“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

張 向 鋒

(上海電機(jī)學(xué)院 自動化系，上海 200240)

0 引 言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測和傳感技術(shù)有機(jī)結(jié)合、綜合發(fā)展的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，不僅包括航空航天等國防高精尖領(lǐng)域，還在現(xiàn)代化的工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1]。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程已經(jīng)成為我國工科院校電氣信息類、機(jī)械類等大類中有關(guān)專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要的專業(yè)課, 不僅需要學(xué)習(xí)抽象的理論知識，而且具有較強(qiáng)的工程技術(shù)背景[2-3]。上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院開設(shè)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程是自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)等專業(yè)的專業(yè)課[4-5]。這就要求學(xué)生了解并掌握如何合理地選擇和組織工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的軟件、硬件、外圍設(shè)備和接口通道以及控制管理生產(chǎn)過程的基本原理和方法，將控制對象、計(jì)算機(jī)、傳感器、通道和接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)軟件和各種應(yīng)用軟件組成一個有機(jī)的整體，形成完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備一定的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)等理論知識和實(shí)際能力。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)、與專業(yè)課密切相關(guān)，它涉及的基礎(chǔ)理論和知識面較廣[6-8]。計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的一部分，在本課程的教學(xué)體系中通過完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深對基本概念和規(guī)律的認(rèn)識，以提高自己理論聯(lián)系實(shí)際、解決工程實(shí)際問題的能力。

1 計(jì)算機(jī)控制實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)思想

教學(xué)實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際的很好的教學(xué)方式[9-10]。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力[11-12]。本課程教學(xué)大綱中對實(shí)踐教學(xué)提出相應(yīng)的要求，學(xué)生必須完成一定學(xué)時的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由顚φn程理論知識的理解。

由于計(jì)算機(jī)控制新知識、新技術(shù)更新的速度越來越快，這就要求在教學(xué)環(huán)節(jié)中注意培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，使學(xué)生通過自學(xué)掌握新知識，適應(yīng)社會的快速發(fā)展。其次，通過形式多樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，驗(yàn)證所學(xué)理論，而且對所學(xué)內(nèi)容能夠提出一些新的見解。通過實(shí)驗(yàn)，可以活躍學(xué)生的學(xué)術(shù)思想，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。并且，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)活動，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，這對于應(yīng)用型人才來講至關(guān)重要。通過實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能使學(xué)生加深對課堂上所傳授的基本概念和基本原理的認(rèn)識，驗(yàn)證所學(xué)理論，對所學(xué)內(nèi)容能夠提出一些新的見解。在實(shí)驗(yàn)過程中鍛煉和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目的。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

為了保證計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，學(xué)院對控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了重建，購置了22臺控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。每套裝置每次供1到2位同學(xué)使用，保證每位同學(xué)能動手操作并進(jìn)行軟件編程，充分發(fā)揮自己的能動性。

2.1 硬件平臺及軟件開發(fā)環(huán)境

計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由上位PC微機(jī)(含實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件)、實(shí)驗(yàn)臺、USB2.0通訊線等組成。實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)裝有以C8051F060芯片(含數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件)為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理卡，通過USB口與PC微機(jī)連接?？刂评碚搶?shí)驗(yàn)臺主要由計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及物理對象(電機(jī)轉(zhuǎn)速與溫度控制、液位控制)等部分組成。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)模塊由電源部分、元器件單元、數(shù)據(jù)處理單元、非線性單元及模擬電路單元等15個單元組成。其中電源單元包括電源開關(guān)、保險絲，提供+5 V，-5 V，+15 V，-15 V，0 V，1.2～15 V可調(diào)電壓的輸出。元器件單元提供了實(shí)驗(yàn)所需的電容與電阻，電位器，另外提供了插接電路，供放置自己選定大小的元器件。數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)輸出，并通過并行口與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊。非線性單元為典型的非線性環(huán)節(jié)電路。模擬電路單元由運(yùn)算放大器與電阻、電容等器件組成，由場效應(yīng)管組成的電路用于鎖零。在“計(jì)算機(jī)控制”實(shí)驗(yàn)中，這些單元常被用于模擬被控對象。計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)的上位機(jī)控制程序是與硬件平臺配套的程序。上位機(jī)控制程序可以通過該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成8通道數(shù)據(jù)采集輸入(同時采集最多2通道)和2通道檢測波形輸出(同時輸出最多2通道)。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)上可以完成計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)所需的檢測信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、控制計(jì)算以及數(shù)據(jù)輸出等任務(wù)，并提供虛擬示波器功能，將支持多種波形顯示方式和后期圖像數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)時學(xué)生可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選用不同的模塊、單元組成不同的硬件系統(tǒng)，配合上位機(jī)控制程序，組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，盡可能創(chuàng)造接近于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

學(xué)生學(xué)習(xí)了電子線路、自動控制原理、計(jì)算機(jī)原理、計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)課程后，已具備了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基本知識。但在設(shè)計(jì)和組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時仍會遇到許多問題。因此，在實(shí)踐中教師應(yīng)鼓勵和吸引學(xué)生投入到教學(xué)環(huán)節(jié)之中。學(xué)生直接參與分析問題、解決問題，運(yùn)用所學(xué)的知識、理論、方法，發(fā)揮自己的推理、思考及設(shè)計(jì)等各種實(shí)際能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)3種類型[13-14]。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通常是指讓學(xué)生針對已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而進(jìn)行的以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果、鞏固和加強(qiáng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基本理論內(nèi)容、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作能力為目的的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。它是建立在已知結(jié)論的基礎(chǔ)上的，實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是已知的，因此實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)也應(yīng)合乎必然產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這部分的實(shí)驗(yàn)主要有“A/D與D/A轉(zhuǎn)換”、“數(shù)字PID控制算法的研究”等。綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的綜合知識或與本課程相關(guān)課程知識的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在具有一定知識和技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一門課程或多門課程的知識、技能和方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合型實(shí)驗(yàn)。這部分的實(shí)驗(yàn)主要有“水箱液位控制系統(tǒng)”等。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生運(yùn)用已掌握的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基本知識、基本原理和實(shí)驗(yàn)技能，提出實(shí)驗(yàn)的具體方案、擬定實(shí)驗(yàn)步驟、選定儀器設(shè)備、獨(dú)立完成操作、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制圖表、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這部分的實(shí)驗(yàn)主要有“直流電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)控制”、“電加熱爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等。

3 實(shí)踐教學(xué)方法和手段的改革

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷深入，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)資源掌握的水平也在不斷提高。教學(xué)的深度和難度也隨之變化。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)教學(xué)的目的是培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)應(yīng)用型人才。讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)變?yōu)樽灾餍詫W(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，在實(shí)驗(yàn)過程中注重實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和理論研究能力[15-16]。為此，我們從以下幾個方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

(1) 實(shí)驗(yàn)類型的改革。減少了驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增大了綜合性、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。通過讓學(xué)生親自動手完成自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以真正提高綜合知識的運(yùn)用能力及動手能力。例如學(xué)生利用加熱裝置、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)、虛擬儀器軟件Labview等軟硬件，可以自行設(shè)計(jì)完成溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生可以完成硬件選型、系統(tǒng)搭建、算法選擇及軟件編程這樣一個完整的過程。通過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而體驗(yàn)理論設(shè)計(jì)和工程實(shí)際的區(qū)別。通過把理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際的系統(tǒng)，提高了學(xué)生的系統(tǒng)搭建和整體調(diào)試的綜合能力。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革。通過教學(xué)內(nèi)容改革可以讓學(xué)生加深對概念的了解，促進(jìn)教學(xué)效果的提高。在講授計(jì)算機(jī)控制規(guī)律如PID數(shù)字控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等理論性較強(qiáng)的內(nèi)容時，可適當(dāng)把Matlab/Simulink 仿真引入到課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，利用Matlab/Simulink建立計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真調(diào)試。根據(jù)獲得的控制效果，分析控制模型的不同參數(shù)對控制結(jié)果的影響。

(3) 指導(dǎo)方法的改革。在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過程中，教師主要保證試驗(yàn)設(shè)備的完好，檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況，考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。鼓勵學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識，利用實(shí)物實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式，對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，采取一起討論的方式，教師主要從解決問題的思路上給予指導(dǎo)。

(4) 增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)是教學(xué)計(jì)劃中進(jìn)行綜合訓(xùn)練的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，它將使學(xué)生在綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決本專業(yè)方向的實(shí)際問題方面得到系統(tǒng)性的訓(xùn)練。為此，本課程增開了相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，目的是通過大量的軟、硬件實(shí)驗(yàn)，由淺入深的實(shí)踐，從而讓學(xué)生更好地掌握對計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理論知識的運(yùn)用。

總之，通過以上教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，盡可能使學(xué)生由被動的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膮⑴c者, 提高學(xué)生動手應(yīng)用能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)和今后從事實(shí)際工程實(shí)際設(shè)計(jì)、維護(hù)等工作打下良好的基礎(chǔ)。然而隨著科學(xué)知識的不斷更新，行之有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段還有待于進(jìn)一步的反饋和完善。

4 結(jié) 語

在近幾年的教學(xué)過程中，注重實(shí)踐教學(xué)平臺的構(gòu)建，注重學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)技能的掌握，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力。在以后的教學(xué)過程中，教師仍應(yīng)不斷思考和探索，增加學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣，提高實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才的目的。

[1] 張德江. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010．

[2] 賴壽宏. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) [M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[3] 高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會. 高等學(xué)校本科自動化指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范 [M]. 北京：高等教育出版社, 2007： 2-8.

[4] Zhang Xiang-feng, Chen Guo-chu. Research on technology application-typed undergraduate curriculum system for automation [C]//International Conference on Education and Educational Research (EER 2013), Singapore, 2013: 80-85.

[5] Zhang Xiang-feng, Liu Jun. Research on the cultivation of automation major core competence in technology application-typed undergraduate education [C]//The 3rd International Annual Conference on Teaching Management and Curriculum Construction, Fenghuang, China, 2012: 136-139.

[6] 嚴(yán)娟娟. 以提高應(yīng)用能力的“計(jì)算機(jī)控制”課程改革的思考 [J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2009, 31(增): 26-28.

Yan Juan-juan. Thinking about computer control technology course reformation to raise application ability [J]. Journal of Electrical & Electronic Education, 2009, 31(Sup.): 26-28.

[7] 邢航, 張鐵民. “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”教學(xué)改革探索與實(shí)踐 [J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26(12): 370-372.

Xing Hang, Zhang Tie-min. Discussion and practice on computer control technology course reformation [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2007, 26(12): 370-372.

[8] 初紅霞, 謝忠玉, 王希鳳，等. “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探討 [J]. 中國電力教育, 2013 (11): 87-88.

Chu Hong-xia, Xie Yu-zhong, Wang Xi-feng,etal. Reformation and exploration on experiment teaching models of computer control technology [J]. China Electric Power Education, 2013(11): 87-88.

[9] 吳建強(qiáng), 李 琰, 齊鳳艷. 全開放、自主學(xué)習(xí)模式下實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式的探索與實(shí)踐 [J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2011, 33(4): 70-72.

Wu Jian-qiang, Li Yan, Qi Feng-yan. Discussion and practice on exam methods of experiment teaching with fully-open and autonomous learning model [J]. China University Teaching, 2011, 33(4): 70-72.

[10] 李英姿, 張少軍. “應(yīng)用技術(shù)主導(dǎo)型”院校實(shí)踐能力的培養(yǎng)研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2005, 24(Sup.): 138-140.

Li Ying-zi, Zhang Shao-jun. On training students’ engineering abilities in the application-oriented institute [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2005, 24(Sup.): 138-140.

[11] 干開峰, 王 俊, 丁 健. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜述和探索 [J]. 科技視界, 2012, 2(17): 31-33.

Gan Kai-feng, Wang Jun, Ding Jian. Overview and exploration of the experimental teaching of computer control technology curriculum [J]. Science & Technology vision, 2012, 2(17): 31-33.

[12] 顧德英, 馬淑華, 孫文義. 提高“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教學(xué)質(zhì)量的方法研究 [J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2009, 31(6): 106-107.

Gu De-ying, Ma Shu-hua, Sun Wen-yi. Improving the teaching quality of the computer control technology [J]. Journal of EEE, 31(6): 106-107.

[13] 史旭華, 俞海珍. 工業(yè)自動化專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí) 驗(yàn)教學(xué)平臺 [J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2008, 27(10): 34-36.

Shi Xu-hua and Yu hai-zhen. An integrated and creative experimental teaching platform for industrial automation speciality [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2008, 27(10): 34-36.

[14] 趙亦欣, 唐 雁, 黃 偉. 自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用整合的研究 [J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 34(1):173-176.

Zhao Yi-xin, Tang Yan, Huang Wei. The investigation for integration between automation experiment teaching and engineering application [J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition), 2009, 34(1):173-176.

[15] 楊 青, 王改云. 自動化實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與改革 [J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2010, 29(11): 81-83.

Yang Qing, Wang Gai-yun. Reformation and construction in automation experiment teaching demonstration center [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(11): 81-83.

[16] 蔣建春, 岑 明, 蔡林沁. 自動化專業(yè)教育教學(xué)改探討 [J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(10): 348-350.

Jiang Jian-Chun, Cen Ming, Cai Lin-qin. Investigation of reform in automation major education and teaching [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011, 30(10): 348-350.