基于能力素質(zhì)模型的“微型計算機原理”教學改革

張 軍, 高國琴, 劉國海, 牛雪梅

(江蘇大學 電氣信息工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于能力素質(zhì)模型的“微型計算機原理”教學改革

張 軍, 高國琴, 劉國海, 牛雪梅

(江蘇大學 電氣信息工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

本文構(gòu)建了自動化專業(yè)能力素質(zhì)模型，強調(diào)“微型計算機原理”課程教學中，實踐能力與控制系統(tǒng)理論分析、設(shè)計能力相結(jié)合，對該課程的部分內(nèi)容進行教學改革，以提高學生解決復雜控制系統(tǒng)工程問題的能力。

自動化；能力素質(zhì)模型；微型計算機原理；教學改革

0 引言

目前，能力素質(zhì)模型為人才培養(yǎng)提供理論框架，已經(jīng)成為人力資源與開發(fā)工作的重要基礎(chǔ)，在人才招聘、選拔、訓練等方面形成一套統(tǒng)一的能力素質(zhì)標準[1]。由于能力素質(zhì)模型反映了優(yōu)秀畢業(yè)生應具備的核心素質(zhì)與能力，將能力素質(zhì)模型應用于高校自動化專業(yè)培養(yǎng)體系構(gòu)建，其評價結(jié)果將更具科學性和準確性，可有效避免人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)的矛盾。

“微型計算機原理”作為自動化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，是“計算機控制技術(shù)”、“過程控制”以及“運動控制”等課程的重要預修課程。國內(nèi)各高校針對該課程的實踐性強、應用性要求高的特點，分別從課堂教學與實踐環(huán)節(jié)有機結(jié)合，加強系統(tǒng)化的工程實踐訓練等方面進行探索，有效提高了學生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識[2，3]。但是，在強調(diào)提高“微型計算機原理”實踐能力的教學改進中，卻忽略了“微型計算機原理”與控制系統(tǒng)分析、與設(shè)計理論相結(jié)合這一最重要的自動化專業(yè)素質(zhì)能力的培養(yǎng)，使得學生掌握的微機知識不能靈活應用于控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中，如：控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)在微機中的選取、程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制律的實現(xiàn)等，導致學生解決復雜控制系統(tǒng)問題的能力較弱，成為目前自動化專業(yè)教育的瓶頸[3，4]。

基于上述分析，本文引入能力素質(zhì)模型的概念，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建自動化專業(yè)學生的能力素質(zhì)模型，對“微型計算機原理”課程明確了新的培養(yǎng)要求，通過強調(diào)“微型計算機原理”課程教學中，實踐能力與控制系統(tǒng)分析、設(shè)計能力相結(jié)合，拓寬和提升學生的綜合專業(yè)素質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，對“微型計算機原理”的教學內(nèi)容中，子程序設(shè)計、定時器接口、中斷服務子程序設(shè)計三個內(nèi)容進行有針對性的教學改革，突出實踐能力與系統(tǒng)分析有機結(jié)合，提高學生解決復雜控制系統(tǒng)工程問題的能力。

1 構(gòu)建自動化專業(yè)能力素質(zhì)模塊

能力素質(zhì)模型是從組織戰(zhàn)略發(fā)展的需要出發(fā)，以強化競爭力，提高實際業(yè)績?yōu)槟繕说囊环N獨特的人力資源管理的思維方式、工作方法和操作流程[5]。我院以培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)和提高工程實踐能力為目的，剖析了企業(yè)對自動化專業(yè)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力需求，把自動化專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)分解為不同類的能力素質(zhì)培養(yǎng)模塊，并明確了每門專業(yè)課程的能力素質(zhì)培養(yǎng)目標，以期與企業(yè)需求合理地相互銜接。能力素質(zhì)培養(yǎng)模塊基本結(jié)構(gòu)如下：

(1)數(shù)理能力素質(zhì)模塊：這部分要求學生具有良好的數(shù)學理論功底，具備一定的理論拓展能力(具體課程這里省略)。

(2)電工電子能力素質(zhì)模塊：這部分要求學生具有較強的弱電和強電設(shè)計能力，實踐動手能力，這是自動化專業(yè)必修的主干學科基礎(chǔ)課程群，對于培養(yǎng)學生的動手實踐能力、開發(fā)創(chuàng)新能力具有重要的作用。

(3)計算機軟件及硬件能力素質(zhì)模塊：這部分要求學生具有較強的編程能力，以程序設(shè)計為主線，并且突出硬件與軟件的結(jié)合，通過課內(nèi)與課外聯(lián)系的方式來培養(yǎng)學生開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力。

(4)控制理論能力素質(zhì)模塊：這部分要求學生建立控制系統(tǒng)一般概念，掌握經(jīng)典與現(xiàn)代自動控制的基本理論，具有一定的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的能力；熟悉常用傳動控制技術(shù)、過程控制設(shè)備及零部件的選擇和調(diào)試。這是自動化專業(yè)最有特色的主干學科專業(yè)課程群。

(5)計算機運動控制工程能力素質(zhì)模塊：這部分要求學生掌握運動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，主要包括：運動控制對象的分析，系統(tǒng)方案設(shè)計，控制律設(shè)計，常用運動量的檢測與控制零部件的設(shè)計、選型、調(diào)試等。

(6)計算機過程控制工程能力素質(zhì)模塊：這部分要求學生掌握工業(yè)過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)性和實踐性知識，主要包括：系統(tǒng)方案設(shè)計，常用過程量的檢測與控制，常用過程量的檢測與控制零部件的設(shè)計、選型、安裝、調(diào)試等。

這樣以能力素質(zhì)模塊為主線構(gòu)建的自動化課程體系結(jié)構(gòu)，為培養(yǎng)學生具備較扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和寬厚的專業(yè)知識，提高自動化人才創(chuàng)新能力、社會實踐能力和就業(yè)創(chuàng)業(yè)競爭力提供了保障。上述構(gòu)建的專業(yè)能力素質(zhì)模塊中，將控制理論能力素質(zhì)模塊與計算機能力素質(zhì)模塊相結(jié)合，可有效提高學生解決復雜控制系統(tǒng)的工程問題能力。為保證自動化專業(yè)基礎(chǔ)知識的系統(tǒng)性，我校在課程設(shè)置上將“微型計算機原理”和“自動控制”兩門課安排在大三上學期同時開課。本文從“微型計算機原理”的課堂教學改革和設(shè)計入手，在控制理論指導下與控制系統(tǒng)分析與設(shè)計融合，進行下面幾方面的嘗試探索。

2 “微型計算機原理”課程教學改革

2.1 子程序設(shè)計

程序設(shè)計過程中把多次引用的相同程序段編成一個獨立的程序段，當需要執(zhí)行這個程序段時，可以用CALL指令調(diào)用它。具有這種獨立功能的程序段稱為“過程”或“子程序”。調(diào)用子程序的程序通常稱為“主程序”或“調(diào)用程序”[6]。在講述這一部分內(nèi)容的應用背景時，我們沒有單純地按照書本說教，而是結(jié)合自動化專業(yè)特點，提出了設(shè)計子程序需要與實際控制系統(tǒng)的要求相結(jié)合的觀念，引入了控制系統(tǒng)的工程應用程序的一般概念，其主要包括下面幾方面[7]：

(1)控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序：巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、報警程序、操作臺服務程序。

(2)控制程序：判斷程序、分析程序、采樣和控制程序、事故處理程序。

(3)信息管理程序：統(tǒng)計報表程序、制表打印程序等。

這些應用程序以子程序形式與主程序進行信息交換，以此讓學生明白工程上真正的程序結(jié)構(gòu)，理解學習子程序設(shè)計的必要性，明白子程序用在什么地方，即：

(1)在程序重復使用的情況下，程序應該編寫成子程序。這樣可避免重復編寫程序，節(jié)省大量存儲空間。

(2)程序具有通用性，如鍵盤管理程序、磁盤讀/寫程序、標準函數(shù)程序等。編成子程序后便于用戶共享。

因此，子程序的特點很好適應了控制系統(tǒng)的綜合應用要求，學生們學起來有的放矢。同時，介紹了子程序應當以文件形式編寫，對子程序的說明部分應提供足夠的解釋信息，使不同的用戶看了這部分后就知道該段子程序的功能，其主要信息示于表1。

表1 子程序說明信息表

這樣，課堂上很自然地引出子程序概念，對入口參數(shù)和出口參數(shù)等進行重點剖析講解，使學生很快理解怎么用子程序的精髓。實踐表明，改革后的課堂教學明顯強化了模塊化設(shè)計思想，以及良好的編程注釋風格，培養(yǎng)了學生復雜工程系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。

2.2 定時器技術(shù)

在“定時與計數(shù)技術(shù)”一章中，目前的教材主要講述8253芯片的基本結(jié)構(gòu)以及如何編程，但是較少涉及到定時器的應用范圍以及如何應用，這使得學生很難真正明白在控制系統(tǒng)中怎么應用。在自動化專業(yè)的工程應用中，定時與計數(shù)技術(shù)是關(guān)鍵的接口之一；我們在原有的定時器接口技術(shù)介紹的基礎(chǔ)上，重點強調(diào)在自動控制系統(tǒng)中，常要按一定的采樣周期對處理對象進行采樣或定時檢測某些參數(shù)、用計數(shù)器對外部事件計數(shù)、記錄外設(shè)提供的脈沖個數(shù)等。其中定時采樣與控制系統(tǒng)的設(shè)計能力有密切關(guān)系，可以從下面幾方面闡述定時器與控制系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的內(nèi)涵：

1)采樣周期對控制系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響

采樣周期T是控制系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)，對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響。這一部分與離散控制系統(tǒng)的朱利判據(jù)有關(guān)。

2)定時周期時間對采樣信息的影響

采樣周期與香農(nóng)采樣定理相關(guān)，不僅需要滿足

ωs>2ωmax

(1)

式中ωs是采樣頻率，ωmax是信號最大頻率。同時需要考慮閉環(huán)系動態(tài)響應頻帶，滿足下面的關(guān)系式

ωs>(4-10)ωb

(2)

式中ωb是系統(tǒng)的帶寬。課堂上舉例解釋了為什么運載火箭的采樣周期是10 ms，如何在這個時間周期內(nèi)完成火箭的姿態(tài)確定、控制律的計算、故障診斷等。

3)注意事項

在能滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，應盡量選取較大的定時周期時間(較低的采樣頻率)，以降低系統(tǒng)成本。具體工業(yè)過程控制對象的采樣周期選擇如表2所示。

表2 工業(yè)過程控制典型變量的采樣周期

改進后的定時器課堂教學使得定時器接口技術(shù)與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定設(shè)計、信號處理以及控制系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，提高了學生對復雜控制對象的分析與設(shè)計能力。

2.3 中斷服務程序設(shè)計

微機的中斷服務程序是由用戶程序把中斷服務程序標號與中斷事件聯(lián)系起來，并且開放系統(tǒng)中斷后，才能進入等待中斷并隨時執(zhí)行的狀態(tài)。原有的教材只講授中斷服務程序的基本框架結(jié)構(gòu)，以及進棧的信息保護和出棧的信息恢復等，很少提及如何設(shè)計中斷用戶程序。設(shè)計這一部分內(nèi)容時，我們特別強調(diào)中斷程序應短小精煉，執(zhí)行時對其他處理不要延時過長，即越短越好[8]。我們以設(shè)計典型的工業(yè)過程控制中斷程序(流程圖見圖1)為例，強調(diào)了控制的實時性與中斷服務子程序的結(jié)構(gòu)特點相對應，尤其突出常用的控制系統(tǒng)中的PID(比例、積分、微分)控制律是下面的實現(xiàn)形式：

(3)

式中e(k)是反饋采樣信號與期望值的偏差。由于PID是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律，具有原理簡單、通用性強、計算簡單特點、可靠性高、因此很容易被廣泛應用[8,9]。這樣講述中斷服務程序才能做到有的放矢、理論聯(lián)系實際，并且與自動控制理論控制律設(shè)計有機結(jié)合起來。這不僅讓學生明白工業(yè)上的PID控制怎么用微機實現(xiàn)，而且也能使其明白中斷服務子程序短小簡單的要點，培養(yǎng)了學生如何從不同知識點設(shè)計復雜系統(tǒng)的控制程序能力，以滿足控制系統(tǒng)的實時性和快速性。

圖1 控制中斷服務子程序

上述“微型計算機原理”教學改革在自動化專業(yè)2012級三個班學生進行了試驗，學生高度認可新知識的結(jié)構(gòu)，認為這種素質(zhì)能力的融合，把自動化專業(yè)的特色鮮明凸現(xiàn)出來，使學生掌握了綜合解決復雜控制系統(tǒng)問題的能力。在2015年舉辦的全國大學生電子設(shè)計大賽中，學生將這方面內(nèi)容應用兩級

倒立擺的控制中，成功設(shè)計了雙閉環(huán)控制方案，有六人獲得了比賽一等獎。

3 結(jié)語

為提高自動化專業(yè)學生解決復雜工程問題的能力，從社會需求出發(fā)，構(gòu)建了自動化專業(yè)學生能力素質(zhì)模型，通過該模型引導自動化專業(yè)培養(yǎng)模式和課程體系的改革，并嘗試應用于“微型計算機原理”課程。從控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計需求出發(fā)，對“微型計算機原理”的部分內(nèi)容進行教學改革，有效提高了學生解決復雜工程問題的能力，取得了良好的實踐效果。

[1] Peerasit P, Dreagan M. A competency model for effectiveness in managing multiple projects[J].Journal of High Technology Management Research, 2008, 18(2): 118-131.

[2] 曹華，蘇曙光，陳亨斌．“微機原理與接口技術(shù)”課程教學改革探索[J].南京：電氣電子教學學報, 2015,37(4):18-22．

[3] 崔文華，王寧，王宇，王立明．微機原理與接口技術(shù)實驗教學規(guī)劃與實踐[J].上海：實驗室研究與探索, 2011, 30(9): 161-164．

[4] McClelland D C. Testing for competence rather than for intelligence[J]. American Psychologis, 1973,28(1):1-14.

[5] Harvey M G, Novicrvic M M, Speier C. An innovative global management staffing system: a competency-based perspective[J]. Human Resource Management, 2000, 39(4): 381-394.

[6] 張榮標．微型計算機原理[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004．

[7] 裴潤，宋申民．自動控制原理[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007．

[8] 高金源．計算機控制系統(tǒng)[M]．北京：清華大學出版社，2009．

[9] 王廣雄，何朕．控制系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：清華大學出版社，2009．

Teaching Reform for Microcomputer Principle Course Based on Competency Model

ZHANG Jun，GAO Guo-qin，LIU Guo-hai, NIU Xue-mei

(ElectricalandInformationEngineeringCollege,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013，China)

In this paper, after the modeling of automation engineering competency, we emphasize the combination of the practical ability of microcomputer principle and the ability of the theoretical analysis and design of the control system. After the teaching reform for a part of the course, the ability of the students in automation engineering in solving the problem of complex control system engineering is expected to be improved.

automation； competency model； microcomputer principle； teaching reform

2016-08-25;

2017-01- 10

江蘇省高等學校教學改革項目(2015JSJG143)，省屬高校自動化專業(yè)卓越工程人才培養(yǎng)體系研究與實踐(2014A22)，2014年教育部自動化類專業(yè)教學指導委員會專業(yè)教育教學改革研究課題面上項目,江蘇大學教學改革重中之重項目(2015JGZZ001)

張 軍( 1972-) ，男，博士，副教授，主要從事飛行器控制與信號處理教學和研究，E-mail: jzhangj@mail.ujs.edu.cn

A

1008-0686(2017)04-0069-04

圖分類號：GA420