面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)方法探索

沈春山 王永梅 焦俊

摘要：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)涉及理論、方法和工具非常廣泛，如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)幫助學(xué)生掌握其基本知識(shí)并熟練運(yùn)用到相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域尤為重要。因此，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點(diǎn)，在專業(yè)整體課程體系下，提出“以線為主，點(diǎn)面結(jié)合”的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容、方法和實(shí)踐。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，傳感器、執(zhí)行器、控制器、人機(jī)交互軟硬件等基本知識(shí)點(diǎn)上，以各類物聯(lián)網(wǎng)接口為主要線索，通過課程實(shí)踐引導(dǎo)掌握多樣規(guī)模和類型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建方案。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生動(dòng)手多、興趣大，在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相關(guān)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、各類國家級(jí)省級(jí)學(xué)科競(jìng)賽中取得了較好的成績(jī)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制;物聯(lián)網(wǎng)工程;接口;教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009- 3044（2019）34-0136-03

1 概述

通常意義上，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)所涉及的眾多軟硬件技術(shù)統(tǒng)稱，主要涉及輸入輸出接口與過程通道技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、可靠性與抗干擾技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等[1]。要想構(gòu)建良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，甚至對(duì)被控對(duì)象的特性、環(huán)境影響、系統(tǒng)安裝布置都需要深入的了解。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)目的就是幫助學(xué)生整合所學(xué)單元知識(shí)點(diǎn)，系統(tǒng)解決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際工程問題，將“知識(shí)珍珠”打造成“工程項(xiàng)鏈”。

物聯(lián)網(wǎng)工程是近年來開設(shè)的新興工科專業(yè)，是適應(yīng)新時(shí)代社會(huì)需求的產(chǎn)物。通常物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)屬于計(jì)算機(jī)大類招生，涉及通信工程、電子信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等主干學(xué)科，包括程序設(shè)計(jì)類，電路電子技術(shù)類，通信原理與信號(hào)處理類，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)類，傳感、射頻技術(shù)與無線通信類，RFID與傳感網(wǎng)絡(luò)類等主干課程[2]。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)選修課，目的是為了幫助學(xué)生整合傳感、計(jì)算、控制和通信軟硬件知識(shí)，掌握各類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)建，提供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化與智能化水平。

綜上所述，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)涉及范圍廣，理論、方法、工具和技術(shù)眾多，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)教好、學(xué)好存在一定的挑戰(zhàn)。相關(guān)高等院校也從各自專業(yè)特點(diǎn)、院校學(xué)生特點(diǎn)等角度，開展針對(duì)性的教學(xué)活動(dòng)。一般來說，首先在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系上進(jìn)行整合優(yōu)化，合理分配學(xué)時(shí)，為學(xué)生構(gòu)造良好的知識(shí)體系，打好專業(yè)通識(shí)基礎(chǔ)[3，4]。其次針對(duì)各自專業(yè)特點(diǎn)，如自動(dòng)化、電氣工程、機(jī)械工程等，開展有特色的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)活動(dòng)，包括創(chuàng)新實(shí)踐、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、校企合作等方式[5-8]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的各科課程教學(xué)探索也被積極開展，如通信原理課優(yōu)化課時(shí)、改革教學(xué)方式[9]，傳感器技術(shù)課引入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)、“以學(xué)為主，教學(xué)相長”措施[10，11]，操作系統(tǒng)課增加嵌入式系統(tǒng)、增強(qiáng)實(shí)踐能力等內(nèi)容改革[12]，其中涉及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)方法的探索較少?？偟膩碚f，多以增加實(shí)踐動(dòng)手、優(yōu)化學(xué)時(shí)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)等方式為主。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)除應(yīng)吸收上述良好的教學(xué)改革措施外，還應(yīng)該結(jié)合專業(yè)自身的培養(yǎng)目標(biāo)、院校特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。為此，針對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系特點(diǎn)，本文提出“以線為主、點(diǎn)面結(jié)合”的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)方案。具體地說，就是以物聯(lián)網(wǎng)各類接口為主線，將物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生所學(xué)的各類傳感、計(jì)算和通信單元知識(shí)點(diǎn)，在行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體自動(dòng)化智能化建設(shè)需求面上，有機(jī)地整合，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建各類符合需求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

本文后續(xù)的章節(jié)安排如下：第二節(jié)介紹計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)體系，包括教學(xué)內(nèi)容、主要教學(xué)方法與手段、評(píng)價(jià)機(jī)制，第三節(jié)介紹目前取得的主要教學(xué)效果，第四節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

2 教學(xué)過程體系

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路

教學(xué)內(nèi)容的安排以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)為先行，重點(diǎn)介紹數(shù)字PID控制器等各類算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其次遵循“以線為主、點(diǎn)面結(jié)合”原則，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各類接口通道技術(shù)、傳感技術(shù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)交互技術(shù)、典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等全面介紹。再次考慮兩條措施，一是“軟硬兼施”，即在介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件技術(shù)組成基礎(chǔ)上，還充分介紹各類嵌入式與組態(tài)軟件技術(shù)。另一個(gè)是“強(qiáng)弱并舉”，即在介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電路電子模塊技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)涉及的必要的電氣工程知識(shí)，如供配電、設(shè)備和人生安全、抗干擾與接地措施等做必要的介紹。強(qiáng)弱并舉措施的意義在于擴(kuò)大弱電類專業(yè)學(xué)生的在電氣工程領(lǐng)域的知識(shí)面，讓他們?cè)趯?shí)際工作中更有競(jìng)爭(zhēng)力和優(yōu)勢(shì)。

最后，為了解決自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室條件限制問題，積極引入各類控制仿真軟件、接口通信工具、開源組態(tài)軟件和虛擬機(jī)平臺(tái)，幫助學(xué)生在缺少硬件資源的情況下也能順利搭建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，培養(yǎng)動(dòng)手能力。這些工具包括Matlab等控制仿真工具箱、Modbus等現(xiàn)場(chǎng)通信軟件、SCADA開源組態(tài)軟件、VirtuaIBox等虛擬機(jī)軟件工具等。

課程內(nèi)容安排特點(diǎn)如圖1所示。

2.2 教學(xué)方法與手段特點(diǎn)

在教學(xué)方法上主要遵循的還是理論與實(shí)踐相結(jié)合，并引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)新，自主協(xié)作設(shè)計(jì)一定復(fù)雜程度的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。具體來說包括以下幾個(gè)方面：

（1）理論作業(yè)與課程設(shè)計(jì)相結(jié)合

針對(duì)安排的主要教學(xué)內(nèi)容，以課后作業(yè)和單元課程設(shè)計(jì)的方式加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。針對(duì)計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)基礎(chǔ)理論等內(nèi)容以課后作業(yè)的形式幫助學(xué)生鞏固，打好理論基礎(chǔ)。其他內(nèi)容以單元課程設(shè)計(jì)或者大作業(yè)的形式讓學(xué)生獨(dú)立完成，包括數(shù)字化校正設(shè)計(jì)、PID控制及參數(shù)調(diào)試、SCADA系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

（2）因材施教與創(chuàng)新實(shí)踐

針對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，鼓勵(lì)他們組成2-3人的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，分工協(xié)作完成一定規(guī)模與難度的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并以創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制工程項(xiàng)目全生命周期管理。包括系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、編碼、組裝調(diào)試等過程，撰寫各階段設(shè)計(jì)和測(cè)試文檔，并公開接受評(píng)價(jià)。

（3）現(xiàn)代化教學(xué)工具

充分利用多媒體等教學(xué)工具、仿真軟件環(huán)境，向?qū)W生演示控制系統(tǒng)建設(shè)工具的使用過程。例如在PLC知識(shí)部分，結(jié)合西門子等廠家的公開視頻和軟件演示工具，幫助學(xué)生建立直觀映像，加快學(xué)習(xí)速度。

（4）行業(yè)背景與實(shí)操演練

大部分學(xué)生還沒有深入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，除對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品較為熟悉外，對(duì)各類行業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景沒有直觀感受。為了提高教學(xué)效果，結(jié)合授課教師的行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分利用相關(guān)資源，整理了各類計(jì)算機(jī)控制軟硬件現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工藝過程照片，結(jié)合典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)案例的講解向?qū)W生展示。例如物聯(lián)網(wǎng)智能硬件、智能家居控制系統(tǒng)、污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)、高功率電源控制系統(tǒng)等。

2.3 評(píng)價(jià)機(jī)制

采用平時(shí)作業(yè)、期末考試和創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行課程考核。這里重點(diǎn)介紹創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目考核方式。

如前所述，創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目是為了鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生協(xié)作設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的小組成員可以選擇項(xiàng)目評(píng)分作為期末課程成績(jī)，如果對(duì)成績(jī)不滿意還可以參加期末考試，但一旦參加期末考試就必須以期末考試成績(jī)作為課程成績(jī)。

創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的評(píng)分由評(píng)委會(huì)完成。以授課教師、學(xué)生代表為成員組成評(píng)委會(huì)，創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目成員進(jìn)行答辯，評(píng)委會(huì)給出綜合評(píng)分，公示無異議通過。例如，表l設(shè)計(jì)了小組評(píng)分細(xì)則（參考）。

3 教學(xué)效果

在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)過程中，大多數(shù)同學(xué)通過課程設(shè)計(jì)等任務(wù)掌握了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建設(shè)基本工具、技術(shù)和方法，一些感興趣的同學(xué)通過創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、國家級(jí)省級(jí)學(xué)科競(jìng)賽、專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)申報(bào)等方面都取得了不錯(cuò)的成績(jī)。這里列舉幾例介紹。

（1）基于通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的分布式測(cè)控系統(tǒng)

該小組同學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種可以自由組網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。并獲得了省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目支持，獲得了國家級(jí)學(xué)科競(jìng)賽二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

（2）面向環(huán)境監(jiān)測(cè)的主動(dòng)避障移動(dòng)小車

該小組同學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目通過無線通信控制，引導(dǎo)智能小車主動(dòng)避障、執(zhí)行相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)。同時(shí)也獲得了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目支持，并進(jìn)行了相關(guān)專利申報(bào)。

（3）其他各領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)

另外在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)過程中，部分同學(xué)完成了一些不錯(cuò)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如面向農(nóng)情監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)、污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能家居監(jiān)控系統(tǒng)等。

通過這些實(shí)踐項(xiàng)目的鍛煉和展示，一定程度上提高了技術(shù)交流溝通能力、分析和解決問題的能力，增強(qiáng)了專業(yè)自信心，為他們?cè)诮窈竺嬖?、就業(yè)等方面打好了基礎(chǔ)，積累了優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)采用了“以線為主、點(diǎn)面結(jié)合、軟硬兼施、強(qiáng)弱并舉”的教學(xué)內(nèi)容安排，創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等教學(xué)方法和手段，多樣化評(píng)價(jià)等考核機(jī)制，提高了學(xué)習(xí)效率，同時(shí)兼顧了因材施教，幫助學(xué)生較好地掌握計(jì)算機(jī)控技術(shù)的基本知識(shí)，并在實(shí)踐中取得了一定的教學(xué)效果。今后在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度上還需進(jìn)一步拓展，為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)提供更良好的服務(wù)。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2019-08-26

作者簡(jiǎn)介：沈春山（1980-），男，安徽人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、嵌入式與軟件工程;王永梅（1974-），女，安徽人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件理論;焦?。?964-），男，江蘇人，教授，博士，主要研究方向物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人和智能控制。