應(yīng)用型本科院校《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程教學(xué)改革實(shí)踐

摘 要:《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》是自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課，在專業(yè)課程體系中起到承上啟下重要作用。針對(duì)應(yīng)用型本科院校中《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程，闡述了教學(xué)改革總體思路，并從教學(xué)內(nèi)容、方法、考核方式等方面探索了教學(xué)改革的一些措施，并分析了所取得的效果，為深化該課程教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 教學(xué)改革 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào):G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(c)-0157-02

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》是自動(dòng)化專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程。該課程以計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)控制中的應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為主線，涉及控制系統(tǒng)硬件、軟件、系統(tǒng)分析和應(yīng)用等方面的問(wèn)題，其實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展及普及，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，這就要求學(xué)生完成該課程學(xué)習(xí)后，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，能完成簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、編程和調(diào)試過(guò)程[1]。為了符合應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)人才的要求，在教學(xué)中，針對(duì)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》的課程內(nèi)容和教學(xué)方式、方法、手段等方面進(jìn)行了一些嘗試性改革。

1 教學(xué)改革總體思路

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為此系統(tǒng)工具，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀念是該課程的核心，但是實(shí)現(xiàn)方法區(qū)別于連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)，因此對(duì)于應(yīng)用型本科院校而言，《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程兼顧基礎(chǔ)理論，同時(shí)更強(qiáng)調(diào)向?qū)嵺`方面過(guò)渡[1]，著重于控制理論與工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，著重于微機(jī)與控制的有機(jī)結(jié)合。

在《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程教學(xué)改革中，針對(duì)應(yīng)用型本科院校的特點(diǎn)，需要堅(jiān)持以下教學(xué)理念:第一，堅(jiān)持“素質(zhì)教育、工程教育、創(chuàng)新教育”緊密結(jié)合，加強(qiáng)基礎(chǔ)，強(qiáng)化工程概念，激發(fā)創(chuàng)新精神;第二，堅(jiān)持“理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)”相結(jié)合，提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的結(jié)合能力;第三，堅(jiān)持與相關(guān)課程的整合，形成系列化且完整的課程教學(xué)體系，提高課程的教學(xué)效率;第四，堅(jiān)持“課內(nèi)課外”相結(jié)合，課內(nèi)注重教學(xué)啟發(fā)、引導(dǎo)，課外注重實(shí)踐訓(xùn)練，為使學(xué)生盡早進(jìn)入工程角色創(chuàng)造良好的條件和環(huán)境。

2 教學(xué)改革的具體措施

基于上述教學(xué)理念并根據(jù)我院實(shí)際情況，在《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》的課程改革中，做了以下實(shí)踐。

2.1 教學(xué)體系重在有機(jī)結(jié)合

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》從應(yīng)用角度出發(fā)，密切結(jié)合工業(yè)實(shí)踐，并融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一門理論性及實(shí)踐性較強(qiáng)的新型課程。該課程主要任務(wù)是依據(jù)理論聯(lián)系實(shí)際的原則，把硬件和軟件結(jié)合、控制原理和典型應(yīng)用結(jié)合，并通過(guò)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法，以利學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制原理和應(yīng)用技術(shù)的完整知識(shí)，使學(xué)生掌握數(shù)字控制器的基礎(chǔ)知識(shí)、基本應(yīng)用技術(shù);掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件的選擇、組織、配置和設(shè)計(jì)。

學(xué)生熟練掌握較多的專業(yè)知識(shí)并進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，包括《電工電子學(xué)》、《控制理論》、《單片機(jī)原理》等專業(yè)課程，是提高《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》的教學(xué)效果的前提，因此該課程應(yīng)在上述課程學(xué)完之后開設(shè)。這樣，《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》理論講解的重點(diǎn)可放在控制系統(tǒng)的離散化理論、工業(yè)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)上，大大減少理論講授所需的時(shí)間。而《PLC技術(shù)》、《電機(jī)與拖動(dòng)》和《傳感器技術(shù)》等課程可以同時(shí)開設(shè)，也可以在之前開設(shè)。

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，微機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)為手段，系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)為目的，從而做到理論、技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，綜合性強(qiáng)，應(yīng)該后續(xù)開設(shè)相應(yīng)的工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，鞏固教學(xué)效果。

2.2 教學(xué)內(nèi)容重在夠用和實(shí)用

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程涉及知識(shí)面廣且集成度高，濃縮了本專業(yè)的知識(shí)精華，在專業(yè)課程體系中具有承上啟下的作用。

如何確定理論教學(xué)內(nèi)容及其深度，調(diào)整好計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論及應(yīng)用技術(shù)的關(guān)系，是確定課程內(nèi)容時(shí)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，而自動(dòng)控制是建立在一整套完整的控制理論基礎(chǔ)上的。因此，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐過(guò)程中，理論教學(xué)內(nèi)容的選用以“夠用為度”為標(biāo)準(zhǔn)。以“夠用”來(lái)選取理論教學(xué)內(nèi)容，使理論教學(xué)內(nèi)容能夠支撐且覆蓋該課程涉及到的主要技術(shù)。而以“實(shí)用為度”來(lái)確定某一理論教學(xué)的深度，使該理論教學(xué)的深度能與本院學(xué)生的實(shí)際水平相適應(yīng)，同時(shí)還要與當(dāng)前的技術(shù)水平相適應(yīng)，以滿足具體應(yīng)用技術(shù)的要求。大致安排如下。

2.2.1 微機(jī)與接口技術(shù)

在介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)中，計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心。在此計(jì)算機(jī)是一個(gè)廣義的概念，可以是微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或由芯片組成的專用裝置。以《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》這樣一門課時(shí)有限的課程，要同時(shí)覆蓋以上幾方面是不可能的，只能有選擇地從中選取某一方面內(nèi)容組織教學(xué)。我們采用微型計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，開展教學(xué)。與此相對(duì)應(yīng)，在計(jì)算機(jī)外圍接口電路方面，如輸入輸出通道、通信接口等，教學(xué)內(nèi)容安排上則以標(biāo)準(zhǔn)主流板級(jí)產(chǎn)品為主，重點(diǎn)介紹它們的工作原理，技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用方法，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后能夠?qū)W以致用，學(xué)有所用。

2.2.2 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)

這部分在講授了數(shù)字信號(hào)采樣和處理的基礎(chǔ)知識(shí)后，主要學(xué)習(xí)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用的控制算法，如數(shù)字PID算法、最少拍控制算法等。對(duì)于理論性較強(qiáng)，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中使用較少的算法，如達(dá)林算法、Smith預(yù)估控制等，則只做簡(jiǎn)單介紹，使學(xué)生對(duì)其有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)即可。

2.2.3 先進(jìn)控制技術(shù)

近年才出現(xiàn)并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的智能控制算法如模糊控制、現(xiàn)場(chǎng)總線等知識(shí)，作為次重點(diǎn)講授對(duì)象，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。

此外，在講課中綜合有關(guān)課程的基本內(nèi)容將學(xué)生學(xué)到的知識(shí)，通過(guò)本課程有機(jī)地、和諧地結(jié)合在一起。

2.3 教學(xué)過(guò)程重在啟發(fā)引導(dǎo)與互動(dòng)

課堂教學(xué)的過(guò)程中采用討論式、互動(dòng)式的教學(xué)方法，以啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，并激發(fā)學(xué)生聽課的熱情與積極性。這樣才能使學(xué)生不僅帶著眼睛和耳朵來(lái)上課，更重要的是帶著大腦來(lái)上課。

采用交互式、討論式教學(xué)，以引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)，首先需要尊重學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，其次需要設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中不同階段能夠啟發(fā)學(xué)生思維的問(wèn)題。一堂課，需要在什么地方提問(wèn)，在不同的階段應(yīng)該提什么不同的問(wèn)題，都是值得精心研究的。總之，教師的作用不只是傳授，重更要的是引導(dǎo)學(xué)生思維。

學(xué)生反映該教學(xué)方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式的最大區(qū)別就是，因?yàn)椴恢览蠋熀螘r(shí)提何種問(wèn)問(wèn)題問(wèn)到自己，所以他們必須時(shí)刻都要思想集中。

2.4 教學(xué)實(shí)踐重在應(yīng)用和創(chuàng)新

應(yīng)用型本科的教學(xué)就是重在應(yīng)用，貴在創(chuàng)新，在教學(xué)改革中把基礎(chǔ)的內(nèi)容放在課堂內(nèi)，將延伸擴(kuò)展的、實(shí)踐動(dòng)手的內(nèi)容放在課外。實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用和創(chuàng)新的一種非常好的教學(xué)手段，實(shí)踐教學(xué)同樣需要堅(jiān)持素質(zhì)教育、工程教育和創(chuàng)新教育相結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)改革需要與課程建設(shè)和課程改革進(jìn)行整合，形成良性互動(dòng)，無(wú)論是理論部分還是實(shí)踐部分，都應(yīng)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用為目的，應(yīng)該注意與生產(chǎn)生活實(shí)際相結(jié)合。為此我們把《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》的實(shí)踐教學(xué)分成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)兩個(gè)主要的環(huán)節(jié)。

我們把實(shí)驗(yàn)教學(xué)分成了驗(yàn)證性和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性兩個(gè)模塊。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要要求學(xué)生在已有的實(shí)驗(yàn)方案上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，一方面達(dá)到驗(yàn)證和深化理解理論知識(shí)的目的，另一方面進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作的技能。簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，針對(duì)某個(gè)特定的主題，只告訴學(xué)生相關(guān)的實(shí)驗(yàn)要求，需要學(xué)生在一定范圍內(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，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。例如在介紹了數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容后，要求學(xué)生根據(jù)給定的對(duì)象設(shè)計(jì)一個(gè)PID控制器。學(xué)生自己擬定實(shí)驗(yàn)方案、基本步驟、最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，一方面在一定程度上訓(xùn)練了學(xué)生利用已有知識(shí)獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，為后面的工程實(shí)訓(xùn)打下了基礎(chǔ)，另一方面也可以通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)主題設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)和Matlab軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)輔助的能力。一般，驗(yàn)證性和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性兩個(gè)模塊在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所占比例為6∶4。

工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)一般需要3周時(shí)間，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)合作及其一定的創(chuàng)新精神。在實(shí)訓(xùn)中，我們讓2～3學(xué)生組合成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，要求學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際，在某個(gè)范圍內(nèi)自選控制對(duì)象、自定控制指標(biāo)、自行設(shè)計(jì)方案、自選或自作相關(guān)硬件、自行編制軟件，完成整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試過(guò)程。通過(guò)這種創(chuàng)造性的工作，一方面培養(yǎng)了學(xué)生“學(xué)以致用”的能力，讓學(xué)生提前進(jìn)入工程角色，盡早熟悉即將面臨的工作環(huán)境和狀態(tài)，另一方面通過(guò)這種訓(xùn)練，給他們提供了一個(gè)自由想象和大膽創(chuàng)新的空間，激發(fā)了他們的創(chuàng)新欲望。

我們還積極引導(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，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手制作實(shí)物，對(duì)工廠企業(yè)、展覽會(huì)或者日常生活的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研、原理分析和仿制，開展科技小發(fā)明活動(dòng)，則能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。這樣可以突破以往的封閉式教學(xué)方法，使自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生自己動(dòng)手掌握相關(guān)的知識(shí)，經(jīng)歷從系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)到制作，完成整個(gè)過(guò)程，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力、想象力和科學(xué)技能[2]。

2.5 教學(xué)考核重在綜合

考核是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)、了解教師教學(xué)效果的一個(gè)重要杠桿。以前由于受時(shí)間的限制，僅能考一些基本概念、基本理論和一些簡(jiǎn)單的分析題，這有可能使學(xué)生平時(shí)不重視學(xué)習(xí)，期末搞突擊，考后知識(shí)還給老師。另外考核方法缺乏應(yīng)用性和綜合性，且由期末考試一錘定音，這樣不但反映不出學(xué)生的真實(shí)水平，而且也不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。而通過(guò)4個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不但可以避免上述情況發(fā)生，且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，具體措施[3]如下:(1)資格考試，考試的內(nèi)容為平時(shí)的作業(yè)，考試的方式為閉卷。這樣可以確保課程基本要求的教學(xué)質(zhì)量，并可以遏制抄襲作業(yè)的現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)風(fēng)建設(shè)。(2)水平考試，主要考查學(xué)生靈活應(yīng)用基本概念、基本理論、分析和解決問(wèn)題及創(chuàng)新思維的能力。水平考試不在難度，重在基本教學(xué)內(nèi)容的深度，重在靈活應(yīng)用和創(chuàng)新思維。(3)實(shí)踐考核:根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)訓(xùn)完成的情況加以評(píng)定。(4)平時(shí)考核:主要包含對(duì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂教學(xué)、參與討論、積極地進(jìn)行思維。

2.6 現(xiàn)代教育技術(shù)重在與課程整合

合理得應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效果，而且可以節(jié)約時(shí)間及成本，使學(xué)生有更多的時(shí)間進(jìn)行課后和實(shí)踐學(xué)習(xí)。

本課程教學(xué)中的圖例較多，特別是系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)或部件的電氣線路、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的響應(yīng)波形、基本單元的控制電路等，如不借助于圖示分析，難以用語(yǔ)言表達(dá)清楚。為此在講課中利用多媒體教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)，例如可以通過(guò)Matlab向?qū)W生演示系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真結(jié)果，這樣不但增加了教學(xué)信息量，而且對(duì)插圖和課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)可以反復(fù)地指點(diǎn)和回顧，便于理解和掌握課程內(nèi)容。另外，可使學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的工藝和控制要求設(shè)計(jì)數(shù)字控制器、選擇控制參數(shù)以及編制控制軟件，并在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察控制效果，提高課程的教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題能力。對(duì)于目前環(huán)節(jié)性實(shí)驗(yàn)過(guò)重、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)沒(méi)條件開展的情況，系統(tǒng)仿真是一個(gè)有效的教學(xué)方式，也能節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資。

3 結(jié)語(yǔ)

從長(zhǎng)期從事該課程教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，學(xué)生是蘊(yùn)藏著極大的學(xué)習(xí)熱情和潛能的，關(guān)鍵是要靠教師去挖掘。根據(jù)對(duì)幾屆學(xué)生的實(shí)際調(diào)查和對(duì)他們成績(jī)的統(tǒng)計(jì)，可以看出，經(jīng)過(guò)教學(xué)改革，一方面課程教學(xué)取得了良好的效果，做到了理論、技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，把各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致，減輕了學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)習(xí)效率;另一方面學(xué)生感到課程的核心內(nèi)容更清晰，更能準(zhǔn)確把握，擴(kuò)展的學(xué)習(xí)內(nèi)容更靈活豐富，學(xué)習(xí)積極性得到了進(jìn)一步的發(fā)揮，從原來(lái)對(duì)課程的畏懼到喜歡，從原來(lái)做實(shí)驗(yàn)無(wú)從下手到畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)能開發(fā)出實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，這些都說(shuō)明了課程改革提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力和分析、解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王春民.連續(xù)與離散控制系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，2008:1～10.

[2] 呂明，楊勝?gòu)?qiáng)，白薇.創(chuàng)新理念下的工學(xué)類工程訓(xùn)練中心建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2007(4):31～32.

[3] 張紅.基于應(yīng)用型能力培養(yǎng)的自動(dòng)化專業(yè)課程改革的研究與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2008(9):30～32.