航空机电工程论文精品(七篇)

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篇(1)

关键词：电气工程；应用型人才；课程体系；实践教学

作者简介：黄文力（1974-），男，河南孟州人，郑州航空工业管理学院机电工程学院，副教授；何琳琳（1972-），女，河南郑州人，郑州航空工业管理学院机电工程学院，副教授。（河南 郑州 450015）

基金项目：本文系河南省教育厅科技攻关计划项目（项目编号：2010B470010）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）08-0005-03

近年来，由于隶属机制由原中国航空工业总公司转变为中央与地方共建、日常管理以河南省为主，同时学生的就业形势也由定向培养转变为双向选择、自主择业，因此为适应新形势发展要求，郑州航空工业管理学院改变过去单一管理类的专业设置，调整设立了“管工结合、文理并重、管理学科优势明显、多学科协调发展”的办学方针，大力发展工科专业。于2001年筹建了电气工程及其自动化专业，其后根据河南省区域经济发展的特点，对电气工程及其自动化专业进一步细分，于2008年新设置了自动化专业，从而引起了对电气专业原有的专业特色、人才定位、课程设置等一系列新的思考。本文主要介绍郑州航空工业管理学院电气工程及其自动化专业发展的特点，讨论相应课程体系的建设，及突出实践教学环节对本专业工程应用型人才的培养。

一、应用型人才培养的定位

1.电气工程及其自动化专业的特点

电气工程及其自动化专业是1998年教育部在高等学校专业目录调整时，把原来的“电力系统及其自动化”、“电机电器及其控制”、“高电压与绝缘技术”及“电气技术”四个强电类专业合并而成的专业，是新专业目录中合并调整原有专业最多的新专业之一。[1]新专业的建设遵循“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的原则，改变了过去专业设置过多、过细的做法，强调本科阶段对专业基础知识的掌握，具有强电与弱电、电工技术与电子技术、软件与硬件、元件与系统相结合的特点。由上述的发展可以看出，电气工程及其自动化专业应该是一个以强电为主、强弱电相结合的专业，应该体现以“强电为体、弱电为用”的理念，培养的学生既要懂强电又要懂弱电，既搞硬件也搞软件，既掌握电气技术的专业知识，亦了解计算机与电子技术的应用。[2]

郑州航空工业管理学院电气工程及其自动化专业的培养目标是：培养德智体全面发展的，适应社会主义市场经济需要的，具有良好的文化科学素质及电气工程专业知识和应用能力的，能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研究开发、经济管理以及电子与计算机应用等领域工作的宽口径、创新型、复合型高级工程技术人才。该专业的学生由于受到电工、电子、信息控制及计算机等技术的基础训练，既具有电气工程方面的专业知识，又具有自动化与计算机方面的基础知识，使其在今后的就业中具有较大的优势。

2.电气工程及其自动化专业面临的发展机遇

我国电力工业经过多年的快速发展，现今无论是发电装机总量还是年发电量在世界上均居第二位，仅次于美国，但人均装机量与人均年发电量都远远落后，仍有很大的发展空间。电力工业的“十一五”发展规划提出了特高压的发展战略，并且提出构建智能型坚强电网的概念与目标，为电力工业、电气设备制造业及相关的机械、材料工业提供了无限的发展潜力。[3]

河南省在第十一个五年发展规划中指出：“加强电网建设，增强电力输送能力。加快计算机技术、自动化技术和信息技术的推广应用，提高城网的自动化水平”与“重点发展高压超高压输变电成套设备，电站辅机以及中高端电工专用设备，风能、低温余热发电设备”。现如今，发展循环、低碳经济，建设环境友好型、资源节约型社会成为经济社会可持续发展的战略目标，电力工业必将在其中扮演更重要的角色。

事实表明，高质量的电能供应是中国社会现代化建设的重要保障，也是河南区域经济快速发展的基础条件，需要有大量合格的电气工程师，而这正是电气工程及其自动化专业的根本使命与发展前景。因此，郑州航空工业管理学院电气专业紧密跟踪我国电力工业的发展规划，结合地区经济发展的特点，及时调整专业的办学方向，力争办出专业特色，培养出更多的电气工程技术专门人才。

3.电气工程及其自动化专业的现状

郑州航空工业管理学院是一所按二本招生的普通本科院校，是面向地方经济和航空工业生产第一线，培养输出复合型应用人才的重要基地。电气工程及其自动化专业于2001年筹建，根据电力工业发展现状与区域经济特点，提出了电气工程及其自动化专业的应用型人才培养目标，并且结合郑州航空工业管理学院工科发展的水平及电气工程及其自动化专业的师资力量，编制了偏于电机电器及其控制的课程体系。电气工程及其自动化专业经过数年的建设，并且与21世纪电力工业的迅猛发展相适应，于2008年对原有的电气工程及其自动化专业进行了细分，新设置了自动化专业，并且该专业在师资方面也有了较大的进步，这些都促进了电气工程及其自动化专业强电本色的回归，推动了对相应课程体系及专业定位的思考。

虽然近几年郑州航空工业管理学院电气工程及其自动化专业有了较大的发展，但是专业基础与兄弟院校相比还很薄弱，实验条件与师资力量还很有限，仍然处于快速发展时期，总体仍处于较低水平。因此，目前的电气工程及其自动化专业仍需且必须定位于工程应用型人才的培养，学生毕业以后可以到电厂、电力设计单位、电气制造企业及各工矿企业从事与电气相关的设计、运行、管理等工作。

4.应用型人才的特点与培养

应用型人才的特点是学科基础知识扎实，实践能力与创新意识强，除了具有较好的科学素养外，还具有良好的工程素养，具备解决工程实际问题的能力，毕业以后主要在生产第一线从事运行与管理等工作。应用型人才首先是一种创新人才，具有把理论知识和技术转化为实践生产力的创新能力；其次也是一种复合型人才，因为应用型人才的工作是以解决实际问题为根本，而要解决一个实际问题往往不能仅靠一种专业知识，实践的创新多出现在学科边缘或者各学科的交叉处，因此应用型人才也是一种复合型创新人才。[4]

对应用型人才的培养，不是简单地增减几门课就能做到的，构建科学的课程体系是培养合格应用型人才的基础。如何建立以强电课程为主，渗透电子技术、信息技术与计算机技术的电气工程及其自动化专业的课程体系，是一项系统性的工程，需要透彻理解相关的课程及经受实践的检验。

二、课程体系的建设

在电气专业新课程体系的设置上着重突出“以强电为主，弱电为辅，强弱电、软硬件、电气控制与信息技术相结合”的专业特色，主要依据四个基本原则：一是突出强电特色，并且结合电力发展前景与现有师资力量，设置了电力系统及其自动化与电机电器及其控制两个专业方向的课程模块；二是紧密结合自动化技术在电气工程领域的应用，保持电子与计算机技术相关课程教学四年不断线；三是强化本专业应用型人才培养的特色，保持实践教学环节四年不断线；四是激励学生的个性化发展，结合学生就业需要，注重课程安排的科学性与系统性。

新课程体系的主要特点是适应郑州航空工业管理学院原电气工程及其自动化专业细分为电气工程及其自动化专业与自动化专业的发展需要，突出了电气工程及其自动化专业的强电特色，根据“厚基础、宽口径、重实践、强应用”的应用型人才培养模式而设置。

1.课程体系的改革

郑州航空工业管理学院原电气专业结合了电气工程及其自动化与自动化两个专业的内容，专业的特点为“强弱结合、适当偏弱”；新电气专业的特点转变为“强弱结合、强电为主”，专业课程的口径相对变窄。新电气专业的课程设置不再是电气专业与自动化专业的区分，而是电气专业内电力系统及其自动化与电机电器及其控制两个方向的设立。由此考虑把原来的学科基础课—专业基础课—专业选修课—跨专业选修课—实践环节的课程体系改为更符合新电气专业特点的一级学科基础课—二级学科选修课—跨二级学科选修课—跨专业选修课—实践环节的课程体系，如表1所示。新的课程体系保证了学生的理论教学在满足基本学分的前提下，能够小于2500学时，同时优化了课程内容，扩大了选修课程范围，扩展了学生的知识面，激励了学生的个性化发展。

表1 电气工程及其自动化专业新的课程体系

课程类型 课程名称

一级学科

基础课 自动控制原理（双语）、模拟电子技术、数字电子技术、电路（双语）、电磁场、微机原理与接口技术、复变函数与积分变换、电机学、电力系统分析、电力电子变流技术、信号分析与处理、专业技术讲座

二级学科

限选课 电力系统自动化、电力系统继电保护、电力系统远动及调度自动化、发电厂电气部分

电机设计及优化、电机与拖动基础、电力拖动自动控制系统、电器学

跨二级学科

选修课 高电压技术、发电厂动力部分、供配电技术、电力市场基础、电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用；检测技术及仪表、传感器应用技术、楼宇自动化系统、微特电机、交直流调速系统与MATLAB仿真；单片机原理及应用、DSP原理及应用、电气与PLC控制技术；机械制图CAD技术、软件技术基础（双语）、可视化程序、EDA技术（双语）、工业组态技术；科技论文写作

跨专业

选修课 管理学、市场营销学；音乐欣赏、美术鉴赏；机械设计基础、计算机网络（双语）

实践教学

环节 金工实习、专业实习、专业调查、认识实习、军事训练、社会调查、公益劳动、毕业实习、毕业设计；单片机课程设计（选）、PLC课程设计（选）、电力系统继电保护课程设计（选）、发电厂电气部分课程设计（选）、电力拖动课程设计（选）；电气专业制作实践、电力系统分析课程设计、电机学课程设计、电力电子课程设计

2.课程内容的优化

新的课程体系在强电专业“宽口径”的前提下，突出“厚基础”的要求，公共基础课与学科基础课的学时比例达到总学时的74%。在实现了同一专业的通识教育课、专业基础课完全打通，专业主干课程也基本相同，而专业方向的不同只体现在专业课程中的非主干课程及实践环节的要求的基础上，[1] 新课程体系既实现了对学生人文社会科学与自然科学知识的培养，又强化了对学生对本专业基础知识的要求，同时还突出了不同的专业方向特色。

新课程体系在课程内容上更加突出强电特色，突出计算机技术与弱电控制技术在本专业领域内的运用。按照电力系统及其自动化与电机电器及其控制两个专业方向，设置了两个特色显著的课程模块作为任选的必修环节。另外，按照“拓宽”与“加深”的原则，开设总数达到19门的二级学科选修课，学生可以选修其中的5～7门。按照提高学生综合素质的要求，设置了跨专业选修课与全校公共选修课，要求学生在人文社科、经济管理等方面修习约6门课程。

3.授课时序的调整

按照先基础后专业、由浅入深、循序渐进的原则，保持计算机教学、英语教学不断线，科学分配各门课程的授课时间与学时。

（1）保持计算机教学不断线。计算机课程按照教学次序包括：“计算机应用基础”、“C++语言”、“机械制图CAD技术”、“软件技术基础”、“微机原理与接口技术”、“工业组态技术”、“电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用”、“单片机原理”、“交直流调速系统与MATLAB仿真”、“EDA技术”、“可视化程序”、“计算机网络”、“毕业设计”。

（2）保持英语教学不断线。建议取消“专业英语”课程，增开双语课程教学。用英语（或双语）教学的相关课程包括：“大学英语”、“电路”、“软件技术基础”、“自动控制原理”、“EDA技术”、“计算机网络”、“毕业设计”。

（3）科学分配各学期的课时量。如第一、第二学年学生的学习效果较好，可以适当增加基础课与专业课的课时量；第四学年学生因社会实践、找工作、考研等，学习效果下降，此时可以突出计算机与实践教学环节，利用课程的强实用性平抑学生的浮躁心态，最大限度保证学习效果。

三、加强实践教学环节

实践教学是高等院校培养工程应用型人才的必备环节，是提高人才核心竞争力的决定性要素。各高校电气工程及其自动化专业培养的人才水平的高低，取决于实践教学水平的高低，包括实验条件的完善、实验内容的设计及实验教师的素质。郑州航空工业管理学院电气专业的实践环节主要由课程实验、课程设计、生产实习与毕业设计等组成，组成了一个比较系统、由线到面、由基础到综合，分层次、全方位的内容体系。[5]

1.课程实验与课程设计

课程实验包括电工电路、电子技术、电力系统继电保护、电力系统自动化、电力电子技术、电机与拖动、C++语言、单片机原理、电气PLC原理等。

课程设计是工科专业实践教育的重要一环，是培养大学生独立思考、信息检索、相互合作，初步从事科学研究能力的重要途径。课程设计实践环节主要由核心专业课程与部分实用性强的专业课程如“电机设计”、“电力系统分析”、“单片机原理”、发电厂电气部分等的课程设计构成。

2.实习基地

实习基地由校内与校外两部分组成。校内实习基地主要由校办工厂组成，完成金工实习、电工电子技术、计算机辅助设计等基础性专业训练；校外实习基地主要包括陕西航空电气有限责任公司、成都飞机制造厂、贵州飞机制造厂等，学生在校外实习基地主要接受现代化企业的生产教育，培养工程实践能力。

3.毕业设计

电气工程及其自动化专业毕业设计的课题多来自于工程实践。题目通常由导师自行拟定，或者来自于导师科研项目的某一模块，或者来自于导师熟悉的专业领域，与工程实际结合紧密。针对毕业设计中存在的问题，如题目陈旧、知识面过窄、实验条件较差、学生支差应付、成果可操作性不强等问题，现阶段可积极采取以下措施：一是加强对教师和学生的管理。对教师尤其是青年教师中期抽查考核，组织讨论，询问学生等；对学生加强考勤，不定期考查，组织中期检查与预答辩等。二是鼓励和引导学生在学科知识范围内自由选题，激励他们选择来自于生活实践、能够解决实际问题的课题。三是创造条件允许学生到实习或工作单位做设计，聘请企业中有高级职称的人员参与毕业设计的指导工作。

除了以上基本的专业实践环节之外，还可以积极组织学生参加“挑战杯”、“电子设计”等全国大赛，鼓励学生进行科技创新制作，建设专业的开放型实验室，积极探索有助于提高学生创新能力、工程实践能力的教育教学模式。

四、结束语

电力工业巨大的发展空间与郑州航空工业管理学院办学方针的转变，为电气工程及其自动化专业提供了良好的发展机遇。抓住此发展契机，基于“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的电气专业的教育理念，构建了科学有效的课程体系，为今后培养大量合格的应用型电气技术人才奠定了基础。对该专业课程体系的建设与应用型人才的培养过程仍需经受实践的检验。

参考文献

[1]丁坚勇，向铁元，张承学.电气工程及其自动化专业教学改革之管见[J].中国电力教育，2000，（1）：34-37.

[2]华容.“电气工程及其自动化”专业建设和课程设置的思考及探索[J].上海应用技术学院学报，2002，（2）：34-37.

[3]黄文力，张丹.构建和谐电力系统研究[J].郑州航空工业管理学院学报，2009，27（3）：53-55.

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关键词：教学改革 机电液 综合设计性实验

一、引言

教育改革，最重要的就是要从培养学生的创新能力方面找抓手。创新能力是人的本质特征，是人的天赋所能和整体素质的表现，它不仅表现为知识的学习和应用，更重要的是发现问题，并积极探索的心理取向和善于把握机会的敏锐性及积极改造自己和改造环境的能力。但目前教材中的实验大多是验证性实验，在培养学生创新能力上不能发挥出应有的作用。作为应用型本科院校培养学生实践能力、创新精神和科学素质的重要手段，综合设计与实验的作用是很重要的。在高校实验教学中，某些环节已不能适应新时期培养目标的要求，例如实验技术单调，队伍水平不高，实验装备老化单一，实验类型大部分是验证性实验等，同时，现在大部分实验依托于某一门课程，在多课程知识有机结合方面缺乏综合性，在综合实践性教学环节缺乏有机组合，在激发学生自主思考发面缺乏开发性等等。为此，对课程设计、现代电气控制、液压实验台综合实验进行了教学改革，通过10多年的试验，效果很好。[1]

1.以往的工作基础

机械学院在专科时期就开始对现有设备进行改造和课程体系的重组，把液压与气压传动、现代电气控制及PLC等课程进行有机结合，开发了机电液综合设计与实验。这样的教学改革，开始时比较艰难，在1994年那个时期没有相应的实验设备，我们老师组合成一个创新团队，大胆进行尝试，先从设备改造开始，对机电工程系一台闲置的老实验设备进行了改造，完成了第一台“JDY-Ⅰ机电液综合实验台”， 该实验台主要由两部分组成：液压拆装系统和电气控制系统，可以完成机电液综合的一系列实验项目，并于1995年大胆地开创了综合性设计性的实验改革。综合性、设计性的实验主要是培养学生的创新能力以及提出问题、分析问题、解决问题的能力，对学生工程实践能力的培养也具有不可替代的作用。之后，我们老师更进一步地把课程设计也融入到综合实验中来，形成了早期的“机电液综合设计与实验”体系。[2]

2.随着经济的发展和科技的进步，尤其是我校升本以后，原有的实验设备已不能满足本科应用型人才培养的需要。为此，我们老师于2006年1月在教务处大力支持下，设备科立项投资7.85万元，进一步研制了“JDY-Ⅱ机电液综合多功能实验台”， 该实验台是集机械、液压、电控、数控于一体的多功能实验台。该实验台主要由三部分组成：液压系统、数控系统和电气系统。该实验台主要有拆装式液压实验台、PLC、软启动器、数控工作台等，其中PLC可以接现场总线，与计算机端口相接，软启动器具有在线控制功能，具有多种限制启动和限制停止的方式。“JDY-Ⅱ机电液综合多功能实验台”可以完成的实验项目如下表所示。

3. 随着办学规模的不断扩大，学生数不断增加。为了教学改革的不断深化，我们老师又在2009年3月，在学校设备科的支持下，自制了第三套“JDY-Ⅲ 机电液综合多功能实验台“，该实验台是集液压、电控于一体的综合实验台，实验台主要由两部分组成：液压拆装系统和电气控制系统，除了可以完成机电液综合实验以外，还可以完成以下实验项目：

（1） 节流阀、调速阀负载特性实验

（2） 电动机正反转控制电路模拟

（3） 星/三角降压启动控制电路模拟

（4） 常规电器控制液压回路实验等实验项目。

2、项目计划及实施情况；

为进一步推进机电液综合设计与实验改革，在学校的大力支持下，开始进行基于本科应用型人才培养的机电液综合设计与实验的改革与实践，包括：计划制订、教学大纲的编写、实验指导书等教学基本建设。[3]

（1）、教学计划

在仔细论证、深入研讨的基础上，我们将机电液综合设计与实验的改革成果写入了2003级本科教学计划。见下面表2。

（2）、实验指导书（教材）

为了能更好的开展教学改革，实施初期，我们编写了“机电液综合设计与实验”的实验指导书，经过实际使用，发现并纠正了若干不合理的地方，并进行了必要地修正，逐步达到了预期的效果。2009年，在自编讲义的基础上，由苏州大学出版社正式出版了《机械制造及自动化基础实验》教材，其中，第8章即时关于机械类专业的6个综合性设计性实验项目，而“机电液综合设计与实验”就是其中的一个。[4]

2013年3月由北京航空航天出版社正式出版了 《机电液综合课程设计与实践》教材，在使用中取得了显著的效果。

（3）、实验和课程设计的教学大纲

（略）

3、目前所取得的成效

机电液综合设计与实验是一项综合性、设计性的实践环节，它很好的模拟了工程实际中的一些现实问题，是机械工程及自动化专业实践教学体系的重要组成部分。

多年来，我们所做的机电液综合设计与实验改革以及实验设备的改造，在实验实践教学中发挥了重要作用，得到了省教育厅及专家的充分肯定，在教育厅组织的成果评选中多次获奖。同时，部分教师通过这项改革及设备研制，自身的能力和水平得到进一步提高；部分学生通过毕业设计的形式也参加了这个项目的研究与实践，极大地提高了他们的工程实践能力。[5]

（1）自制设备四项获江苏教育厅三等奖

（2）教师发表关于机电液综合设计与实验方面的论文

（3）教师团队编写了相应的教材2本，并于2009年，2013年正式出版。

通过教学改革，我们教师团队发挥了积极性，同时学生创新能力得到了提高，积极参加大胆地参加各种比赛活动，得到了一定的成绩，获得了肯定。

（1） 2010年，老师带领同学参加“国家制造业信息化培训中心、全国三维数字化创新设计大赛组委会”组织的全国三维数字化创新设计大赛，获得了省三等奖

（2） 我们老师带领的学生积极做好毕业设计，在毕业设计中充分发挥创新意识，2009年带领同学做的关于机电控制方面的“MPS分类存储和立体仓库单元系统控制设计”课题，获得了省优秀毕业设计三等奖

（3） 2008、2009年 我们老师带领的学生毕业设计获得校级一等奖

（4） 2010年 老师带领的学生毕业设计获得校级二等奖

（5） 2007年 老师带领学生参加省第一界机械创新设计大赛二等奖

（6） 2008年 老师带领学生参加省机器人大赛三等奖

这些成绩的获得，主要体现了学生的创新能力的提高，体现了教学成果提高。

4、推广应用价值及今后的设想

机电液综合设计与实验的改革与实践，把机械和电气控制技术有机结合，既发挥了学生的设计能力，同时，针对实践中出现的预先不能预知或有意设计的问题，组织学生成立研究小组，集思广益，分析问题，研究问题，解决问题，从而使他们的创新能力得到培养和锻炼，具有很高的推广应用价值。看到同学们经过自反复推敲、认真研究，克服一个个困难，得到理想的实验结果时的那种欢呼雀跃，我们也感到非常欣慰。

今后的设想：作为应用型本科的培养计划，应该多学科交叉结合，结合学生的综合能力和创新能力的培养，多开设一些与工厂实际相结合的项目，机电液综合设计与实验这种改革的开端和阶段性成果，我们还将继续努力，在以下方面进行改革和实践：1、金相、热处理、材料力学性能综合测试及材料成型等综合实验；2、轴类零件的综合测量；3、电气技术综合应用实验；4、刀具形状及切削关系综合实验等，以便更好地贴合实际，培养更多的具有创新精神和实践能力的工程应用型人才，为我校品牌大学创建工作做出应有的贡献。[6]

结语

总之，通过改造老设备，改变验证型实验为设计性综合性实验，结合不同学科知识，结合不同的教学形式，开发设计性综合性的实践环节，提高学生的创新能力，作为工科类应用性本科院校是很好的教学方式，值得推广。

参考文献：

[1] 管建峰等 机械制造及控制技术基础实验 苏州大学出版社 2009年7月 苏州

[2]张礼华 刘芳华 管建峰 主编机电液综合课程设计指导与实践 北京航空航天大学出版社 2013年3月 北京

[3] 王积伟等 液压与气压传动 机械工业出版社 2008年8月第二版 北京

[4] 史国生等 电气控制与可编程控制技术 化学工业出版社 2005年4月 北京

[6] 张万忠等 电器与PLC控制技术 化学工业出版社 2003年9月 北京

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论文关键词：ZigBee,数据采集,无线传感器网络,单片机

Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[1]。

ZigBee 是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线传感器网络, 已经在许多领域得到了越来越多的应用, 如温度、湿度、气体浓度、亮度、压力等各种各样小数据量信息的采集, 及传输可以采用这种低功耗、低传输速率的无线传感器网络.在这些应用场合中, ZigBee 网络与现有的各种无线网络相比, 有着独特的优势, 即低功耗、低速率、低成本[2]。 由于ZigBee 设备工作时间较短, 收发信息功耗较低且采用休眠模式, 使得它非常省电, 电池可使用长达6 个月至2 年左右. ZigBee 工作在250 kbps 的通信速率, 足已满足低速率通信传输的需要, 且2.4 GHz 的工作频段是免费频段[3].

设计原理

目首先，从整体来看，我们可以将目标设计分为几个模块：电源模块、主芯片模块、天线模块调试接口和外围扩展模块[4]。其中，电源模块、天线模块、调试接口和主芯片模块是必须的，可以用通常所说的”最小系统”来描述。外围扩展模块是根据用户的实际需求自行添加。

无线传感器节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。其中，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理 模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输模块负责与其他节点或Sink节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减小节点的体积[5]。

我们设计的节点实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等。为了降低传感器节点的成本，减小传感器节点的体积，我们采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的数据传输和处理功能。图3是设计的无线传感器节点的结构框图。下面将分别介绍无线传感器节点中的几个主要功能模块。

功能研究

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频前端、内存和微控制器。它使用1个8位8051 MCU，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[6]。

当 FFD 设备(Full Function Device)在第1 次被激活后, 首先搜索其通信范围内已存在的网络, 如果找到相应网络, 则通过一系列对话后, 该设备就可成为此网络中的普通设备。

协调器应用层生成的 NIME-NETWORK-FORMATION。

request 原语发送给网络层请求建立网络,网络层再通过MLME-SCAN.request 原语向MAC层请求检测信道能量及扫描信道, 收到确认后, 为新网络设置1 个PANId (网络号), 通过MLME-SET原语将PANId 设置为MAC 层macPANId, 网络层再通过MLME START.request 原语向MAC 层请求运行网络, 收到确认后运行网络, 网络建立成功[7]。

节点被激活后, 如果找到已存在的网络, 本节点将根据所获得的网络信息选定1 个父节点, 并提出入网申请, 同时等待父节点的请求响应. 当得到允许后, 子节点将得到父节点分配给它的1 个网络地址(也称为短地址)作为网络内的身份标识, 成功建立链接. 加入网络后, 该节点可以接受新节点的入网请求. 通过一级一级的地址分配, 可以构成较大的网络[8]。

由于 CC2430 内置了温度传感器, 在实验中搭建温度采集的ZigBee 采用星型网络. 星型网络的末端节点负责进行数据的采集和发送, 中心节点将实现数据的接收与显示. 为使各个节点采集的。数据同时使中心节点接收, 需要将末端节点的目标地址都设置为中心节点的本机地址. 实验中, 该温度采集系统通信良好, 在有障碍物环境下的通信距离明显低于在空旷的环境下, 此时可通过增模块的射频功率和增加中继点的方法来解决.当检测到的温度准确度也不太高, 则需要采用更高准确度的传感器.

结语

基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、低成本、体积小的显著优点，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理。伴随无线自组织网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将从军事、环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测普及到生活中的各个领域。

参考文献：

[1] Garcia L R, Barreiro P. Performance of ZigBee-based wireless sensor nodes for real-time monitoring of fruit

logistics[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 87:405-415.

[2] 李文仲, 段朝玉. ZigBee 无线网络技术入门与实战[M].

北京: 北京航空航天大学出版社, 2007.

[3] 齐楠, 韩波, 李平. 基于ZigBee 的智能家庭无线传感器网络[J]. 机电工程, 2007, 24(3):20-22.

[4] 成锐, 李静, 雷鸣, 等. 基于ZigBee 的无线传感器网络设计方案[J]. 电子元器件应用, 2007, 9(12):54-58.

[5] 孙利民, 李建中, 等. 无线传感器网络[M]. 北京:清华大学出版社, 2005.

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关键词：测控技术 综合实训 实训模式 教学实践

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-04

1 探索测控技术综合实训教学的背景

测控技术及仪器专业是1998年教育部调整新的本科专业后，把仪器仪表类原来的11个专业归并为一个大专业―测控技术及仪器[1]。随着国内经济的高速发展，我国的高等教育模式正在从精英教育向大众教育发展、过度，教育活动的目的也由过去的专才教育转变为通才教育或者通才教育与专才教育相结合。我国现有180多所高等学校设有“测控技术与仪器”专业，由于各学校原来的相关专业情况和发展历史不同，现有的办学条件、专业规模、教学水平也各不相同。2006年，测控技术与仪器本科专业依托我校机电工程系正式开设，本专业开办之初，教学体系大多参照重点院校教学模式，由于我校的立足点为应用型人才培养，在传授给学生一定理论知识的同时应注重学生的实践动手能力和知识的灵活运用与综合能力。我校的办学宗旨是努力将学校建成一所以工科教育为主导，以应用型人才为培养目标，在全国同类高校中办学特色鲜明、学科专业优势突出、综合竞争力较强的一流应用型理工大学。

几年的教学实践表明：在专业基础条件、师资条件、实验条件、人才培养定位和科研项目等方面我校与参考院校有着极大的差异，测控专业的教学如果不结合本校的特点，教学效果、人才质量与培养目标将相去甚远，很难反映我校应用型人才培养目标的定位与特色。学生能否在学校中就能独挡一面地参与企业的生产活动？怎样能使学生的知识和技能紧密地结合，能切实解决生产中的实际问题[2-3]？因此必须探索适合应用型人才培养模式的测控技术综合实训方案。

2 测控技术与仪器专业实验及实训方面目前存在的问题

测控技术与仪器专业是一个交叉学科，作为一名一线教师，经常了解到许多学生普遍感觉专业课程多、杂、乱，“光、机、电、计算机、控制、信息处理等什么都学一点、又什么都不会。”这是测控专业教学中学生普遍感到困惑的问题。实验与实训是帮助学生对抽象的测控理论知识理解与运用的关键环节，但传统的测控系列课程实验仪器为方便操作、验证教师在课堂上所讲的理论知识，许多均为“傻瓜型”，信息采集与处理的集成度很高，具体过程及许多中间环节都以一个不透明的集成试验箱的形式给出，学生只能看到输入与输出，无法目睹实际的实现过程与细节，且对所学知识的运用非常单一，实验或实训过程学生只需接入输入输出，读出结果，有老师讲解实现过程，完毕后，学生无法确切了解与掌握测量信号的形成、流向与信息处理过程。但是学生只有对实物有了感性认识之后，才能更加对所学的知识印象深刻，提高学生探索知识、进一步学习的兴趣，并培养学生进行系统分析、设计、开发与研究的基本能力。[4]回顾近几年测控专业教学情况，综合课程教学得失，深感测控专业实训教学的内容与方式对学生掌握所学知识的影响之重。为使测控专业办好、办出特色，扭转上续教学过程中出现的“多、杂、乱，什么都学、什么都不会的现象”，机电与汽车工程学院测控教研室提出了测控技术综合实训教学的新方式，开发面向应用型人才培养的测控专业实训教学模式，并总结测控技术综合实训教学的经验教训。

以前，实训一般安排两周或三周时间集中进行。一般采用分组方式把学生分为几组，指导教师向学生讲解系统工作原理、组成、主要模块等情况，之后由学生查阅相关资料，进一步详细了解相关技术，并进行2～3天的设计，教师对学生的设计方案进行审阅后学生进行方案的修改并进行系统的搭建实施，然后学生进行调试并进行设计报告的撰写，最后安排验收和答辩。在如此短段的时间内深入理解系统的工作原理并进行具体的方案设计、模块设计、制作、调试、结果评定、总结、撰写报告等工作比较困难，难以保证较优的实训质量。并且有些学生对某些课题比较感兴趣，有比较新颖的想法，有创新思维，在完成教师给定的目标任务之后，学生希望进一步改进设计，或加入新的功能，但这时已没有时间了。所以迫切希望有一个更灵活多变、周期更长、更能发挥学生主动性、兴趣，并能充分利用学生的兴趣和业余时间进行实训的方式。

3 新的测控技术综合实训模式的设计思路

南阳理工学院测控技术与仪器专业教学团队在专业建设、人才培养模式、课程体系改革以及教学内容和教学方法上做了大量的探索与研究、考察、实践工作，积累了丰富的经验，完成了旧的测控技术实训教学计划的执行并进行了新的测控技术综合实训教学模式的探索和尝试，在测控专业宽口径应用型人才培养方面取得了明显成效，强调理论教学与实践教学相结合，综合实训是提高学生对各门专业课应用能力的重要手段[5]。

如果学生大四之前没有做过测控技术综合实训，那么学生在学习各门专业课的时候没有任何目的性，总觉得一头雾水，理论和实际联系不上，各门课程所学的知识比较单一零散，不知在实际中怎样应用。因为专业课中每一门课程都主要注重某一方面知识的应用，而关于综合知识的运用的“测控系统设计”这门课程又在大四年级设置。因为如果设置在各个专业课之前的话，无法讲清楚细节，因为学生还没接触一些专业知识，什么专业课都没学过的情况下讲授综合知识，从理论上更难讲清楚知识的综合应用，学生也难以接受。所以如果在学生学专业知识的同时，认识一些实际的测控系统，对学生的理论与实际相结合的能力是有很大帮助的。并且在当前学生就业压力比较大的形势下，用人单位往往考察学生的实际动手操作能力和知识的综合运用能力，但是通常安排在第八学期进行的毕业设计环节受到就业和考研双方面的影响，工科专业的学生往往有到就业单位进行实习的实际需求，考研的学生花费了相当的精力准备考研及复试。在这种情况下，如果学习了部分专业知识之后，从大三下学期开始，到大四上半学期结束时毕业设计前结束，进行由浅入深、理论联系实际的测控技术综合实训，对学生来说具有重要的作用和意义[6]。为此，我们南阳理工学院机械与汽车工程学院测控教研室制定了新的测控技术综合实训模式。

3.1 实训目的

（1）本课程为计量测控与仪器专业的实践必修课，通过该课程的学习，培养学生对知识的综合运用能力和仪器仪表与系统的设计制造和实践技能，使学生在实践中得到锻炼和提高。使学生巩固所学理论知识及本专业的各种测试方法，比较熟悉各种测试方案的设计，加强本专业各科知识综合运用能力和问题分析能力，提高实际动手能力、理论联系实际的能力和创新能力。通过基本技能的训练，熟悉仪器结构及使用，对常用仪器非常熟悉。通过综合性实验的开设，开阔思维，培养学生分析问题和解决问题的能力。

（2）培养学生独立思考和独立工作的能力，为毕业后走向社会从事相关技术工作打下良好的基础。

（3）培养并提高学生具有创新能力和团队协作精神的综合素质。

3.2 实训要求

（1）本实训要求学生在第六、七学期课余时间完成。

（2）每组学生3～4人，从给定题目中任选一个，也可以自主选题，需指导教师认可。

3.3 时间安排

（1）老师在第六学期之前根据当年的教师的科研项目和实际应用需要，或一些成熟的典型课题，每个老师选取3―4个实训题目，大家一致讨论后通过，写出每个题目的实训目的、所需那些理论知识，最终验收方式，以及课题的前瞻性等。

（2）第六学期开学后对学生公布，学生了解各个题目设置的目的及要求后，根据自身意愿进行分组，每组的学生从所在相应组的题目中选取一个小题目，学生也可以根据自己的兴趣所在及实际需求自主选题，但是必须要和指导老师进行充分沟通，经过指导老师认可，题目确定之后开始进入正式实训阶段，着手准备。

3.4 实训过程

所有实训全部利用业余时间进行，不集中安排时间。这也是本综合实训的一个显著特点。

3.4.1 收集、查阅相关资料

南阳理工学院校园网站能够查阅大量的硕士、博士论文及期刊论文，以及大量的图书、视频，充分利用学院的资源，对题目进行充分细致的了解，对所需达到的设计要求及目的进行充分的认识。例如该课题的目的和发展现状是什么，完成该课题所需用到的关键技术是哪些，都有哪些可行的方案，各个方案不同的特点与优缺点等。

3.4.2 设计及实验

针对自己的课题，进行相应的设计、仿真、实物制作、调试等。

3.4.3 写出实训报告

对设计进行总结，学生在规定的时间内完成实训报告，实训报告要排版正确，格式规范；概念清楚，应用合理；层次清晰，逻辑性强；论证严密，计算准确全面；图标质量好。

3.4.4 进行验收和答辩

指导老师组成答辩小组，对各组学生的设计制作成果进行答辩验收。

3.5 验收及考核

3.5.1 验收

以组为单位展示自己小组的成果，并进行答辩。在提问、回答环节，教师要对一些重点、难点问题进行详细地提问、讲解、分析、评价。

3.5.2 考核

根据学生查阅资料情况、方案设计、调试过程、最终调试结果、设计报告、答辩情况等进行综合考核。其中方案设计、调试过程、最终调试结果、设计报告、答辩各占20%。

4 测控技术综合实训模块结构图

长期教学实践经验表明，在传授给学生知识的时候，首先让学生明确所学知识的目的是什么，有哪些具体的组成部分，他们的联系与区别是什么，在认识中理解，在理解中应用，在应用中掌握，这样才能得到最佳的教学效果。

先给学生列出测控系统综合实训内容的结构框图，见图1和图2所示。虚线框为测控专业各课程实验项目，通过综合实训，将课程实验融合在一起，根据实际项目的需要，各模块间的组合可简单或复杂，学生可制作多种功能、结构不同的应用系统，把各个分散的课程内容联系起来，形成一个相对完整的知识结构体系。

5 测控技术综合实训举例

下面以基于单片机的超声波测距系统为例，介绍测控技术综合实训的实施过程。本实训的内容包含从传感器到数据输出及误差处理，要求完成接近实际应用系统的软硬件设计调试，训练和提高学生在测控技术应用系统方面的设计调试能力[7]。要求：设计制作一个测距范围为0.1～5 m，分辨率为1 cm的超声波测距系统。本项目让学生掌握传感器技术、基本的电路应用、单片机控制技术与数码显示技术。该项目完成以后，既可加深学生对本专业相关各门课程内容的理解，又提高了他们的实际动手能力，与实际应用接轨，体会知识转化实践的过程。因此，本课题具有良好的教学和实践应用前景。实训前期的知识储备。对于该超声波测距实训题目，学生拿到题目后，首先查阅相关图书、电子文档等各种文献，对利用超声波进行测距的原理、特点、实现方法均有详细的了解与认识，然后进行方案设计，通过实际计算、仿真、论证等设计出一个最优的实现方案。例如，超声波发射方法可有硬件发射，也可由软件发射，从价格、功能上比较其优缺点，做出最优选择。

5.1 设计信号调理、信号变换、信号采集和输出电路

5.1.1 温度补偿

由于超声波也是一种声波，其声速与温度有关。在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，采用适当的温度传感器及其相应的电路对超声波传播速度加以修正，以减小误差。本测距系统中对温度的精度要求不是太高，所以可以选用DS18B20数字温度传感器。通过进行温度补偿可以得到更准确的测试结果，并且更深刻地认识误差理论与数据处理课程里进行误差补偿的方法与措施。

5.1.2 设计测控系统并制作实物

测距方案及温度补偿措施确定之后，开始设计后续信号调理、信号变换、信号采集等测控电路，主要采用模块化设计方法，老师对学生进行适当的引导和指导。主要包括硬件电路设计：超声波发射、接受模块、数字显示模块、报警模块、温度补偿模块；系统软件设计，主要包括初始化基础程序模块、脉冲信号发射模块、回波接收模块、温度补偿及距离计算模块、显示报警模块、按键设置模块。设计完成之后，首先利用软件进行调试，然后在面包板上搭建实物反复调试。直至调试成功之后，绘制电子线路图，制作电路板，焊接实物，再次进行调试，如果不成功，基本上就是电子线路板焊接时出现的问题。当出现问题学生尽量自己努力解决，解决不了的可以请教指导老师。

5.1.3 写出实训报告

实训报告中要把超声波测距系统制作的全过程进行详细描述，包括方案论证、所选传感器的技术参数、实物制作过程中出现的问题、课题的未来展望等。

5.1.4 总结、答辩

略

5.2 验收

学生利用黑板或多媒体陈述自己的课题制作过程，老师对某些知识点及问题进行提问。

下图为某一同学制作的实物图。图3为超声波测距系统进行简单包装之后的系统实物图，可以打开盒盖进行观察内部所有内容，图4为部分同学的设计制作成果。

6 测控技术综合实训教学探索与实践的几点体会

通过两年的教学实践，测控技术综合实训从具有工程背景的学生感兴趣的实际问题出发，取得了很好的效果，学生从被动的学习状态转变为积极主动地思考问题，并与同学和老师充分交流解决问题的良好状态，并让学生根据自己的兴趣和爱好把业余时间进行了充分利用，把零散的各学科的知识联系了起来，更清楚了各课程在实际使用中的地位和作用，更大的提高了他们学习的积极性、主动性、实际动手能力、分析与解决问题的能力、团队写作协作能力，为应用型人才培养打下了扎实的基础，充分体现了南阳理工学院应用型人才培养的目标。

参考文献

[1] 王代华.测控技术及仪器专业综合课程设计实践[J].高等工程教育研究，2007（3）：125-128.

[2] 郭槐，唐国兴.机电测控技术综合教学实训平台的建设与实践[J].实验室研究与探索，2010，29（4）：140-142.

[3] 李湘伟，周文玲.机电一体化专业机电综合实训教学模式的实践与探索[J].陕西教育（高教），2008（2）：4-9.

[4] 向欣，王永骥.测控与自动化专业综合课程设计实例[J].实验室研究与探索，2008，27（8）：119-122.

[5] 娄小平，董明利.“测控技术与仪器”专业综合实践模式的探索与研究[J].青年与社会中外教育研究，2009（7）：29-30.