“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教改研究與實(shí)踐

張 婧， 蓋文東， 高宏巖， 盧 曉

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教改研究與實(shí)踐

張 婧， 蓋文東， 高宏巖， 盧 曉

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

針對(duì)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的特點(diǎn)及學(xué)生難以將離散控制理論與工程應(yīng)用實(shí)際結(jié)合的問題，本文采用案例教學(xué)法，將案例與該課程的章節(jié)及其它課程章節(jié)相聯(lián)系，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到本專業(yè)知識(shí)的連貫性。經(jīng)過兩年的教學(xué)實(shí)踐，該教學(xué)法提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生分析、解決問題的自主學(xué)習(xí)能力，有利于應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；教學(xué)改革；案例教學(xué)法

0 引言

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是工科院校自動(dòng)化本科專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)課程，是本科專業(yè)基礎(chǔ)理論的綜合應(yīng)用，是自動(dòng)控制理論實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域里產(chǎn)生了新的理論和方法，不同階段的學(xué)生對(duì)理論與實(shí)踐的認(rèn)識(shí)也隨之發(fā)生著變化，因此該課程教學(xué)也應(yīng)該不斷適應(yīng)新發(fā)展和專業(yè)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整和改革，突出理論與技術(shù)工程化應(yīng)用的特色[1]。

案例教學(xué)法是1920年由美國(guó)哈佛商學(xué)院提出的，在學(xué)生掌握有關(guān)基本知識(shí)和分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的需要，教師設(shè)置具有代表性的典型案例，由學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性地分析、討論和表達(dá)，得出各自不同的結(jié)論，以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題等綜合能力的一種教學(xué)方法[2]。

本文從“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合近幾年教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，采用案例教學(xué)法把控制理論中常見的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例引入課程的教學(xué)，將各章知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，使整門課程形成一個(gè)完整有序的體系，并鼓勵(lì)學(xué)生參加科技實(shí)踐。這樣做不僅提高了課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生掌握本專業(yè)知識(shí)的連貫性及熟練度，而且為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成以及今后從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

1 課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀分析

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是以自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、模擬電路與數(shù)字電路為基礎(chǔ)，涉及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道和程序控制設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)等內(nèi)容，具有知識(shí)面廣，知識(shí)集成度高，理論性、實(shí)踐性與工程性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，可以說本門課程濃縮了自動(dòng)化專業(yè)的知識(shí)精華，在自動(dòng)化專業(yè)的課程體系中具有承上啟下的作用[3]。

由于存在以上特點(diǎn)，學(xué)生難以在有限的課時(shí)內(nèi)全面掌握本門課程的主要內(nèi)容，只能掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的大概框架，難以將離散控制理論與工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合。

本門課程的教學(xué)目標(biāo)是希望學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟、方法及分析問題、解決問題的能力，因此在歷年考試中都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)題目，以檢驗(yàn)學(xué)生在這方面的掌握程度。但大部分學(xué)生僅能寫出此題的設(shè)計(jì)步驟，難以根據(jù)要求設(shè)計(jì)出一個(gè)基本實(shí)用的控制系統(tǒng)，因此該題的得分率較低；其次，自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)是全面提高學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)，而學(xué)生在面對(duì)工程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)往往感到無(wú)從下手，缺乏利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，從而導(dǎo)致學(xué)用脫節(jié)[4]，甚至產(chǎn)生“書本或理論無(wú)用論”的錯(cuò)誤思想。

2 課程教學(xué)改革方案

2.1 引入案例教學(xué)法與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合

電阻爐溫度控制系統(tǒng)是在學(xué)生前期上過的“自動(dòng)控制原理”課程中作為示例來(lái)分析的一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。

圖1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)

在本課程中，將此案例再次引入，學(xué)生對(duì)其不會(huì)陌生，因此可進(jìn)一步提出問題供學(xué)生思考討論，如何將圖1改成一個(gè)由單片機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)的具有溫度采集、控制算法計(jì)算、輸出控制、監(jiān)控畫面等功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？

經(jīng)過課堂上的思考討論，學(xué)生能夠繪制出電阻爐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電阻爐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了設(shè)計(jì)滿足控制性能指標(biāo)的電阻爐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，按照?qǐng)D2將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分成三部分：

(1)單片機(jī)及外設(shè)：?jiǎn)纹瑱C(jī)主要完成控制軟件的設(shè)計(jì)，包括數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警設(shè)計(jì)等，單片機(jī)將采集的電阻爐的溫度(電信號(hào))等模擬量，根據(jù)預(yù)先編寫好的程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)為數(shù)字量并與給定電壓比較，作出控制決策，再通過過程輸出通道及時(shí)地發(fā)出控制命令；可根據(jù)控制要求添加裝有組態(tài)軟件的上位機(jī)、鍵盤或打印機(jī)等外設(shè)。

(2)過程通道及接口：過程通道可分為輸入通道和輸出通道，輸入通道是通過檢測(cè)變送元件將采集的溫度(電信號(hào))等模擬量通過濾波、隔離、放大等措施后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)；輸出通道是將單片機(jī)輸出的數(shù)字量命令進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換為模擬量(電信號(hào))經(jīng)放大后發(fā)送給執(zhí)行元件；接口是連接通道與單片機(jī)之間的設(shè)備。

(3)檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)：檢測(cè)變送元件是將采集的溫度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(1～5 V或4～20 mA)；執(zhí)行元件是根據(jù)輸出通道發(fā)送的電控制信號(hào)改變電阻器指針位置，調(diào)節(jié)電阻絲兩端的電壓改變電阻爐爐內(nèi)溫度，使之符合控制要求。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三部分和其基本功能都與本門課程的各章節(jié)及其它課程的章節(jié)有聯(lián)系，如圖3和圖4所示。在授課過程中，將其之間的聯(lián)系在多媒體上羅列顯示出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，使學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)本門課程和其它課程，這樣學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，針對(duì)性強(qiáng)，不僅本門課程的內(nèi)容更容易掌握，也會(huì)加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)各門課程之間聯(lián)系的理解，更會(huì)使學(xué)生對(duì)離散控制理論與工程應(yīng)用實(shí)例的結(jié)合有初步的認(rèn)識(shí)。

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”主要涉及離散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，其內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)在于：①過程通道及接口的設(shè)計(jì)；②數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法；③計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用中抗干擾措施和解決方法等。對(duì)于電阻爐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)來(lái)說，如圖4所示，當(dāng)控制器選為單片機(jī)時(shí)，需要考慮過程通道接口的設(shè)計(jì)；采集溫度并傳輸時(shí)需要考慮是否存在干擾信號(hào)，在單片機(jī)接受采集信號(hào)時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等一系問題；在設(shè)計(jì)數(shù)字控制器時(shí)可以考慮將其設(shè)計(jì)為數(shù)字PID控制算法，也可以設(shè)計(jì)為最少拍控制，還可以根據(jù)溫度滯后的特點(diǎn)設(shè)計(jì)大林算法等。這些內(nèi)容都與“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的重點(diǎn)、難點(diǎn)相契合。

圖4 控制系統(tǒng)與本門課程的聯(lián)系

上述案例可以使學(xué)生了解到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟、硬件組成及設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法，由淺及深，可以引發(fā)學(xué)生的求知欲。在課堂組織上，在講解一個(gè)新章節(jié)時(shí)，首先演示上述案例與該章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)點(diǎn)之前先建立“這個(gè)知識(shí)點(diǎn)有什么用處”的感性認(rèn)識(shí)，然后再引入知識(shí)點(diǎn)理論講解，并講述上述案例相關(guān)部分的設(shè)計(jì)過程[2]。如此這般，學(xué)生不僅可以牢固掌握知識(shí)點(diǎn)，還可以靈活運(yùn)用該知識(shí)點(diǎn)完成不同計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)將離散控制理論與工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合。

2.2 科技實(shí)踐與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合

本門課程在課堂內(nèi)主要安排基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，將實(shí)踐動(dòng)手的內(nèi)容安排在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性兩個(gè)模塊。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是教師根據(jù)課程某些章節(jié)需要，要求學(xué)生在已有的實(shí)驗(yàn)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證理論知識(shí)并加深理論知識(shí)的理解和掌握，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)際操作能力；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是教師提出某些與課程內(nèi)容相關(guān)課題的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求，要求學(xué)生在三周內(nèi)綜合利用所學(xué)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、論證和相關(guān)操作，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)、Matlab軟件和組態(tài)軟件進(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)的能力，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，如文獻(xiàn)[5]介紹的雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

針對(duì)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的特點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生開展科技創(chuàng)新活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)課題，積極參與教師的科研課題。在課堂教學(xué)中，提供與課程內(nèi)容相關(guān)的設(shè)計(jì)題目與學(xué)生討論學(xué)習(xí)，如智能機(jī)器人勻速行走的PID控制和最少拍設(shè)計(jì)，四旋翼飛行器姿態(tài)的PID控制，針對(duì)抄紙過程中紙張定量控制回路大時(shí)滯特性的Smith預(yù)估控制等，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。鼓勵(lì)學(xué)生在課外根據(jù)自己感興趣的領(lǐng)域，有選擇性地參加全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生西門子工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽等各項(xiàng)科技競(jìng)賽，通過自己動(dòng)手掌握相關(guān)的知識(shí)，經(jīng)歷從系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)裝置的制作整個(gè)過程，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的自主學(xué)習(xí)能力。

3 課程教學(xué)改革的實(shí)踐

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教學(xué)改革在我校已實(shí)行兩年，收到了良好的教學(xué)效果。在這門課程結(jié)束的前一周布置設(shè)計(jì)任務(wù)，列出電阻爐溫度控制系統(tǒng)、雙容水箱液位控制系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)，包括鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)、鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、鍋爐過熱蒸汽壓力控制系統(tǒng)和鍋爐燃燒控制系統(tǒng)等多個(gè)設(shè)計(jì)課題，組織3-4名學(xué)生為一組通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，在所學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上選擇以單片機(jī)或可編程控制器為控制器，根據(jù)控制系統(tǒng)特點(diǎn)選擇不同的控制算法，設(shè)計(jì)出滿足控制性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，寫出詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告。在最后一周的課堂上給予充分時(shí)間讓學(xué)生論述自己的設(shè)計(jì)方案，其他學(xué)生可以根據(jù)設(shè)計(jì)方案提出相關(guān)問題進(jìn)行相互討論，以完善設(shè)計(jì)課題。通過本門課程的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生不僅能夠掌握這門課程的主要內(nèi)容，在考試成績(jī)上也有明顯進(jìn)步，特別是在課程設(shè)計(jì)部分，學(xué)生得分明顯升高，達(dá)到這門課程的教學(xué)目的，而且具備了設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能力，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)與工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合；在參加各種科技創(chuàng)新活動(dòng)時(shí)，學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的數(shù)字控制器，在全省甚至全國(guó)都取得優(yōu)異的成績(jī)，學(xué)生在興趣—學(xué)習(xí)—興趣的循環(huán)中學(xué)到知識(shí)，進(jìn)而增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)質(zhì)量，符合教學(xué)大綱提倡的培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，而且受到了學(xué)生的歡迎。

4 結(jié)語(yǔ)

在“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的教學(xué)過程中，案例教學(xué)法的引入，使學(xué)生通過已掌握的知識(shí)來(lái)探討新知識(shí)，通過一個(gè)案例將本門課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，從而提高課程本身的系統(tǒng)性、完整性，使學(xué)生可以將本門課程與其它課程相聯(lián)系，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到本專業(yè)知識(shí)的連貫性，而且可以解決學(xué)生難以將離散控制理論與工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合的問題；鼓勵(lì)學(xué)生參加科技實(shí)踐，使學(xué)生通過感興趣的領(lǐng)域激發(fā)學(xué)生的求知欲，增加學(xué)習(xí)興趣。本文提出的教學(xué)改革方法不僅提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量，而且可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的自主學(xué)習(xí)能力，有利于應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。

[1] 李云霞, 康波, 鄒見效.《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》教學(xué)改革思路和實(shí)踐[J]. 成都:實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2012, 10(2):70-72

[2] 劉瑜, 韓震. 案例教學(xué)法在“遙感原理”實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(9):164-166

[3] 余雷, 張茂青, 費(fèi)樹岷. “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程PID控制部分的教學(xué)[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(2):104-106

[4] 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]. 上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26(12):370-372

[5] 蓋文東, 張婧, 趙偉志. 基于OPC技術(shù)的過程控制仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015, 32(10): 132-135

Research and Practice of Teaching Reform on Computer Control Technology Course

ZHANG Jing, GAI Wen-dong, GAO Hong-yan, LU Xiao

(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

Aim at the characteristics of the Computer Control Technology course and the problem of the combination between the discrete control theory and the engineering application examples, the case teaching method is adopted in this paper. The chapters of the course and the others are related to the case, and the consistency of the knowledge of the major could be realized by students. Using the proposed teaching reform method for two years, the study efficiency and the quality of teaching are not only improved, but the autonomous learning ability is cultivated of analyzing problems and solving problems. The teaching reform method is conductive to cultivating the applied professional persons.

computer control technology; teaching reform; case teaching method

2016-06-22;

2016-11- 12

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院青年教師教學(xué)拔尖人才培育計(jì)劃項(xiàng)目(skzdhjxbj153)；山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(skzdhjxtd152)；山東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃一般項(xiàng)目(SDYY16002)；山東科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院名校工程建設(shè)項(xiàng)目(MX-JXGG-2) 。 第一作者：張 婧(1982-)，女，博士，講師，主要從事自動(dòng)控制原理及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)、控制理論與控制工程和模式識(shí)別與智能系統(tǒng)的研究工作，E-mail：zjing133@163.com

TP273

A

1008-0686(2017)03-0091-04