“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的立體化教學(xué)模式研究

謝昊飛?蔡龍騰

摘要：“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是電子信息學(xué)科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它涉及到多門課程的知識，理論和應(yīng)用性都十分強(qiáng)，因此它給本科理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)上帶來了很大困難。重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院在分析了傳統(tǒng)的教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合課程群設(shè)計(jì)、真實(shí)工業(yè)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和科學(xué)研究的立體化教學(xué)模式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提升了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；課程群；教學(xué)模式

作者簡介：謝昊飛（1978-），男，重慶人，重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，副教授；蔡龍騰（1990-），男，湖北孝昌人，重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生。（重慶 400065）

基金項(xiàng)目：本文系重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工程訓(xùn)練中心建設(shè)的研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：1201019）、重慶郵電大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“自動化類研究生創(chuàng)新教育基地建設(shè)”的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0097-02

一、課程教學(xué)模式研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在機(jī)械制造、過程控制、航天航空、交通運(yùn)輸、流程自動化等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是一門工程性很強(qiáng)的本科專業(yè)課程。但是由于本課程融合了單片機(jī)知識、自動化控制理論、現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字通信原理，涉及面十分廣，給傳統(tǒng)的理論課程體系、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和教學(xué)方法帶來了很大挑戰(zhàn)。為此，90年代中期以來，各高等院校紛紛開始對傳統(tǒng)的教學(xué)模式提出改進(jìn)措施以增加教學(xué)的效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

改革內(nèi)容大致體現(xiàn)在三個(gè)大的方面：課程理論體系結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法。課程理論體系結(jié)構(gòu)的改革主要體現(xiàn)在選擇主流的微型計(jì)算機(jī)為工具，以完成的應(yīng)用案例為主導(dǎo)線展開課程內(nèi)容，與傳統(tǒng)的連續(xù)控制系統(tǒng)的對比教學(xué)提高效果。[1，2]基于計(jì)算機(jī)控制中若干基本概念，介紹了由連續(xù)控制器到離散控制器的設(shè)計(jì)方法。[4]實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)是眾多教師著重考慮的環(huán)節(jié)，以增加學(xué)生對理論的理解力和實(shí)際的動手能力，減少了驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，增大了設(shè)計(jì)性、綜合性和研究性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。[5]教學(xué)方法涉及面十分廣泛，包括應(yīng)用現(xiàn)代的信息技術(shù)教學(xué)手段、典型案例教學(xué)。

上述改革措施的實(shí)施很大程度解決了一部分教學(xué)過程中的問題，但是仍然有一些難題還需要解決。首先，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程理論內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與“自動控制原理”、“單片機(jī)原理”、“微機(jī)原理”、“現(xiàn)代控制理論”以及“信號處理”等相關(guān)的課程未有統(tǒng)一考慮。其次，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仍然是原理性驗(yàn)證，遇上實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生同樣存在束手無策的現(xiàn)象。最后，學(xué)生缺少主動查閱資料獨(dú)立解決問題的能力。本文針對上述問題開展立體化教學(xué)模式的研究，讓上述的因素相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)有機(jī)的整體，從而提高教學(xué)效果。

二、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程群建設(shè)

考慮到自動控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢以及對學(xué)生在自動化專業(yè)知識、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)的要求，將“微機(jī)原理”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”和“網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)”五門課程構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)類課程群，整體考慮課程銜接、理論教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、理論與實(shí)踐的合理配置以及課程群內(nèi)容的優(yōu)化，從而讓學(xué)生從大二年級到大四完成一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程。

在建設(shè)課程群主要討論各個(gè)課程理論內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課時(shí)的分配以及課程間的銜接。將“微機(jī)原理”課程放于大二的第二學(xué)期，它是整個(gè)后續(xù)課程的基礎(chǔ)。它主要給理解基于IBM 8086系列計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)以及外部接口的設(shè)計(jì)。同時(shí)將一部分關(guān)于A/D、D/A內(nèi)容刪除，劃分到“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程中。單片機(jī)原理及應(yīng)用則主要展示基于MCS-51單片機(jī)的原理和接口設(shè)計(jì)部分。接口包括鍵盤、數(shù)碼管、LCD燈、功率接口、通信接口設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)則著重于數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)過程、狀態(tài)空間的設(shè)計(jì)、過程通道設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)最近發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)，前者著重于嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和接口驅(qū)動的設(shè)計(jì)，而后者是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化，因此側(cè)重于大的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的介紹。

為了保持實(shí)驗(yàn)課程的一致性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是具有嚴(yán)格的銜接性的，除“微機(jī)原理”外，其他課程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)平臺均是基于統(tǒng)一的芯片。因此當(dāng)整個(gè)課程群實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，學(xué)生將學(xué)會從簡單接口設(shè)計(jì)到一個(gè)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后到一個(gè)多回路的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

此外，設(shè)立專門課程群的管理機(jī)制，規(guī)范各個(gè)課程理論和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、課程設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，對課程中出現(xiàn)的問題及時(shí)處理，建立網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

三、真實(shí)工業(yè)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)

針對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缺乏真實(shí)工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，構(gòu)建實(shí)際的工廠控制環(huán)境，讓學(xué)生體會實(shí)際的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程，從而理解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的各個(gè)知識環(huán)節(jié)是必要的。

因此在保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為目標(biāo)組織實(shí)訓(xùn)，讓每位同學(xué)擔(dān)任工程師、管理人員、材料采購人員、生產(chǎn)人員或其他角色，并在其間發(fā)揮作用，要能和團(tuán)體內(nèi)的其他成員協(xié)調(diào)配合，使學(xué)生能敏銳地發(fā)現(xiàn)應(yīng)該由他解決的問題，并知道自己應(yīng)該如何去做。為此，構(gòu)建如圖1所示的真實(shí)工業(yè)環(huán)境，形成計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、定型設(shè)計(jì)到電磁兼容性測試與可靠性試驗(yàn)的一套系統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)、開發(fā)與測試環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生以可靠性為核心的產(chǎn)品化、工程化意識與能力，提高學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力、工程測試能力和綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力。

第一，電子產(chǎn)品生產(chǎn)線包括電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試全套流程的設(shè)備配置。能實(shí)際生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品與智能儀器儀表、智能電器的電子部分。測試包括電磁兼容測試、高低溫測試等可靠性產(chǎn)品測試內(nèi)容。系統(tǒng)配合機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)線生產(chǎn)的智能儀器儀表、智能電器可在流程工業(yè)控制系統(tǒng)或供配電系統(tǒng)進(jìn)行試用。

第二，機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)線包括機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試全套流程的設(shè)備配置。能實(shí)際生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品與智能儀器儀表、智能電器的殼體，并配合電子產(chǎn)品生產(chǎn)線生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品、智能儀器儀表、智能電器可在流程工業(yè)控制系統(tǒng)或供配電系統(tǒng)進(jìn)行試用。

第三，以典型的流程工業(yè)生產(chǎn)過程為對象，體現(xiàn)多總線集成的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)特點(diǎn)，并可為學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)的基于總線技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品與智能儀器儀表提供試用條件。其中現(xiàn)場總線技術(shù)及無線技術(shù)方面形成基于單元設(shè)備、通信卡、芯片、協(xié)議棧和多總線集成等各不同層次的系統(tǒng)性、設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)、開發(fā)與測試平臺，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和技巧，提升學(xué)生的綜合性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性思維能力。

第四，構(gòu)建完善的車間供配電系統(tǒng)，并可為學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)的計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品、智能儀器儀表或智能電器產(chǎn)品提供試用條件。

四、科學(xué)研究與課程教學(xué)相結(jié)合

科學(xué)研究與課程教學(xué)主要體現(xiàn)兩個(gè)方面：

第一，科學(xué)研究可以幫助任課教師和上課學(xué)生掌握與課程相關(guān)的技術(shù)發(fā)展趨勢、相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)研究方法。任課教師可以從科研中更加深刻理解課程中內(nèi)容，提高其課堂水平，形成理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。同時(shí)，課題組的相關(guān)科研工作積極吸納學(xué)生參與，不但他們可以掌握本領(lǐng)域的前言動態(tài)，還可學(xué)習(xí)如何主動分析問題，獲取相應(yīng)的專業(yè)知識，解決現(xiàn)實(shí)的工程科研問題，從而具有較高的綜合素質(zhì)。

第二，科學(xué)研究可以促進(jìn)課程縱深發(fā)展?？茖W(xué)研究較大豐富了辦學(xué)的資源，可以利用科研的儀器儀表和其他研究工具，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足。目前，本課題組已利用相關(guān)資源，形成了課程的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)平臺。同時(shí)，還可以提升整個(gè)課程的地位。通過科研，可以將研究內(nèi)容整理出有實(shí)用價(jià)值的信息融入相關(guān)課程，甚至可以編撰相關(guān)教材和專著。

自2004年來，課程組一直致力于一種“科研促教學(xué)”的教學(xué)方法，利用承擔(dān)的國家和企業(yè)等相關(guān)科研項(xiàng)目，構(gòu)建了工業(yè)以太網(wǎng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、智能汽車控制系統(tǒng)等教學(xué)平臺，并利用了平臺進(jìn)行與課程的課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)，取得十分好的效果，甚至有部分同學(xué)提出了許多十分新穎的設(shè)計(jì)。

五、教學(xué)改革的效果分析

1.教學(xué)效果

通過立體化的教學(xué)，學(xué)生對課程的理解得到了進(jìn)一步的加深，對課程在各個(gè)領(lǐng)域的知識應(yīng)用有了形象的認(rèn)識，對課程數(shù)字控制器、控制通道等重難點(diǎn)內(nèi)容有了實(shí)質(zhì)的提高。從近5屆本科生的考試平均卷面成績來看，從最初的63.8分提升到最近78.4分，其中85分以上提高到了42.4%。實(shí)驗(yàn)效果從反饋效果來看，學(xué)生的動手能力有了十分的改善。從最初的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)可以完成了一些綜合較強(qiáng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)踐效果

由于融合了科研資源和面向真實(shí)的工業(yè)環(huán)境等策略，學(xué)生實(shí)踐能力得到極大的提高。學(xué)生已經(jīng)從最初的被動式接受知識，改為了主動式思考面臨的實(shí)際問題，并解決現(xiàn)實(shí)生活存在的一些問題。近5年，與課程相關(guān)的學(xué)生科技競賽獲得獎(jiǎng)項(xiàng)30余項(xiàng)，學(xué)生設(shè)計(jì)的許多課程設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)作品都列入實(shí)驗(yàn)室展覽室。

總之，在結(jié)合課程群設(shè)計(jì)、真實(shí)工業(yè)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和科學(xué)研究的立體化的新的教學(xué)模式下，經(jīng)過多年的努力，開始取得了一定的成績，學(xué)生的課程實(shí)踐能力取得很大的進(jìn)展，對課程的理解有了很大提高，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程也成為重慶市精品課程。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉莎.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國電力教育，2008，9（121）：118-119.

[2]周欣欣，宋人杰， 李紅彪，等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程教學(xué)改革初探[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社科版），2008，（3）：29-31.

[3]于海生.自動化專業(yè)“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”課程的改革與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2000，8（22）：15-17.

[4]楊志軍.開闊思維 抓住本質(zhì)——“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教學(xué)探討[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2008，（S1）：82-83.

[5]王佳慶，玉瑞， 謝陳躍.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)改革的探索與研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（4）：397-399.

[6]袁少強(qiáng).計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2003，（2）：34-35.

（責(zé)任編輯：王意琴）