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摘要：针对现有实验课程存在的问题，介绍对自动控制理论和传感器与测试技术等测控类课程群的综合实验教学模式的研究，包括测控类课程群综合实验课程的实验内容、教学模式和改革办法。同时也评述了测控类课程群综合实验的主要特点。
关键词：测控类；课程群；综合实验；设计型实验；自主实验
作者简介：王扬扬（1979-），女，辽宁海城人，沈阳航空航天大学自动化学院，工程师；许谨（1977-），男，陕西礼泉人，沈阳航空航天大学自动化学院，工程师。（辽宁 沈阳 110136）
基金项目：本文系沈阳航空航天大学教学改革项目（项目编号：JG120702EZ）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）19-0145-02
我国的高等教育正进一步强调加强本科工程技术型人才的培养，提高学生的自主创新能力。沈阳航空航天大学针对新形势要求及自身的办学特点，加大了改革的力度。通过课程改革，设立创新班，实施创新训练计划，增加课外实践训练学分等多种灵活措施，因材施教，培养学生的创新实践能力。这些措施必须依靠实验教学实现，原有的实验教学模式已不能适应现代大学的教学需求。
因此，针对自动化学院的主要专业方向测试控制，研究和开发测控类课程群的综合实验教学模式，通过实验教学的改革，引导学生的兴趣爱好，提高他们的实践能力，实现校门到厂门的完美对接，增强就业竞争力并扩大就业领域。
一、现有综合性、设计性实验存在的问题
目前国内各高校的实验教学均非常注重学生设计能力、创新能力的培养，在保留一定比例的验证性实验的基础上，普遍加大了综合性设计实验的比重。[1-3]
综合性设计实验的最大特点是，教师只给出实验任务和目的，学生结合一门课程的若干理论知识独立自主地设计实验方案和实验步骤。教师评定学生的方案，并指导学生完成实验。例如测控技术课程中的温度闭环控制实验，要求学生利用课堂中学习的PWM驱动、ADC0809工作原理、PID控制算法、数据预处理和监控程序设计等理论设计和搭建实验线路，独立设计单片机控制程序并进行实验调试。
这类实验虽然在一定程度上体现了学生的自主性，但目前在实际操作中仍存在下列问题。
1.缺少课程间的联系，无法从系统的高度把握所学知识
在生产实践中，一个测试系统包括传感器、测量电路、计算机数据采集系统、信号分析处理系统、显示和记录系统，并与被测对象的专业知识、生产工艺、机械原理、系统动力学等紧密结合，需要多门课程的理论支撑。但是现有的综合性设计实验隶属于单门课程，只涉及其中的一个或两个模块，系统各模块之间的联系被割裂，学生不能全面了解设计的根本目的。
2.实验设备落后，制约实验效果
因为实验依托传统的实验箱，所以试件选择、方案设计受到实验箱本身的固化模块和设计指标的限制，方案设计的选择余地不大。此外，实验设备的更新较慢，不能适应新技术和新方法的应用。
3.实验对象抽象，实验结果不直观
以温度闭环控制实验为例，实验元器件被封装在实验箱中，学生只能通过引出的部分排线引脚搭接模拟电路，通过改变控制程序中的PID参数，由上位机的温度变化曲线反映温度控制效果。虽然在实验电路和实验程序的设计上，实现了学生的自主设计，但是与实际生产环节的联系不紧密，学生对完整测控系统的实际运行情况没有直观感受，难以激发兴趣。
4.自主学习的空间受到限制
由于实验学时有限，使自主学习的空间受到限制，教师的讲解和指导仍在综合设计实验中占很大比重，限制了学生的发散性思维。如果实验过程中出现问题，学生的依赖性较强，缺少分析解决问题的动力，不利于培养独立工作的能力。
5.实验考核体系单一
传统的实验报告多是填空式的形式，学生机械地抄写实验目的、实验原理、实验方案和步骤、实验结果等，与工程实际的技术文件有很大区别。不能深入总结实验过程，分析实验结果并形成工程技术文件。
针对上述问题，对测控类课程群的实验课程进行改革研究，探讨更贴近生产实践的综合实验教学模式。
二、基于课程群的综合实验教学模式
1.基于课程群的综合实验课程的目的和配置方式
研究测控类课程群的综合实验教学模式，打破单门课程的界线，培养学生综合应用多门课程（电子电路，工业企业自动化，微机原理及其应用，传感器与测试技术，工程力学，工程制图等）的背景知识，独立设计小型工程系统的能力。
以课程群为基础设计实验课程，根据理论课课程群的培养方案，整合实验课程。对只涉及单门课程基本理论的基础类实验，列为课内实验，实验成绩作为平时表现计入最后的课程总成绩。课内实验以验证实验为主，主要引导学生入门，训练使用实验器材的基本技能并且培养严谨的实验作风。
对综合多门课程知识的实验，建立实验课课程群培养模式，以创新训练课或课外实践训练课的形式单独设置学分。根据一个实际生产测控系统的生产流程分解成若干模块，采取模块化逐段教学方式，开设时间和开设内容不必受单门理论课程的限制，可跨课程、跨学年开设，[4]实验学分以学分制方式统计，完成一个模块，教师给出一个成绩，最终在规定时间内完成规定的学分要求。
2.实验课课程群的具体实施方法
（1）实验内容设计。设计若干系统项目，例如流程工业的轧机控制，汽车生产装配线控制，桥梁、机车等设备的结构应力分析和振动测试，智能小车的控制等等。学生可根据兴趣自由选择一个题目。另外，增开工程制图、电子制作技能和虚拟软件等实践课，使学生熟练掌握虚拟器件的设计和电气原理图、电气接线图和电气安装图等完整工程图样的绘制；学会电子元件选择和检测，电路版的设计与制作，进行组立调试及试运转实验。要求学生根据所选题目，按照工程实际项目的要求，进行仿真设计验证，实际制作相应的电源、放大电路、检测、控制、接口、通讯和传动等一系列模块，有步骤地完成系统的设计、安装、施工、调试与测试，技术文件的编制。通过各种实验模块的开发，既锻炼了学生的动手能力，又增加了实验设备的数量和使用范围，学生可灵活组合各模块，用于不同的实验项目。这种直观具体的学习成果会极大地激发学生的兴趣。 （2）教学模式。实验教学模式以学生自主学习为主，教师可以做启发式的答疑解惑。例如原有的PID控制实验，学生只是简单调整控制参数，通过观察控制曲线的变化验证经典的PID控制口诀，而自主式实验教学要求学生将PID控制应用到一个真实的对象上，学生可以用PID控制小车按某一规定路线行走，也可以用PID控制一个密闭容器内的温度变化。通过直观的实验结果加深理论理解，了解控制环节对系统整体性能的影响，学会从系统角度设计实验方案。此外，还要学会自主分析实验过程中出现的问题，引导学生利用专业知识分析问题，根据系统要实现的功能，分模块逐段检测，并能使用专用工具和各种检测设备（数显万用表、示波器等）确定问题的位置和原因。通过实验失败和成功的切身体验，掌握科学研究、生产实践的一般规律和方法，真正做到授之以“渔”。
（3）改革实验考查方法。以工程技术文件撰写和答辩的方式评定学生的实验成绩，同时培养学生的表达能力和编制工程技术文件的能力。
（4）实验改革的模式。根据学生培养计划的不同，在沈阳航空航天大学自动化学院，选择部分学生分两种模式进行实验改革的尝试。
第一种模式的研究对象为大二大三课外兴趣活动学习小组的学生。这些学生已经过主干专业课和多项基础实验的学习，按传统的培养计划完成了大部分学分要求，并且通过兴趣小组的培训掌握了基本实践技能，因此对他们直接进行工程系统综合实践的训练。依托大纲中的实践环节“综合能力培养和创新思维训练”，教师或者学生自主设计一些与工程应用结合较紧密的题目，如“智能机器人避障”，“车辆载荷测试”等，几个学生为一组完成任务，具体过程分为以下几个阶段：第一阶段，系统需求分析；第二阶段，总体方案设计；第三阶段，系统安装施工；第四阶段，调试与测试；最后，答辩和技术文件的编制。经过近一年的教学改革实践，在2012年的飞思卡尔杯智能车大赛上，三组学生分别取得了二、三等奖在2013年的沈阳市第四届“福田杯”智能机器人大赛中取得了第一名的好成绩。
第二种模式以2012年9月1日入学的自动化学院创新班为实施改革的对象。第一阶段，紧密结合新的培养计划，进行专业技术基础理论课的基础类实验训练，认知电子元器件的使用检测；第二阶段，训练工程制图和电子制作技能，通过简单电路的设计制作，加深基础理论的理解，提高动手能力；第三阶段，加入高年级学生的兴趣小组，参加大学生竞赛、[5]课外实践训练等活动，了解开发工程系统的工作流程；最终，自己独立承担一个小型工程项目的设计开发。这些学生由于接受培训的时间较短，目前还不能最终检验基于课程群的综合实验教学的改革成果，但通过新教学模式的学习，学生们已进入高年级学生负责的兴趣小组，开始参与学校的智能拉力车比赛，其接受新知识的能力和速度都较往届学生有大幅度提高，工程意识和动手能力都显著增强。
三、结论
这种课程群综合实验的教学模式把工程技术的总体思想渗透给学生，使他们在实验中形成团队意识、创新意识、科研意识和工程意识，了解现代工业生产流程，接受工业生产的基本训练，增加工程实践能力和创新能力，使学生的知识和技能适应于生产和科学研究的很多领域，例如航空、石化、钢铁、汽车和轻工业生产的流程控制；桥梁、建筑、航空和机车等设备的应力或结构动力学分析；设备的安全检测和故障诊断，空气压缩机和汽轮机等大型回转机械的振动监测等等。学生动手开发的设备也为实验室设备的更新改造作出贡献。
参考文献：
[1]欧阳玉祝，欧阳卉，肖竹平，等.基于产学研一体化的综合化学实验教学研究与实践[J].实验技术与管理，2011，28（12）：15-17.
[2]曹荣敏，周惠兴，文华强，等.设计创新实验项目 培养工程创新能力[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：228-231，275.
[3]刘正义，林定笑.工科院校实践教学优化模式的探讨[J].实验室科学，2011，14（5）：30-32.
[4]盛旭敏，李又兵，王选伦.三学期制下工科专业课教学与实践模式探索[J].广州化工，2011，39（8）：149-150.
[5]肖春.面向卓越工程师培养的学科竞赛体系探索[J].浙江工业大学学报（社会科学版），2011，10（2）：205-209.
（责任编辑：刘辉）
关键词：测控类；课程群；综合实验；设计型实验；自主实验
作者简介：王扬扬（1979-），女，辽宁海城人，沈阳航空航天大学自动化学院，工程师；许谨（1977-），男，陕西礼泉人，沈阳航空航天大学自动化学院，工程师。（辽宁 沈阳 110136）
基金项目：本文系沈阳航空航天大学教学改革项目（项目编号：JG120702EZ）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）19-0145-02
我国的高等教育正进一步强调加强本科工程技术型人才的培养，提高学生的自主创新能力。沈阳航空航天大学针对新形势要求及自身的办学特点，加大了改革的力度。通过课程改革，设立创新班，实施创新训练计划，增加课外实践训练学分等多种灵活措施，因材施教，培养学生的创新实践能力。这些措施必须依靠实验教学实现，原有的实验教学模式已不能适应现代大学的教学需求。
因此，针对自动化学院的主要专业方向测试控制，研究和开发测控类课程群的综合实验教学模式，通过实验教学的改革，引导学生的兴趣爱好，提高他们的实践能力，实现校门到厂门的完美对接，增强就业竞争力并扩大就业领域。
一、现有综合性、设计性实验存在的问题
目前国内各高校的实验教学均非常注重学生设计能力、创新能力的培养，在保留一定比例的验证性实验的基础上，普遍加大了综合性设计实验的比重。[1-3]
综合性设计实验的最大特点是，教师只给出实验任务和目的，学生结合一门课程的若干理论知识独立自主地设计实验方案和实验步骤。教师评定学生的方案，并指导学生完成实验。例如测控技术课程中的温度闭环控制实验，要求学生利用课堂中学习的PWM驱动、ADC0809工作原理、PID控制算法、数据预处理和监控程序设计等理论设计和搭建实验线路，独立设计单片机控制程序并进行实验调试。
这类实验虽然在一定程度上体现了学生的自主性，但目前在实际操作中仍存在下列问题。
1.缺少课程间的联系，无法从系统的高度把握所学知识
在生产实践中，一个测试系统包括传感器、测量电路、计算机数据采集系统、信号分析处理系统、显示和记录系统，并与被测对象的专业知识、生产工艺、机械原理、系统动力学等紧密结合，需要多门课程的理论支撑。但是现有的综合性设计实验隶属于单门课程，只涉及其中的一个或两个模块，系统各模块之间的联系被割裂，学生不能全面了解设计的根本目的。
2.实验设备落后，制约实验效果
因为实验依托传统的实验箱，所以试件选择、方案设计受到实验箱本身的固化模块和设计指标的限制，方案设计的选择余地不大。此外，实验设备的更新较慢，不能适应新技术和新方法的应用。
3.实验对象抽象，实验结果不直观
以温度闭环控制实验为例，实验元器件被封装在实验箱中，学生只能通过引出的部分排线引脚搭接模拟电路，通过改变控制程序中的PID参数，由上位机的温度变化曲线反映温度控制效果。虽然在实验电路和实验程序的设计上，实现了学生的自主设计，但是与实际生产环节的联系不紧密，学生对完整测控系统的实际运行情况没有直观感受，难以激发兴趣。
4.自主学习的空间受到限制
由于实验学时有限，使自主学习的空间受到限制，教师的讲解和指导仍在综合设计实验中占很大比重，限制了学生的发散性思维。如果实验过程中出现问题，学生的依赖性较强，缺少分析解决问题的动力，不利于培养独立工作的能力。
5.实验考核体系单一
传统的实验报告多是填空式的形式，学生机械地抄写实验目的、实验原理、实验方案和步骤、实验结果等，与工程实际的技术文件有很大区别。不能深入总结实验过程，分析实验结果并形成工程技术文件。
针对上述问题，对测控类课程群的实验课程进行改革研究，探讨更贴近生产实践的综合实验教学模式。
二、基于课程群的综合实验教学模式
1.基于课程群的综合实验课程的目的和配置方式
研究测控类课程群的综合实验教学模式，打破单门课程的界线，培养学生综合应用多门课程（电子电路，工业企业自动化，微机原理及其应用，传感器与测试技术，工程力学，工程制图等）的背景知识，独立设计小型工程系统的能力。
以课程群为基础设计实验课程，根据理论课课程群的培养方案，整合实验课程。对只涉及单门课程基本理论的基础类实验，列为课内实验，实验成绩作为平时表现计入最后的课程总成绩。课内实验以验证实验为主，主要引导学生入门，训练使用实验器材的基本技能并且培养严谨的实验作风。
对综合多门课程知识的实验，建立实验课课程群培养模式，以创新训练课或课外实践训练课的形式单独设置学分。根据一个实际生产测控系统的生产流程分解成若干模块，采取模块化逐段教学方式，开设时间和开设内容不必受单门理论课程的限制，可跨课程、跨学年开设，[4]实验学分以学分制方式统计，完成一个模块，教师给出一个成绩，最终在规定时间内完成规定的学分要求。
2.实验课课程群的具体实施方法
（1）实验内容设计。设计若干系统项目，例如流程工业的轧机控制，汽车生产装配线控制，桥梁、机车等设备的结构应力分析和振动测试，智能小车的控制等等。学生可根据兴趣自由选择一个题目。另外，增开工程制图、电子制作技能和虚拟软件等实践课，使学生熟练掌握虚拟器件的设计和电气原理图、电气接线图和电气安装图等完整工程图样的绘制；学会电子元件选择和检测，电路版的设计与制作，进行组立调试及试运转实验。要求学生根据所选题目，按照工程实际项目的要求，进行仿真设计验证，实际制作相应的电源、放大电路、检测、控制、接口、通讯和传动等一系列模块，有步骤地完成系统的设计、安装、施工、调试与测试，技术文件的编制。通过各种实验模块的开发，既锻炼了学生的动手能力，又增加了实验设备的数量和使用范围，学生可灵活组合各模块，用于不同的实验项目。这种直观具体的学习成果会极大地激发学生的兴趣。 （2）教学模式。实验教学模式以学生自主学习为主，教师可以做启发式的答疑解惑。例如原有的PID控制实验，学生只是简单调整控制参数，通过观察控制曲线的变化验证经典的PID控制口诀，而自主式实验教学要求学生将PID控制应用到一个真实的对象上，学生可以用PID控制小车按某一规定路线行走，也可以用PID控制一个密闭容器内的温度变化。通过直观的实验结果加深理论理解，了解控制环节对系统整体性能的影响，学会从系统角度设计实验方案。此外，还要学会自主分析实验过程中出现的问题，引导学生利用专业知识分析问题，根据系统要实现的功能，分模块逐段检测，并能使用专用工具和各种检测设备（数显万用表、示波器等）确定问题的位置和原因。通过实验失败和成功的切身体验，掌握科学研究、生产实践的一般规律和方法，真正做到授之以“渔”。
（3）改革实验考查方法。以工程技术文件撰写和答辩的方式评定学生的实验成绩，同时培养学生的表达能力和编制工程技术文件的能力。
（4）实验改革的模式。根据学生培养计划的不同，在沈阳航空航天大学自动化学院，选择部分学生分两种模式进行实验改革的尝试。
第一种模式的研究对象为大二大三课外兴趣活动学习小组的学生。这些学生已经过主干专业课和多项基础实验的学习，按传统的培养计划完成了大部分学分要求，并且通过兴趣小组的培训掌握了基本实践技能，因此对他们直接进行工程系统综合实践的训练。依托大纲中的实践环节“综合能力培养和创新思维训练”，教师或者学生自主设计一些与工程应用结合较紧密的题目，如“智能机器人避障”，“车辆载荷测试”等，几个学生为一组完成任务，具体过程分为以下几个阶段：第一阶段，系统需求分析；第二阶段，总体方案设计；第三阶段，系统安装施工；第四阶段，调试与测试；最后，答辩和技术文件的编制。经过近一年的教学改革实践，在2012年的飞思卡尔杯智能车大赛上，三组学生分别取得了二、三等奖在2013年的沈阳市第四届“福田杯”智能机器人大赛中取得了第一名的好成绩。
第二种模式以2012年9月1日入学的自动化学院创新班为实施改革的对象。第一阶段，紧密结合新的培养计划，进行专业技术基础理论课的基础类实验训练，认知电子元器件的使用检测；第二阶段，训练工程制图和电子制作技能，通过简单电路的设计制作，加深基础理论的理解，提高动手能力；第三阶段，加入高年级学生的兴趣小组，参加大学生竞赛、[5]课外实践训练等活动，了解开发工程系统的工作流程；最终，自己独立承担一个小型工程项目的设计开发。这些学生由于接受培训的时间较短，目前还不能最终检验基于课程群的综合实验教学的改革成果，但通过新教学模式的学习，学生们已进入高年级学生负责的兴趣小组，开始参与学校的智能拉力车比赛，其接受新知识的能力和速度都较往届学生有大幅度提高，工程意识和动手能力都显著增强。
三、结论
这种课程群综合实验的教学模式把工程技术的总体思想渗透给学生，使他们在实验中形成团队意识、创新意识、科研意识和工程意识，了解现代工业生产流程，接受工业生产的基本训练，增加工程实践能力和创新能力，使学生的知识和技能适应于生产和科学研究的很多领域，例如航空、石化、钢铁、汽车和轻工业生产的流程控制；桥梁、建筑、航空和机车等设备的应力或结构动力学分析；设备的安全检测和故障诊断，空气压缩机和汽轮机等大型回转机械的振动监测等等。学生动手开发的设备也为实验室设备的更新改造作出贡献。
参考文献：
[1]欧阳玉祝，欧阳卉，肖竹平，等.基于产学研一体化的综合化学实验教学研究与实践[J].实验技术与管理，2011，28（12）：15-17.
[2]曹荣敏，周惠兴，文华强，等.设计创新实验项目 培养工程创新能力[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：228-231，275.
[3]刘正义，林定笑.工科院校实践教学优化模式的探讨[J].实验室科学，2011，14（5）：30-32.
[4]盛旭敏，李又兵，王选伦.三学期制下工科专业课教学与实践模式探索[J].广州化工，2011，39（8）：149-150.
[5]肖春.面向卓越工程师培养的学科竞赛体系探索[J].浙江工业大学学报（社会科学版），2011，10（2）：205-209.
（责任编辑：刘辉）