徐鑫航，蒋开明，熊 霖，黄洪全
（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）
目前，工业生产已经进入第四次工业革命的重要时期，而德国提出的“工业4.0”又是这一时期的标志性概念，即是以智能制造为主导的革命性的生产方法[1-2]。我国是世界工业大国，并稳步向工业强国迈进。为了这一宏伟目标，我国已进行了伟大的战略布局，提出“中国制造2025”并积极实施，明确工业生产的数字化就是“工业4.0”，对于未来中国经济发展具有重大意义。
为了“中国制造2025”伟大战略的实现，必须培养大量适应时代需要的自动化优秀人才。高校想要培养优秀的自动化人才就必须改变传统教学的模式，寻找学生在学习和科研上的问题，再做出对应的解决方案，才能有效、切实地提高学生的科研能力。
以自动化专业中重要的核心课程《计算机过程控制》为例，各高校配置了各种“过程控制实验装置”供学生实验使用，但这些实验装置相对来说过于的呆板且实验的创新性被大幅度的限制，学生进行的实验也仅仅是依葫芦画瓢，改改参数而已，而对实验中的对象及其特性并未加以深入了解。因此，这是机械式的验证性实验，学生在根本上并未融入生产过程对象中，从而难以在以后的工作岗位上快速地适应复杂的自动化大生产环境[3-5]。
为此，本文将探讨如何在大学本科阶段提高自己的科研能力，通过加强学生对于本科实验的学习和研究从而提高自己的科研能力，使得学生一出校门就是一个合格的“准工程师”，成为“中国制造2025”迫切需要的人才。
在高校传统的教学模式下，课程的学习课时较少，老师的教学时间相对来说很紧凑，而学习的内容也比较深奥和枯燥，从而对于正在学习的大学生来说，学习的热情会被逐渐消磨而难以去提高自身的科研能力。以《计算机过程控制》课程为例，其书本中有大量一阶、二阶、高阶的公式及各种各样的控制过程原理图，学习的过程就会一点点的消磨学生的学习热情。同样《计算机过程控制》课程的传统实验课程教学也存在着刻板守旧的授课思路，学生在进行实验时，是在实验室中操作系统自身已经设计好的组态图中进行调节实验，学生也只是单纯的按照实验指导书进行简单的实验箱电路连接，将实验箱和电脑主机相连接，通过组态软件改变对应参数得出不同实验的波形图。这样依葫芦画瓢的实验操作步骤，在简单机械式的工作下也只会消磨学生的学习热情，毫无创新能力的过程对于学生科研能力的提高也毫无帮助。
其次，学生在进行传统的《计算机过程控制》实验时，因为学生一直是按照实验指导书上的内容来操作的，所以自身做实验时的思考量是不够的，这样就会让学生走入一个很大的误区：只要自己按照步骤做了实验，得到了实验结果那么就是学会这门课程。其实这种学习过程的方向是错误的，学生要明白实验课是为了论证理论知识的正确性，所以在学习的过程中学生未做到将理论知识和实践有效结合是很难提高自身的科研能力。
首先，各个高校想要提高学生的科研能力，一定要点燃学生的学习热情。古人云“万事开头难”，当学生有了强大的学习热情，那么他的科研能力也会随着时间不断地提升。在《计算机过程控制》的实验课教学上，现有的“过程控制实验装置”都是事先设计好的物理模块，或者是代办的且数量有限的实体来代替实际生产中的被控对象；
学生在实验中进行的所谓操作仅仅是改改参数而已，而对控制策略及被控对象的特性并未加以深入了解。所以学生从根本上并未融入生产过程对象中，所以学生难以产生学习的热情。
因此，高效的解决方案是将自动化生产过程“搬进”实验室，通过对实际自动化生产现场对象的虚拟化再现，学生扮演着系统设计师与系统调试者的角色，进行自动化生产过程的任意搭建，看着策略的多样化设计，真正融入“现场”，自主实验，做到学校所学与实际现场工作环境的无缝连接。高校可以使用合理的实验平台，让学生们通过自己动手在仿真软件上任意搭建组态，模拟不同物理模型的动态现象，亲自动手连接试验箱，输出不同的波形图。通过切实的参与和各位同学思维的碰撞，极大地活跃了实验课气氛，调动了每位同学的积极性，利于提高学生的科研能力。学生也可以通过调节仿真程序上组态图的自变量去观察因变量的变化，通过对实际自动化生产现场对象的虚拟化，能够身临其境地感受到现实工程的运行，更加形象地感受到理论知识，激发科研热情，从而有足够的动力去投身于科研中。
其次，学生要将理论知识和实际应用相结合才能更好地理解如何将理论知识应用到现实生活中。如在《计算机过程控制》的课程中主要是和控制系统、传递函数打交道。以二阶惯性环节为例，如公式2-1所示，单从抽象的函数是很难深刻理解其公式的意义，但如果将公式放在具体的工程实例中，在虚拟化系统中进行模拟就很好地去理解公式的原理和作用。
学生可以在虚拟系统中搭建一个水箱调节水位状态的组态图，将二阶惯性环节赋予单容水箱的定值控制实验中完成实验步骤，观察组态图的动态变化。实验以电动调节阀与水箱液位为被控对象，水箱的液位为被调量。系统的执行软件为电动调节阀，它控制对水箱供水的管道的流量，以调节水箱液位，电动调节阀的控制电压为实验的主控制变量。其中，电动调节阀传递函数为一阶惯性环节构成：
水箱液位传递函数也为一阶惯性环节构成：
系统的广义被控对象传递函数为二阶惯性环节构成：
通过组态图的构成和惯性环节控制的输入量、输出量可以得出单容水箱液位定值控制的系统框图（图1）和原理图（图2）。这样的学习延展了学生的思维能力，极大地加强了学生的思考量，有力地提升了学生独自处理问题的能力。
图1 单容水箱液位定值控制实验系统框图
图2 单容水箱液位定值控制实验原理图
因此，学生可以通过改变调节阀、水箱的时间常数和增益，在组态图的动态变化下，观察电动调节阀和水箱液位的变化规律，也可以从响应曲线上读出系统的超调量、峰值时间和稳定时间。这样就通过虚拟系统形象的将生硬的惯性环节传递函数和大量的数据活灵活现地展示给学生，降低了学习的难度，提高了学习兴趣，又大大提高了学生的科研能力。
将思维从《计算机过程控制》这门课程中跳出来，映射到自己学过的其他课程中，将单一的思维发散开来是科研能力提升的必要途径。比如，一阶、二阶惯性环节还可以应用在有电容、电感的电路中，学生可以通过电路参数去更好地理解一阶、二阶惯性环节的原理。
最后，学生也应该增加自身的思考量，将复杂的问题简单化，这是科研学者必须要具备的能力。如在《计算机过程控制》的学习过程中遇到了一些复杂的高阶环节，但可以通过自己的方法将高阶环节简化为一阶惯性环节或二阶惯性环节，这样就将分析的难度降低，增加自身的理解。本文以公式（2-5）所示的三阶环节为例。
将三阶环节公式化简为三个低阶惯性环节构成，如下公式（2-6）所示。
将高阶系统降为由多个惯性环节相加的形式，降低了阶次，便于观察现象和计算数据。这样让学生一步一步地动手实践，按照步骤和方法多做几遍，不要惧怕困难，工作量上去了，自然科研能力就得到了强化。
本文以《计算机过程控制》的学习过程为例，为实现中国提出的“中国制造2025”决策，提出了高校提升大学生科研能力存在的问题：刻板的实验模式不利于科研能力的提高。针对上述提出的问题，详细论述了提高大学生科研能力的措施：通过高校搭建的虚拟系统让学生加强理论和实践的结合提高学习兴趣，通过发散性思维加强学生对理论知识的理解，通过强化学生独自思考的能力将复杂的问题简单化等这些措施。高校可以通过自身改善教学方式，在实验室搭建虚拟系统等措施去提升本科生的科研能力，但大学生想要在走出校门的时候就成为一名“准工程师”，也要靠自身的学习能力和自律能力去提高自身的科研能力。相信这样的大学生会成为一名符合“中国制造2025”决策的高端人才，为国家社会做出贡献。
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