計算機(jī)控制技術(shù)課程實踐教學(xué)

申海燕

【摘 要】本文從計算機(jī)控制系統(tǒng)課程的教學(xué)實踐出發(fā)，從課堂教學(xué)內(nèi)容的組織和實驗的設(shè)計管理兩個教學(xué)內(nèi)容入手，提出以把教學(xué)、實驗過程與日后工作和深入研究時采用的設(shè)計過程接軌為主要思路，輔以對學(xué)生科學(xué)的管理、因材施教，從而保證最多的學(xué)生從課程中受益。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)控制系統(tǒng)；教學(xué)研究；實驗設(shè)計

0.引言

現(xiàn)行的教學(xué)模式下存在的一些問題如下：偏于實際，忽略理論，將對學(xué)生深造和后續(xù)職業(yè)發(fā)展不利；偏重理論教學(xué)，難以將理論與應(yīng)用結(jié)合，學(xué)生出校門卻無一技之長，無法立即服務(wù)于社會；教與學(xué)的脫節(jié)，難于調(diào)動多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為此本文在教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，提出了從教學(xué)的組織和實驗的管理的計算機(jī)控制系統(tǒng)課程體系的安排，希望能得到同行的指點，共同進(jìn)步。

1.課堂教學(xué)內(nèi)容組織

課堂教學(xué)一直是教學(xué)的重點。首先要對課堂內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)的組織。教學(xué)內(nèi)容組織的原則是根據(jù)課程定位，兼顧基礎(chǔ)性、實用性，注重基本理論和基本方法，注重工程應(yīng)用價值，舍去那些理論上先進(jìn)而工程上極少應(yīng)用的高級或復(fù)雜算法，舍去那些適用場合不多的硬件配置模式，整合其他的相關(guān)課程資源，依照學(xué)生的水平，重點突出，主要確保多數(shù)學(xué)生不掉隊。選定的課程四大核心內(nèi)容為：以數(shù)字控制理論為主體，從連續(xù)控制引入數(shù)字控制；控制算法及其編程方法；智能控制理論的應(yīng)用；典型計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計。教學(xué)環(huán)節(jié)中，教給學(xué)生學(xué)習(xí)的方法比傳授知識更重要。教學(xué)中主要注意以下問題：

1.1在討論式教學(xué)中學(xué)會問問題

學(xué)習(xí)中最重要的就是學(xué)會思考，帶著問題來思考，是最重要的學(xué)習(xí)原則。在課堂上要盡量多提一些問題，注意將問題的來龍去脈說清楚，有些自我解答，有些找學(xué)生解答，有些則留給學(xué)生課后思考，下次上課時，利用較短的時間進(jìn)行總結(jié)和討論。

1.2培養(yǎng)興趣，找到樂趣

“興趣是最好的老師”。有了興趣和樂趣，就能夠忙而不累，樂而忘憂，就容易產(chǎn)生靈感，事半功倍。

1.3勤于動手，善于轉(zhuǎn)化

要多給學(xué)生動手，以便能把知識轉(zhuǎn)化為動手能力。這一點會由于不同學(xué)生差別很大，因此不同層次的學(xué)生要用實驗室的時間不同。

1.4學(xué)會綜合

要解決實際問題，靠哪一項單科知識都是不夠的，靠的是綜合后的知識。本課程的特點之一就是綜合，包括多門已學(xué)課程的知識綜合，理論與實踐的綜合，硬件與軟件的綜合等等。所以要在課程學(xué)習(xí)中注重綜合。

教學(xué)可以和縱向科研聯(lián)合，將科研成果轉(zhuǎn)化成專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)備，形成鮮明的專業(yè)教學(xué)特色，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)也可以和橫向項目相聯(lián)合，建設(shè)校企產(chǎn)學(xué)研合作實踐基地，促成教學(xué)與生產(chǎn)的結(jié)合，校企雙方優(yōu)勢互補(bǔ)、資源互用，是促進(jìn)科技發(fā)展，培養(yǎng)專門人才的重要途徑。

2.實驗的設(shè)計和管理

傳統(tǒng)的以課堂講授為主、實驗為輔的教學(xué)模式存在嚴(yán)重的缺陷。因為所開設(shè)的實驗多數(shù)是驗證型實驗，所有的實驗對象都已經(jīng)封裝好，學(xué)生只需要插線聯(lián)接，很快就可以獲得實驗結(jié)果。學(xué)生盡管完成了實驗，但無法真正將各門課程所學(xué)的內(nèi)容融會貫通；更重要的是與實際工作中的設(shè)計過程差別甚遠(yuǎn)。

為此，采用了實驗教學(xué)與理論教學(xué)并行的教學(xué)模式。學(xué)生的實驗針對課堂上所設(shè)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行，如電阻爐溫度控制系統(tǒng)。首先，利用兩個學(xué)時在課堂上講解整個系統(tǒng)的功能、組成和工作過程；在學(xué)生對整個計算機(jī)控制系統(tǒng)有了初步認(rèn)識以后，在實驗室演示已設(shè)計好的控制系統(tǒng)，向?qū)W生細(xì)致說明理論內(nèi)容與實物的對應(yīng)關(guān)系，如計算機(jī)、加熱元件、接口電路、出發(fā)電路、檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，再結(jié)合實物和學(xué)生討論設(shè)計方案及他們所提出的問題。然后，學(xué)生將自己的設(shè)計方案帶到實驗室去驗證。最后是同學(xué)們對自己所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。

通過系統(tǒng)級—元件級的循環(huán)過程，同學(xué)們不僅對計算機(jī)控制系統(tǒng)課程的核心思想有了深刻的理解，而且親身體驗了實際產(chǎn)品設(shè)計的全過程，也充分認(rèn)識到實踐操作的重要性，感受到設(shè)計成功的喜悅，大大激發(fā)了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。除了基礎(chǔ)實驗，按照從淺入深設(shè)計了四個綜合實驗：

2.1數(shù)字控制算法模塊化

根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，采用C語言對各類數(shù)字控制算法（包括：PID算法及其變形、數(shù)字濾波算法、最少拍算法、達(dá)林算法、狀態(tài)觀測器算法等）按照模塊化設(shè)計思想進(jìn)行編程開發(fā)，以方便系統(tǒng)使用。

2.2溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)

用簡易電加熱溫度控制箱與微機(jī)實驗箱構(gòu)成一個溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，由學(xué)生按照自己設(shè)計的控制方案進(jìn)行系統(tǒng)硬件的連接和配置，同時從控制算法模塊中選擇需要的算法，通過調(diào)整控制器參數(shù)以及外部擾動條件，觀察系統(tǒng)的運行情況。

2.3步進(jìn)電機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)

用小型直流步進(jìn)電機(jī)隨動裝置與微機(jī)實驗箱構(gòu)成一個步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，由學(xué)生按照實驗設(shè)計的控制方案進(jìn)行系統(tǒng)硬件的連接和配置，同時從控制算法模塊中選擇需要的算法組態(tài)控制系統(tǒng)，通過施加外部擾動，觀察系統(tǒng)的運行情況，并做實時記錄分析。

2.4帶上位監(jiān)控的數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)

在數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可考慮開發(fā)帶上位監(jiān)控功能的在線閉環(huán)系統(tǒng)。通過該監(jiān)控軟件平臺，可實現(xiàn)對系統(tǒng)控制算法的組態(tài)、控制器參數(shù)的調(diào)整和定值的修改等，同時要開發(fā)一些運行監(jiān)控畫面，包括系統(tǒng)工藝圖、運行參數(shù)實時趨勢曲線、報警畫面和參數(shù)一覽畫面等。使學(xué)生可根據(jù)自己的設(shè)計方案，通過該平臺系統(tǒng)靈活的調(diào)整控制算法和對系統(tǒng)運行監(jiān)控。該課程的實驗內(nèi)容更加符合快速發(fā)展的計算機(jī)工程控制技術(shù)要求，使學(xué)生走上工作崗位后能夠盡快地適應(yīng)實際工作。

3.結(jié)語

最佳教學(xué)效果的取得，需要依據(jù)生源情況因材施教，課堂教學(xué)之外，教學(xué)的管理也很關(guān)鍵，實驗教學(xué)，作業(yè)情況，答辯和最終考核都需要認(rèn)真執(zhí)行才能達(dá)到效果，避免流于形式。不過帶來的問題是：對教師投入的精力要求較多。另一方面，實驗室還沒有實現(xiàn)全開放，學(xué)生自由實驗受到資源和時間的限制。因此，還有必要探究更加合理的教學(xué)過程，改進(jìn)教學(xué)手段，以達(dá)到該門課程教學(xué)效果的最優(yōu)化。

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