提高大學生科研能力的措施討論
——以計算機過程控制實驗為例

徐鑫航，蔣開明，熊 霖，黃洪全

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

0 引言

目前，工業生產已經進入第四次工業革命的重要時期，而德國提出的“工業4.0”又是這一時期的標志性概念，即是以智能制造為主導的革命性的生產方法[1-2]。我國是世界工業大國，并穩步向工業強國邁進。為了這一宏偉目標，我國已進行了偉大的戰略布局，提出“中國制造2025”并積極實施，明確工業生產的數字化就是“工業4.0”，對于未來中國經濟發展具有重大意義。

為了“中國制造2025”偉大戰略的實現，必須培養大量適應時代需要的自動化優秀人才。高校想要培養優秀的自動化人才就必須改變傳統教學的模式，尋找學生在學習和科研上的問題，再做出對應的解決方案，才能有效、切實地提高學生的科研能力。

以自動化專業中重要的核心課程《計算機過程控制》為例，各高校配置了各種“過程控制實驗裝置”供學生實驗使用，但這些實驗裝置相對來說過于的呆板且實驗的創新性被大幅度的限制，學生進行的實驗也僅僅是依葫蘆畫瓢，改改參數而已，而對實驗中的對象及其特性并未加以深入了解。因此，這是機械式的驗證性實驗，學生在根本上并未融入生產過程對象中，從而難以在以后的工作崗位上快速地適應復雜的自動化大生產環境[3-5]。

為此，本文將探討如何在大學本科階段提高自己的科研能力，通過加強學生對于本科實驗的學習和研究從而提高自己的科研能力，使得學生一出校門就是一個合格的“準工程師”，成為“中國制造2025”迫切需要的人才。

1 刻板的實驗模式不利于科研能力的提高

在高校傳統的教學模式下，課程的學習課時較少，老師的教學時間相對來說很緊湊，而學習的內容也比較深奧和枯燥，從而對于正在學習的大學生來說，學習的熱情會被逐漸消磨而難以去提高自身的科研能力。以《計算機過程控制》課程為例，其書本中有大量一階、二階、高階的公式及各種各樣的控制過程原理圖，學習的過程就會一點點的消磨學生的學習熱情。同樣《計算機過程控制》課程的傳統實驗課程教學也存在著刻板守舊的授課思路，學生在進行實驗時，是在實驗室中操作系統自身已經設計好的組態圖中進行調節實驗，學生也只是單純的按照實驗指導書進行簡單的實驗箱電路連接，將實驗箱和電腦主機相連接，通過組態軟件改變對應參數得出不同實驗的波形圖。這樣依葫蘆畫瓢的實驗操作步驟，在簡單機械式的工作下也只會消磨學生的學習熱情，毫無創新能力的過程對于學生科研能力的提高也毫無幫助。

其次，學生在進行傳統的《計算機過程控制》實驗時，因為學生一直是按照實驗指導書上的內容來操作的，所以自身做實驗時的思考量是不夠的，這樣就會讓學生走入一個很大的誤區：只要自己按照步驟做了實驗，得到了實驗結果那么就是學會這門課程。其實這種學習過程的方向是錯誤的，學生要明白實驗課是為了論證理論知識的正確性，所以在學習的過程中學生未做到將理論知識和實踐有效結合是很難提高自身的科研能力。

2 提高大學生科研能力的措施

首先，各個高校想要提高學生的科研能力，一定要點燃學生的學習熱情。古人云“萬事開頭難”，當學生有了強大的學習熱情，那么他的科研能力也會隨著時間不斷地提升。在《計算機過程控制》的實驗課教學上，現有的“過程控制實驗裝置”都是事先設計好的物理模塊，或者是代辦的且數量有限的實體來代替實際生產中的被控對象；學生在實驗中進行的所謂操作僅僅是改改參數而已，而對控制策略及被控對象的特性并未加以深入了解。所以學生從根本上并未融入生產過程對象中，所以學生難以產生學習的熱情。

因此，高效的解決方案是將自動化生產過程“搬進”實驗室，通過對實際自動化生產現場對象的虛擬化再現，學生扮演著系統設計師與系統調試者的角色，進行自動化生產過程的任意搭建，看著策略的多樣化設計，真正融入“現場”，自主實驗，做到學校所學與實際現場工作環境的無縫連接。高?？梢允褂煤侠淼膶嶒炂脚_，讓學生們通過自己動手在仿真軟件上任意搭建組態，模擬不同物理模型的動態現象，親自動手連接試驗箱，輸出不同的波形圖。通過切實的參與和各位同學思維的碰撞，極大地活躍了實驗課氣氛，調動了每位同學的積極性，利于提高學生的科研能力。學生也可以通過調節仿真程序上組態圖的自變量去觀察因變量的變化，通過對實際自動化生產現場對象的虛擬化，能夠身臨其境地感受到現實工程的運行，更加形象地感受到理論知識，激發科研熱情，從而有足夠的動力去投身于科研中。

其次，學生要將理論知識和實際應用相結合才能更好地理解如何將理論知識應用到現實生活中。如在《計算機過程控制》的課程中主要是和控制系統、傳遞函數打交道。以二階慣性環節為例，如公式2-1所示，單從抽象的函數是很難深刻理解其公式的意義，但如果將公式放在具體的工程實例中，在虛擬化系統中進行模擬就很好地去理解公式的原理和作用。

學生可以在虛擬系統中搭建一個水箱調節水位狀態的組態圖，將二階慣性環節賦予單容水箱的定值控制實驗中完成實驗步驟，觀察組態圖的動態變化。實驗以電動調節閥與水箱液位為被控對象，水箱的液位為被調量。系統的執行軟件為電動調節閥，它控制對水箱供水的管道的流量，以調節水箱液位，電動調節閥的控制電壓為實驗的主控制變量。其中，電動調節閥傳遞函數為一階慣性環節構成：

水箱液位傳遞函數也為一階慣性環節構成：

系統的廣義被控對象傳遞函數為二階慣性環節構成：

通過組態圖的構成和慣性環節控制的輸入量、輸出量可以得出單容水箱液位定值控制的系統框圖（圖1）和原理圖（圖2）。這樣的學習延展了學生的思維能力，極大地加強了學生的思考量，有力地提升了學生獨自處理問題的能力。

圖1 單容水箱液位定值控制實驗系統框圖

圖2 單容水箱液位定值控制實驗原理圖

因此，學生可以通過改變調節閥、水箱的時間常數和增益，在組態圖的動態變化下，觀察電動調節閥和水箱液位的變化規律，也可以從響應曲線上讀出系統的超調量、峰值時間和穩定時間。這樣就通過虛擬系統形象的將生硬的慣性環節傳遞函數和大量的數據活靈活現地展示給學生，降低了學習的難度，提高了學習興趣，又大大提高了學生的科研能力。

將思維從《計算機過程控制》這門課程中跳出來，映射到自己學過的其他課程中，將單一的思維發散開來是科研能力提升的必要途徑。比如，一階、二階慣性環節還可以應用在有電容、電感的電路中，學生可以通過電路參數去更好地理解一階、二階慣性環節的原理。

最后，學生也應該增加自身的思考量，將復雜的問題簡單化，這是科研學者必須要具備的能力。如在《計算機過程控制》的學習過程中遇到了一些復雜的高階環節，但可以通過自己的方法將高階環節簡化為一階慣性環節或二階慣性環節，這樣就將分析的難度降低，增加自身的理解。本文以公式（2-5）所示的三階環節為例。

將三階環節公式化簡為三個低階慣性環節構成，如下公式（2-6）所示。

將高階系統降為由多個慣性環節相加的形式，降低了階次，便于觀察現象和計算數據。這樣讓學生一步一步地動手實踐，按照步驟和方法多做幾遍，不要懼怕困難，工作量上去了，自然科研能力就得到了強化。

3 總結

本文以《計算機過程控制》的學習過程為例，為實現中國提出的“中國制造2025”決策，提出了高校提升大學生科研能力存在的問題：刻板的實驗模式不利于科研能力的提高。針對上述提出的問題，詳細論述了提高大學生科研能力的措施：通過高校搭建的虛擬系統讓學生加強理論和實踐的結合提高學習興趣，通過發散性思維加強學生對理論知識的理解，通過強化學生獨自思考的能力將復雜的問題簡單化等這些措施。高?？梢酝ㄟ^自身改善教學方式，在實驗室搭建虛擬系統等措施去提升本科生的科研能力，但大學生想要在走出校門的時候就成為一名“準工程師”，也要靠自身的學習能力和自律能力去提高自身的科研能力。相信這樣的大學生會成為一名符合“中國制造2025”決策的高端人才，為國家社會做出貢獻。