計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程一體化云教學(xué)案例研究

趙峙堯，許繼平，劉翠玲，廉小親，于重重

一、引言

“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”是自動化類專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程，是一門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程。[1]隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制也發(fā)生了很大的變化。在教學(xué)內(nèi)容上，該門課程的講授既要讓學(xué)生掌握傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制的理論和方法，還應(yīng)該讓學(xué)生了解最新的計(jì)算機(jī)控制方法、控制器設(shè)計(jì)思想和工程對象，適應(yīng)現(xiàn)代智能制造業(yè)發(fā)展的要求。[2，3]

2020年初，面對來勢洶洶的新冠肺炎疫情，全國上下在以習(xí)近平同志為核心的黨中央堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，眾志成城，共抗疫情。為有效防控新冠肺炎疫情，阻斷疫情向校園蔓延,確保全校師生員工的生命安全和身體健康，各地高校積極制定延期開學(xué)工作方案，通過“線上辦公”和“在線教學(xué)”等網(wǎng)絡(luò)形式，確?！巴Ｕn不停教、停課不停學(xué)”。[4，5]線上教學(xué)存在教學(xué)時(shí)空、教學(xué)行為分離的特點(diǎn)，且無法在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，線上教學(xué)難以保證與線下教學(xué)質(zhì)量等效，這給本門課程的線上教學(xué)方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

考慮到本門課程的理論更新快、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，課程組教師聯(lián)合贛州市某醫(yī)療科技有限公司，以“醫(yī)用口罩生產(chǎn)線”為例，依托線上教學(xué)平臺，開展本門課程的一體化云教學(xué)，包括理論知識云講授、工業(yè)現(xiàn)場云實(shí)習(xí)、知識轉(zhuǎn)化云實(shí)驗(yàn)、成果匯報(bào)云翻轉(zhuǎn)，靈活克服線上教學(xué)時(shí)空分離的局限性，探索新的線上教學(xué)模式，加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)控制理論知識的理解，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的再度整合。同時(shí)，本案例在疫情防控階段以重要防疫物資生產(chǎn)為切入點(diǎn)開展教學(xué)，以“醫(yī)用口罩生產(chǎn)線”為例，使學(xué)生深切感受自動化行業(yè)在疫情防控中的使命和擔(dān)當(dāng)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的專業(yè)觀和價(jià)值觀，踐行立德樹人的育人理念。

二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程教學(xué)過程中的問題與對策

“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”這門課程用到的基礎(chǔ)知識分布在自動化類、電子信息類專業(yè)的許多課程中，這導(dǎo)致本門課程歷來是一門難學(xué)難教的課程。[6]在疫情防控背景下，本門課程的教學(xué)開展也面臨新的問題，主要包括以下四個(gè)方面。

(一)教學(xué)設(shè)計(jì)

本門課程的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)密切結(jié)合工程實(shí)際，全面系統(tǒng)地講授計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)等問題。在疫情背景下，如何重新設(shè)計(jì)本門課程的教學(xué)，在教學(xué)時(shí)空、教學(xué)行為分離下的線上教學(xué)中高質(zhì)量地完成教與學(xué)，是本門課程教學(xué)過程中的一大難題。[7]特別是在以往線下教學(xué)過程中，在講授“數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法”和“數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法”部分時(shí)，由于學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)、前期課程知識掌握得不夠牢，時(shí)而出現(xiàn)表情茫然、分心等狀況，這在線上教學(xué)中更是難以有效監(jiān)管和反饋。因此，課程組教師重新設(shè)計(jì)本門課程的教學(xué)大綱，以疫情防控中的控制問題為引例講授計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述部分，降低理論教學(xué)內(nèi)容的深度，僅保留數(shù)據(jù)接口技術(shù)、系統(tǒng)總線、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)中基本的理論、方法和設(shè)計(jì)。

例如，在“數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法”中，不過多展開數(shù)字PID控制器的各類工程化改進(jìn)算法，以原理講授、理解改進(jìn)思想為主。同時(shí)，增加既能體現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)又能體現(xiàn)智能控制等新技術(shù)、具有典型性代表性的現(xiàn)代工業(yè)案例，與工程師一同進(jìn)行案例剖析，使學(xué)生能夠更好地理解和掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論知識，并能很直觀地與實(shí)際現(xiàn)代工業(yè)過程中的計(jì)算機(jī)控制問題掛上鉤。例如，醫(yī)用口罩制造生產(chǎn)線、智能人工呼吸床等。最后，基于虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)對象與智能制造業(yè)密切相關(guān)，讓學(xué)生能夠親自動手解決實(shí)際案例中的計(jì)算機(jī)控制問題，并配合翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生成為計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)的主導(dǎo)者。

(二)課程實(shí)驗(yàn)

本門課程總學(xué)時(shí)為68學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)為12學(xué)時(shí)。本門課程的原實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是依托過程控制行業(yè)中的三級水箱系統(tǒng)為物理模擬對象，開展數(shù)字PID控制器參數(shù)整定等理論內(nèi)容的配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在疫情背景下，學(xué)生因無法返校而不能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以按照原計(jì)劃開展。因此，課程組教師結(jié)合線上教學(xué)的特點(diǎn)，利用虛擬仿真平臺“組態(tài)王”開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。[8]以理論教學(xué)中的實(shí)際工程案例為背景，選擇計(jì)算機(jī)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由學(xué)生在“組態(tài)王”中搭建工程案例中的計(jì)算機(jī)控制仿真系統(tǒng)，個(gè)性化地進(jìn)行控制算法編制和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)熱情，更好地促進(jìn)理論知識的理解和掌握。

(三)課堂效果

在疫情背景下，線上教學(xué)平臺打破了教學(xué)空間的限制，提升了教學(xué)的靈活性。然而，線上教學(xué)的課堂效果與線下教學(xué)仍然存在一定差距。而且，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬等硬件條件的限制，教師與學(xué)生難以全程線上面對面授課，教師無法有效獲得學(xué)生的表情反饋，難以把控課堂教學(xué)效果。

課程組教師嘗試在教學(xué)內(nèi)容趣味性、課堂互動、隨堂練習(xí)三個(gè)方面提升課堂教學(xué)效果。第一，在教學(xué)設(shè)計(jì)中，將文本、圖片、視頻、仿真等內(nèi)容整合在一起，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，使教學(xué)內(nèi)容更加形象生動，具有更強(qiáng)的視覺沖擊感，增添教學(xué)內(nèi)容的趣味性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。[9]第二，在線上教學(xué)過程中，增加課堂互動和提問，并通過公共聊天窗口及時(shí)獲得學(xué)生們的反饋，調(diào)動學(xué)生的積極性。第三，設(shè)置隨堂小練習(xí)，形式上采用線上判斷題、單選題和多選題等客觀題，可以及時(shí)掌握學(xué)生對知識理解的程度，并調(diào)整教學(xué)進(jìn)程和速度，提升課堂教學(xué)效果。

(四)課后鞏固

課后鞏固是保證課程教學(xué)的有效手段。在疫情期間，借助互聯(lián)網(wǎng)手段，可以從授課回放、作業(yè)評價(jià)、線上答疑、調(diào)查問卷等多個(gè)方面進(jìn)行課后鞏固。第一，基于線上教學(xué)平臺進(jìn)行主體內(nèi)容授課，學(xué)生課后可通過查看授課回放鞏固學(xué)習(xí)。第二，基于北京工商大學(xué)BB平臺，學(xué)生可上傳作業(yè)電子版，課程組教師在線進(jìn)行批改、評分，并及時(shí)反饋給學(xué)生。第三，基于騰訊會議平臺，定期安排集中線上答疑，對階段性授課內(nèi)容進(jìn)行解惑。第四，利用微信小程序定期編制調(diào)查問卷發(fā)給學(xué)生填寫，以反映線上教學(xué)授課情況。上述各環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，每一堂課都有及時(shí)的反饋，為線上教學(xué)工作提質(zhì)增效。[10]

三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程一體化云教學(xué)案例

依托線上教學(xué)平臺，開展本門課程一體化云教學(xué)案例，包括理論知識云講授、工業(yè)現(xiàn)場云實(shí)習(xí)、知識轉(zhuǎn)化云實(shí)驗(yàn)、成果匯報(bào)云翻轉(zhuǎn)四個(gè)方面。

(一)理論知識云講授

在本環(huán)節(jié)，課程組教師通過線上教學(xué)平臺，講授與本案例相關(guān)的理論知識，包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)等。教學(xué)內(nèi)容既包含了以往線下常規(guī)教學(xué)中的課程體系和知識點(diǎn)，也融入了面向智能制造領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域?qū)嶋H工程對象等知識點(diǎn)，旨在緊跟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，讓學(xué)生進(jìn)一步了解科技前沿動態(tài)。

借鑒“企業(yè)專家進(jìn)課堂”的教學(xué)形式，邀請贛州市某醫(yī)療科技有限公司總工程師通過線上教學(xué)平臺給學(xué)生講授醫(yī)用口罩生產(chǎn)中計(jì)算機(jī)控制流程，從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動化水平的演變、智能制造模式、醫(yī)用口罩的基本結(jié)構(gòu)、口罩面體熔噴布進(jìn)料滾筒速度控制、口罩耳帶超聲波精準(zhǔn)焊接控制等方面為學(xué)生介紹了計(jì)算機(jī)控制在醫(yī)用口罩生產(chǎn)中扮演的重要角色。同時(shí)，向?qū)W生介紹了作為一個(gè)具有紅色基因的江西民營企業(yè)，在疫情關(guān)鍵時(shí)期，攻堅(jiān)克難，積極探索，以“堅(jiān)定信念、艱苦奮斗”的精神克服重重困難的擔(dān)當(dāng)之舉。在防疫物資緊缺時(shí)期，僅用2天時(shí)間完成原本10天才能完成的口罩生產(chǎn)線的調(diào)試工作，在國內(nèi)口罩供不應(yīng)求的情況下，充分履行企業(yè)社會責(zé)任，以低于市場價(jià)50%的價(jià)格銷售口罩等舉措，深化了學(xué)生對自動化專業(yè)的理解，讓學(xué)生為自動化在疫情中的使命與擔(dān)當(dāng)感到由衷的自豪，引導(dǎo)其樹立正確的專業(yè)觀和價(jià)值觀，將來為行業(yè)為國家貢獻(xiàn)力量。

(二)工業(yè)現(xiàn)場云實(shí)習(xí)

在本環(huán)節(jié)，學(xué)生跟隨鏡頭“走進(jìn)”贛州市某醫(yī)療科技有限公司的醫(yī)用口罩生產(chǎn)車間?，F(xiàn)場工程師為學(xué)生逐一講解口罩面體合成、柔性耳帶焊接、成品包裝等口罩生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并將之前云講授的理論知識與每個(gè)生產(chǎn)過程相結(jié)合，進(jìn)一步加深了學(xué)生對理論知識的理解，同時(shí)也讓學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用場景有了更直觀的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。

對于醫(yī)用口罩制造過程，需配置全自動生產(chǎn)設(shè)備或半自動生產(chǎn)設(shè)備。全自動設(shè)備是一體成型，一般1臺本體機(jī)拖2到3臺耳帶機(jī)，從原料投料到包裝完成都可實(shí)現(xiàn)。而半自動設(shè)備則需按以上流程逐個(gè)配置，包括口罩成型機(jī)、口罩壓合機(jī)、口罩切邊機(jī)、呼吸閥沖孔機(jī)、鼻梁條線貼合機(jī)、耳帶點(diǎn)焊機(jī)、呼吸閥焊接機(jī)等。

另外，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程中特別重要的“閉環(huán)控制”知識點(diǎn)，現(xiàn)場工程師以口罩耳帶流程化焊接、口罩成品包裝自動化碼垛場景為例，詳細(xì)講授了“偏差反饋控制”的實(shí)施方案，讓學(xué)生們對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制典型結(jié)構(gòu)有了更加深刻的認(rèn)識。在云實(shí)習(xí)現(xiàn)場，學(xué)生與現(xiàn)場工程師在技術(shù)研發(fā)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、社會擔(dān)當(dāng)、企業(yè)文化等方面進(jìn)行了深入的討論，學(xué)生們普遍反映收獲頗豐。

(三)知識轉(zhuǎn)化云實(shí)驗(yàn)

在本環(huán)節(jié)，以課程原實(shí)驗(yàn)的三容水箱控制為云實(shí)驗(yàn)對象，利用工業(yè)組態(tài)軟件的建模、仿真功能，搭建三容水箱液位控制仿真系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)要求如下：

(1)模擬實(shí)現(xiàn)三容水箱的進(jìn)出水功能。

(2)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，控制上水箱進(jìn)水速度。

(3)三個(gè)水箱的出水速度均可由閥門控制。

(4)進(jìn)出水對各水箱的液位影響要符合實(shí)際。

(5)顯示各水箱液位實(shí)時(shí)變化曲線。

課程組教師通過線上教學(xué)平臺指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

首先，課程組教師通過線上教學(xué)平臺手把手給學(xué)生演示組態(tài)軟件的基本功能，包括畫面、變量、菜單欄、控件、動畫等基本功能以及命令語言、報(bào)警、曲線、報(bào)表等進(jìn)階功能。

其次，課程組教師對實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行詳細(xì)解讀，包括水箱外觀、液位模型、水泵控制、出水閥控制、水容量守恒等，并在組態(tài)王軟件里對關(guān)鍵、難點(diǎn)要素進(jìn)行了操作展示。學(xué)生們可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)與教師互動，釋疑解惑。

最后，學(xué)生們按照實(shí)驗(yàn)要求開始設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，并在組態(tài)王軟件中逐步完成水箱搭建、模型構(gòu)建、PID控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、按鈕控制等功能，模擬實(shí)現(xiàn)三容水箱液位控制。在此訓(xùn)練過程中，課程組教師可安排學(xué)生進(jìn)度遠(yuǎn)程監(jiān)督、實(shí)驗(yàn)困難遠(yuǎn)程解決的隨堂常規(guī)云答疑，也可以安排不定時(shí)的課后靈活云答疑，全程把控學(xué)生的訓(xùn)練進(jìn)度和階段性成果。

(四)成果匯報(bào)云翻轉(zhuǎn)

為了讓學(xué)生更好地理解醫(yī)用口罩自動化生產(chǎn)過程，熟練地掌握組態(tài)軟件的使用，本課程引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)，由企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出醫(yī)用口罩智能制造升級中的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題，課程組教師通過“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)形式，學(xué)生分組選擇課題并設(shè)計(jì)解決方案，通過線上教學(xué)平臺展示自己的解決方案和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提升教學(xué)交互水平。具體的云翻轉(zhuǎn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下。

1.方案設(shè)計(jì)

本次課程設(shè)計(jì)主要考查學(xué)生對口罩面體熔噴布進(jìn)料滾筒速度的數(shù)字PID控制器的理解等云講授的理論知識的掌握程度，以及自動化關(guān)鍵技術(shù)研究的創(chuàng)新能力。在方案設(shè)計(jì)階段，學(xué)生需設(shè)定車間背景、配置自動化生產(chǎn)參數(shù)、布局各可視化模塊。更重要的是，學(xué)生需能夠根據(jù)期望的口罩產(chǎn)量，設(shè)置熔噴布和無紡布進(jìn)料滾筒的速度PID控制，并與廢料收集滾筒的速度相匹配。以上設(shè)置需結(jié)合各變量定義，通過數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)。

2.軟件實(shí)現(xiàn)

學(xué)生利用組態(tài)軟件搭建工廠場景和各類生產(chǎn)設(shè)備模塊圖。在此基礎(chǔ)上，將各變量與模塊形狀和執(zhí)行動作關(guān)聯(lián)，嵌入數(shù)字PID控制算法及其他邏輯判斷、物理定律等支持算法，實(shí)現(xiàn)用戶需求的功能指標(biāo)和性能指標(biāo)。在此期間，課程組教師安排分組云答疑，與企業(yè)工程師一同為學(xué)生介紹口罩生產(chǎn)中的背景知識及算法實(shí)現(xiàn)上的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.答辯展示

學(xué)生利用線上教學(xué)平臺，分組展示課程設(shè)計(jì)成果。要求每組派一名代表通過PPT匯報(bào)課程設(shè)計(jì)整體思路和設(shè)計(jì)過程，另派一名代表進(jìn)行軟件演示。演示過后需要接受課程組教師、企業(yè)工程師和其他組學(xué)生的質(zhì)詢。

4.考核評分

本環(huán)節(jié)最終成績由授課教師評分、企業(yè)工程師評分和學(xué)生互評進(jìn)行綜合評定，具體的評分細(xì)則如表1所示。

表1 成果匯報(bào)云翻轉(zhuǎn)評分細(xì)則

對于排名前三的優(yōu)秀方案，組成學(xué)生和企業(yè)工程師的測試小組，通過工程師的現(xiàn)場云測試，對方案進(jìn)行進(jìn)一步論證和原型系統(tǒng)驗(yàn)證。另外，對于表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，企業(yè)將特別為他們開辟入職該企業(yè)北京研發(fā)中心的就業(yè)綠色通道，實(shí)現(xiàn)自動化專業(yè)本科畢業(yè)生從學(xué)習(xí)到就業(yè)的一體化解決方案。

四、討論與建議

在疫情防控背景下，通過“醫(yī)用口罩生產(chǎn)線”一體化云教學(xué)案例的實(shí)施，本課程的線上教學(xué)質(zhì)量取得了較大突破，也是本課程為滿足專業(yè)工程教育認(rèn)證需要進(jìn)行教學(xué)改革探索的一次嘗試。同時(shí)，充分挖掘疫情防控期間的思政元素和德育資源，將其融入課程教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。隨著5G時(shí)代的到來，教育技術(shù)必將“倒逼”教學(xué)改革。在新冠疫情逼迫本課程進(jìn)行全面線上教學(xué)的機(jī)遇下，課程組將以此次“應(yīng)急教學(xué)”為起點(diǎn)，全面吸收好的做法和經(jīng)驗(yàn)，依托“北京高校青年教師創(chuàng)新教研工作室”，進(jìn)一步深化本課程的教學(xué)改革。隨著課程組教師和學(xué)生逐步適應(yīng)新型的教學(xué)模式，課程組將借助互聯(lián)網(wǎng)的巨大便利和海量資源構(gòu)建滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需要的課程體系，更新課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和教學(xué)手段，充分發(fā)揮現(xiàn)代“互聯(lián)網(wǎng)+教育”線上線下混合式教學(xué)的優(yōu)勢，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)社會適應(yīng)能力和競爭能力的高素質(zhì)自動化人才作出貢獻(xiàn)。