微機(jī)控制技術(shù)課程在線教學(xué)方法探索

蘇海濤 徐翠鋒 胡鴻志 許金 郭慶 胡聰

基金項(xiàng)目：桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019YXW08），桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JGA201801）

受新冠疫情影響，我國高校在疫情期間多數(shù)采取了在線教學(xué)方式完成相關(guān)課程的教學(xué)，極大的促進(jìn)了在線教學(xué)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。微機(jī)控制技術(shù)將模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)知識(shí)與自動(dòng)控制原理緊密結(jié)合，廣泛應(yīng)用于交通控制、工業(yè)制造等領(lǐng)域中[1，2]。隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，微機(jī)控制技術(shù)將更加深入的滲透至各行各業(yè)。開展微機(jī)控制技術(shù)在線教學(xué)方法的探索，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)，可適應(yīng)“中國制造2025”對(duì)專業(yè)人才需求的新形勢(shì)[3，4]。

我校是以電子信息為特色的中西部高校，針對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)了“微機(jī)控制技術(shù)”課程。本課程包括34學(xué)生的理論講授和6學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)授課。理論部分主要計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念、過程通道原理與設(shè)計(jì)方法、數(shù)字程序控制技術(shù)以及數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法;實(shí)驗(yàn)主要要求學(xué)生將理論用于實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證和設(shè)計(jì)。

1 微機(jī)控制技術(shù)課程特點(diǎn)

我國產(chǎn)業(yè)升級(jí)和換代對(duì)自動(dòng)控制類人才培養(yǎng)提出了新要求，同時(shí)受新冠疫情對(duì)授課方式的影響，微機(jī)控制技術(shù)課程的教學(xué)出現(xiàn)了新的不同特點(diǎn)。

首先，課程教學(xué)更需要緊密結(jié)合微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展。微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展為課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)提供了大量的素材和實(shí)例，只有充分的吸收和利用這些素材，課程才能夠具有更強(qiáng)粘性以吸引學(xué)生。尤其是當(dāng)前受新冠疫情影響，在線授課若仍然按照線下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施，學(xué)生的自主能動(dòng)性更加容易降低，導(dǎo)致授課和學(xué)習(xí)效果不佳。

其次，課程教學(xué)需以學(xué)生中心。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，以學(xué)生為中心則要求教學(xué)方式要以結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為主進(jìn)行。學(xué)生對(duì)新事物的認(rèn)知可看作是從感性到理性的過程。所以微機(jī)控制技術(shù)的課程教學(xué)需遵循這種認(rèn)知過程，以此推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)保證教學(xué)效果。

最后，課程考核要從多方面綜合考察學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行。每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和優(yōu)勢(shì)不同，使得學(xué)生對(duì)新事物的認(rèn)知側(cè)重點(diǎn)不同。要以學(xué)生為中心保證教學(xué)質(zhì)量，就需要對(duì)學(xué)習(xí)過程和結(jié)果從多方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)合揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的在線教學(xué)方法探索

針對(duì)微機(jī)控制技術(shù)課程的特點(diǎn)，本文將揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的科研項(xiàng)目成果引入到課程教學(xué)中，以科教聯(lián)合方式從教案設(shè)計(jì)、授課安排、課后考核探索該課程的在線教學(xué)方法，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

2.1 揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

我國是揚(yáng)聲器的生產(chǎn)與出口大國，在揚(yáng)聲器出廠前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量可提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)品附加值[5]。揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用微機(jī)控制技術(shù)，無需人工干預(yù)可完成流水線上揚(yáng)聲器的全自動(dòng)測(cè)試和分類[6，7]。

首先計(jì)算機(jī)利用工業(yè)相機(jī)對(duì)生產(chǎn)線上揚(yáng)聲器進(jìn)行拍照并識(shí)別出揚(yáng)聲器焊點(diǎn)，然后控制機(jī)械裝置將揚(yáng)聲器拾取到檢測(cè)工位并將焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試探針，接著計(jì)算機(jī)控制探針伸出接觸到焊點(diǎn)，同時(shí)控制待測(cè)揚(yáng)聲器發(fā)聲并采集傳聲器信號(hào)進(jìn)行揚(yáng)聲器性能參數(shù)分析，最后根據(jù)分析結(jié)果利用機(jī)械裝置拾取并完成分類。該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

圖2 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

該揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是微機(jī)控制技術(shù)的典型應(yīng)用。機(jī)械裝置中使用四個(gè)步進(jìn)電機(jī)完成各個(gè)動(dòng)作，對(duì)機(jī)械裝置的控制采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，工業(yè)相機(jī)的控制涉及數(shù)字量輸入通道的設(shè)計(jì)，聲信號(hào)的發(fā)射和接收涉及模擬量輸入通道和模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)?？蔀橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的教學(xué)提供難度適中、緊貼實(shí)際的工程案例。

2.2 在線教學(xué)的教案設(shè)計(jì)探索

傳統(tǒng)教學(xué)中對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)介紹均較為抽象。在線教學(xué)為更能形象生動(dòng)的耦合學(xué)生興趣，采用“提出具體問題——分析問題——解決問題”的方式對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化。其中的“具體問題”便是揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的問題。

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述介紹時(shí)便給出揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)案例，通過文字介紹、照片、結(jié)構(gòu)框圖、視頻等方式加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)。在對(duì)過程通道的講解中，將揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的聲、圖像、機(jī)電的輸入輸出進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和分析，讓學(xué)生能夠清晰的掌握理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用。在介紹數(shù)字程序控制技術(shù)、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中機(jī)械裝置的步進(jìn)電機(jī)控制講解逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)和步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)。

現(xiàn)以聲信號(hào)的模擬量輸入通道進(jìn)行詳細(xì)說明。傳統(tǒng)授課時(shí)先給出如圖3所示結(jié)構(gòu)框圖，然后對(duì)框圖中每個(gè)模塊給出典型原理電路進(jìn)行分析和介紹。

圖3 傳統(tǒng)授課模擬通道結(jié)構(gòu)框圖

圖4 揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的聲信號(hào)模擬量輸入通道

在線教學(xué)的教案設(shè)計(jì)中，按照揚(yáng)聲器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的聲信號(hào)模擬量輸入通道（如圖4所示）進(jìn)行展開。先用視頻、圖片的形式展現(xiàn)聲信號(hào)采集的過程，然后給出麥克風(fēng)的性能參數(shù)，對(duì)聲信號(hào)的輸入通道來說即要完成麥克風(fēng)輸出信號(hào)的調(diào)理和采集。麥克風(fēng)輸出信號(hào)通常約為幾十毫伏，要完成微弱信號(hào)的調(diào)理和采集，需要設(shè)計(jì)放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，由于聲信號(hào)和電流信號(hào)要同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，所以需要使用多路模擬開關(guān)、采樣保持器或者同步采樣A/D。如此面對(duì)具體工程問題來進(jìn)行分解和細(xì)化，讓學(xué)生能夠從傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)換為工程問題的分析和解決者。

2.3授課安排與考核探索

與傳統(tǒng)線下授課方式相比，在線授課無法通過課堂上學(xué)生表現(xiàn)來直觀的了解學(xué)生當(dāng)前掌握程度，并以此來調(diào)整授課安排。為解決該問題，在線授課將授課安排與課堂測(cè)驗(yàn)考核、課堂大作業(yè)等密切聯(lián)系。首先，在線授課完成一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，隨即進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)，并及時(shí)進(jìn)行在線提問和點(diǎn)評(píng);其次完成一節(jié)內(nèi)容授課后，安排隨堂測(cè)驗(yàn)或課堂大作業(yè)，及時(shí)動(dòng)態(tài)的了解學(xué)生掌握程度，并進(jìn)行授課安排調(diào)整。

課堂測(cè)驗(yàn)考核、課堂大作業(yè)的內(nèi)容來源仍然結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行安排。如模擬量輸入通道的內(nèi)容授課完成后，布置了結(jié)合真無線耳機(jī)工程案例的隨堂測(cè)驗(yàn)。真無線耳機(jī)是近年來電子消費(fèi)市場(chǎng)非常火爆的產(chǎn)品，測(cè)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)真無線耳機(jī)功能畫出該耳機(jī)的模擬量輸入通道框圖，并逐模塊進(jìn)行分析。測(cè)驗(yàn)和作業(yè)內(nèi)容與授課中的工程案例密切相關(guān)，均是關(guān)于聲信號(hào)的調(diào)理和輸入，且與授課內(nèi)容密切相關(guān)。這就要求教師在備課過程中充分準(zhǔn)備案例，并思考如何將案例與內(nèi)容有機(jī)結(jié)合。

課程最終考試仍然是結(jié)合授課和測(cè)驗(yàn)中的案例進(jìn)行合理安排。本課程最終的期末考試中安排了填空題、簡(jiǎn)答題、綜合與計(jì)算題。三種題型中均是材料為主的題目，即根據(jù)給出的工程案例材料進(jìn)行分析和解答。由于案例和題目是相互結(jié)合，且與教師科研項(xiàng)目相關(guān)，最終均需要學(xué)生結(jié)根據(jù)平時(shí)所學(xué)進(jìn)行作答，考核效果與開/閉卷的方式無關(guān)，保證了最終考核與授課的緊密聯(lián)系。

3 結(jié)語

新冠疫情影響給我國在線教育帶來了極大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。針對(duì)我國產(chǎn)業(yè)升級(jí)新形勢(shì)下微機(jī)控制技術(shù)課程特點(diǎn)，結(jié)合教師科研項(xiàng)目展開課程在線教學(xué)探索。以學(xué)生為中心從教案設(shè)計(jì)、授課安排、課程考核方面，采用“提出具體工程問題——分析問題——解決問題”方式耦合學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程問題的思維方法和學(xué)習(xí)能力，為今后相關(guān)專業(yè)本課程在線教學(xué)提供實(shí)際參考。

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