段地完成电工电子基础实践教学。

电工电子实践课程是东南大学国家级电工电子基础课教学基地中实践教学的主体，是东南大学电工电子类专业课程体系与内容的教学改革的产物，是组成东南大学电工电子类专业技术基础课平台的重要课程之一。

1.建立形式多样，课内外相结合的电工电子实践课程体系。课程体系由“实验基础知识”、“EDA工具应用”、“电路实验”、“数字逻辑实验”、“电子电路实验”、“综合电子系统设计”等实践教学单元构成，各单元有各自的教学要求，又相互呼应，以一系列精心选择的实验为载体，将实验的基础知识、基本方法和基本技能有计划地贯穿在各个教学单元之中，电工电子实验中心从工科电类课程实践教学和工程训练需求出发，建立包含电工电子实践基本知识、工程技能训练、实验教学模块、各类型课程设计、不同形式课外科技实践活动和学科竞赛在内的形式多样、课内外相结合、覆盖电类基础课和专业基础课的实践教学体系，向学生提供菜单式的实践教学服务。

2.创造综合开放的实践教学条件，建设立体化教学资源。为了更好地服务于实践教学，从培养创新型、复合型、研究型和工程型人才的需要出发，给学生搭建了一个自主发挥和施展才能的环境，构建了一系列具有不同针对性的综合实验室。为了培养学生的自主学习和实践能力，逐步建设了网络化的实践教学平台，以实践系列教材、多媒体网络课件、网络教学平台等构成立体化教学资源，学生可以通过网络自由地预约实验时间，可以在完成基本要求的前提下自由地选择实验内容。开放式实验使学生可以自主地安排实验时间和内容，学生有了自由发挥和进行创新实践的时间和空间。

3.建立了全面的实践教学管理和教学质量保障体系。电工电子实验中心建立了包括管理规章制度、实践教学质量监控、考核评价体系、网络化实践教学管理在内的实践教学管理和教学质量保障体系。

在国家级工科基础课程电工电子教学基地验收中，理念先进的实践课程体系、师资队伍建设、开放式实验教学、立体化教材建设，课外创新实践活动以及综合实验环境建设等改革成果，得到教育部验收专家的充分肯定和高度赞扬。

三、计算机应用实践教学体系与平台

计算机类课程实践教学主要分为计算机软件和计算机硬件两大类。计算机软件类主要包括计算机文化基础、C语言与程序设计、软件技术基础、数据库原理及应用、自动化工具软件和计算机强化训练等课程实践环节。从原理到应用，从基础到提高，从单元技术到系统技术，这类实践环节主要在我校计算机中心进行。

针对学生普遍存在的“欺软怕硬”现象，结合1995—2000年的东南大学“面向21世纪教育部高等工程教育项目——电工电子系列课程教学内容与课程体系改革的研究与实践”课题的研究工作和实验环境建设，以研究型人才培养为主，兼顾应用型人才培养的目标，构建了具有时代特征与当代高素质创新人才培养要求相适应的计算机硬件应用实践教学体系；由我系负责，在全校范围组织建设一支素质好、教学水平高、结构合理的师资队伍的同时，全面地参考和吸取了国内外同类课程实践教学的特点，修订了课程教学大纲和考试大纲；规范完善了课程管理制度；开发建设了高水平的实验环境“东南大学计算机硬件应用实验中心”。以此实验环境为依托，在教材、教学模式、教学内容、教学方法和手段以及考试方法等方面进行了一系列特色鲜明的改革和创新。

该项改革的主要内容是：理论课与实践课相对独立，增加了实践学时和内容，突出实践课的重要性；兼顾基础性和先进性、前沿性，稳步开展32位微机的理论与实验教学；给学生提供先进的实验平台，提供内容新颖、强调动手的实验内容（题目）。

该中心配备有我系自己研制开发的近200台套的计算机硬件应用实验设备。基于自己研制的一整套9种不同的计算机硬件应用实验设备，开发了一系列有特色与创新的“计算机硬件应用单元实验与综合设计实验”（有配套教材），包括单元实验10个，综合设计实验4个和综合测试实验10个，综合测试实验提供了各类应用系统的原型。

东南大学计算机硬件应用实验中心面向全校开设微机硬件应用原理和综合实践课程，提供本科教学微机系统单元与接口技术，计算机检测、控制，通信系统与综合设计等各类实验，并为自动化专业建设提供基于微机、单片机、嵌入式系统、数字信号处理器DSP的实验教学和综合应用开发环境。实验中心现有实验用房500平方米，配有微机100台，最多可同时接待基本实验120台组；近3年年均接待学生实验、毕业设计和综合训练人时数达6万。

该中心与国内外著名公司合作，建设了单片机实验平台（20台套MCS－51单片机、30＋30台套台湾凌阳多媒体单片机）、嵌入式系统实验平台（15台套htel多媒体嵌入式系统）和数字信号处理器DSP实验平台（12台套TMS320－28XXX系列DSK系统），重点建设开发了基于PC微机、MCS－51单片机、台湾凌阳单片机和DSP的四大类综合实验装置。

四、自动化技术与系统实践教学体系与平台

以实践能力、工程设计能力、创新能力培养为目标，在学校和系的支持下，与美国罗克韦尔自动化公司合作，借助于该公司捐赠的世界一流设备，面向自动化类专业学生（包括自动化，机械制造及其自动化、电气工程及其自动化、测控技术等），建设了开放式、多层次、自主型工业自动化实践与创新基地，可满足教学实验、毕业设计、课外实践与创新活动、实际科研课题研究、实际产品研发、实际工程项目实施和教学实验装置研究等多种不同需要。

1.建设内容

目前已建成下面两个层次的实验平台，并在这两个平台基础上逐步形成了开放式、多层次、以自主和创新为主题的工业自动化实践与创新体系。位于底层的是以可组态的控制系统和模型为核心的基本实验平台；位于上层的是以DeviceNet设备网和DCS系统为基础的综合实验平台，在满足基本教学实验的基础上，基本实验平台和综合实验平台分别向专业深度和宽度两个方向延伸。由于模型和控制设备都是组件式的，可以像搭积木一样自由组合，以满足特定工程或实验的需要，从而为培养学生的动手能力、创新思维提供了极好的素材。

在该中心建设过程中，我们自始至终贯彻以下建设思路：尽量强化学生的“系统设计”概念；重视基本实践技能训练；强调开放性、多层次和自主性；尽量使建设内容与工程应用接轨；尽量将原理验证与实际产品使用相结合；尽量弥补课程设置的不足；尽可能让学生接触到先进控制系统。

目前，该中心拥有一系列在工业上得到广泛应用的先进控制设备，包括AB MicroLogix系列可编程控制器（PLC）、AB变频器、罗克韦尔ProcesLogis分布式控制系统（DCS）、罗克韦尔RSView监控系统组态软件、罗克韦尔Arena仿真软件、AB DeviceNet现场总线设备等。已建成的与工业应用密切结合的模型包括十层电梯机械模型、液位流量复杂过程控制对象、大功率交流电动机—直流发电机机组交直流调速实验装置、交通灯系统、绘图仪系统等。

自行研制开发的11种综合应用开发平台具有设计新颖、技术先进、贴近工程实用、富有自动化特色，而结合捐赠先进设备构建的大型综合实验平台，包括多变量（电压、电流、位移、转速、温度、流量、液位等）自动检测与复杂过程控制、基于现场总线的远程过程监控系统、光机电和计算机一体化的机器人控制系列等，大大加强和突出了未来学生对自动化技术的综合学习和应用能力及科技创新能力培养。

中心建成以来，已开设包括PLC原理及课程设计、电力电子技术、电机原理与拖动、自动控制系统、过程控制及仪表、计算机控制技术、智能控制等课程的多层次的近50个实验；为自动控制系和其他系的课程设计、毕业设计、课外创新活动、研究生培养、教师科研提供了极好的平台，培养的学生受到了工业自动化领域用人单位的好评。

2.主要特色

（1）建立开放式、多层次、自主性工业自动化实践与创新体系

①在PLC原理及课程设计等课程中，在教学方式上坚持以学生自主和自学为主的开放式实验教学方式。

②在各课程实验中，提供多层次实验，因材施教，实施多模式培养。

③注重教学与科研的结合，鼓励优秀生参与科研。

（2）更新实验内容与方式

①强化“系统设计”概念。突破传统的单机模式，强调系统的集成与控制，给学生提供丰富的对象控制器和网络，学生可根据任务要求自行设计、组成各类控制系统，自主设计控制算法，自主编程与调试，突出培养了自动化类学生的特长。

②理论教学与实践教学相结合，将原理验证与实际产品使用相结合；强化“现场”概念，使用工业应用中常见的大功率电机等设备；增加使用常用电器与电气设备的实验；尽量使用当前工业上实际使用的工业产品。

③与工程应用接轨，使学生有机会接触先进控制系统。由于现在工业控制系统设计的主流方式之一是“PLC＋变频器＋组态软件”，但传统模拟仪表还可以在许多老系统中见到，因此我们既要求学生用模拟仪表对对象进行控制，同时还要求学生综合使用AB系列的PLC、变频器和组态软件，对对象进行建模和控制。过程控制中分布式控制系统（DCS）是最常见的控制系统，我们充分利用与罗克韦尔公司的合作关系，购买了最小配置ProcessLogix DCS系统，用于实现对液位、流量复杂过程控制对象的控制，这样既能服务于科研和研究生教学，也能让高年级本科生接触到DCS的设计和开发过程。

（3）改革实验平台结构，增加灵活性，提高利用率

①强调实验平台的积木化和柔性化。如在大功率交流电动机—直流发电机机组交直流调速实验装置和过程控制实验装置中分别设计有自动与手动方式多种不同控制对象（如速度、位置、温度、压力、流量和液位等）、多种不同电器与开关、多种不同功率放大模块、多种不同检测仪表，学生可自行设计组成各种不同控制系统。

②先进的现场总线技术与教学实验结合，实现基于网络的监控。现场总线技术是应用于生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放式测控网络技术。该技术适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，DeviceNet网络是当前工业领域中应用比较广泛的一种现场总线。本项目的DeviceNet网络集成监控部分对教学与工业领域的实际现状相结合有重要意义。

五、结论

构建先进完善的自动化专业实践教学体系与实验平台对于培养具有创新精神的高素质研究型自动化人才具有十分重要的意义。坚持“宽口径、厚基础、高素质、强能力”方针，在建设国家工科基础课程（电工电子）教学基地、构建电气电子信息类基础课程平台、建设电工电子基础实践教学体系与平台的宽厚基础上，建立起本专业的实践教学体系与平台；突出计算机能力，特别是计算机硬件应用能力培养；重点加强系统与集成、控制与优化能力培养。近年来的教学实践检验证明这些改革和建设成果为全面培养高素质的创新人才打下了扎实的基础，显著提高了学生的电工电子基础实践能力、电子系统的设计开发能力、计算机硬件应用能力与动手能力、自动化设备与系统的研究开发能力，取得了非常好的教学效果。

参考文献

［1］戴先中.自动化学科（专业）的知识结构与知识体系浅析［J］.中国大学教学，2005（2）

［2］戴先中，等.国家精品课程：微机系统与接口（理论与实践）［EB/OL］.http：//jwc.seu.edu.cn/jpkc/declare/08wjjk.2004－7

［3］陈怡，等.东南大学国家电工电子基础课程教学基地［EWOL］.http：//jwc.seu.edu.cn/jxcg/chenyi/defauh.htm.2004－7

【注释】

[1]本文原发表于《实验室研究与探索》，2005年第24卷增刊。

[2]孟正大，副教授，自动控制系副主任。