“現場總線技術及應用”課程教學改革初探

趙嵐

摘 要：針對“現場總線技術及應用”課程的特點及教學要求，結合應用型本科院校的培養目標和學生學習特點，從教學內容、教學形式等方面探討了該課程的理論與實踐教學的改革方法。初步探索和教學實踐證明該方法能激發學生的學習興趣，加強學生的實踐能力，從而提高本課程的教學質量。

關鍵詞：現場總線 教學改革 實踐

中圖分類號：TK262 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0119-02

“現場總線技術及應用”是為自動化及相關專業學生開設的專業選修課。這門課程的設置順應了自動化領域技術發展的需求，反應了工業自動化領域的發展趨勢和技術熱點。課程目的是使學生掌握工業通信的基本原理和基礎知識，了解當前業界自動化技術的發展動態和最新技術，通過學習幾種應用廣泛的總線系統的協議規范和開發知識，初步掌握分布式控制系統的設計方法，為今后工作和成為適應社會發展的應用型人才奠定必要的工程技術基礎。

該文根據目前“現場總線技術及應用”課程的教學現狀和面臨的問題，提出了一些具體的教學改革措施，并在實際課程教學中加以實施，初步取得了良好的效果。

1 課程特點和教學現狀

1.1 課程特點

首先是知識覆蓋面廣。現場總線是連接智能現場設備與控制系統的全數字、串行、多點通信系統，是一門集控制、通信、網絡、計算機控制及智能儀表于一體的綜合性技術，具有知識覆蓋面廣，實踐應用性強的特點。“現場總線技術及應用”這門課程是學生在掌握了基礎的控制理論之后開設的專業選修課，屬于自動控制的前沿課程。其課程定位對學生的綜合知識和能力提出了比較高的要求。先導課程包括控制理論和過程自動化，學生需通過進一步學習計算機網絡和通信相關理論和知識，并在掌握特定的現場總線技術規范后，結合微處理器知識才能真正構建實施一個基于現場總線的控制網絡。其次是技術更新快。現場總線技術的發展日新月異，目前世界上存在著大約四十余種現場總線，每種現場總線都具有自己的技術特性和占有各自的市場空間。在有限的學時數里，選擇哪幾種現場總線系統作為教學內容，以及每一種總線的學時數安排，教學內容的側重點都是教學實踐中要思考的重要問題。

1.2 教學現狀

“現場總線技術及應用”是近幾年才開設的專業課程，加上該課程的知識點比較分散不成系統的特點，沒有太多的教學資源和教學經驗可以借鑒。目前教學實踐中的問題主要有以下方面。

（1）教學內容多，學時數少。現場總線技術知識點多，主要針對的學生多是自動化相關專業背景的，不具備相關的通信和計算機網絡知識，因此對通信基礎知識的補充是必不可少的。加上目前市場上主流的總線標準不統一，技術各具特色，應用領域各不相同，學生在32個學時內并不能完全掌握每一種總線類型。因此，必須有目的性地選擇某一到兩種總線規范作為重點，其余幾種總線標準作為知識的擴充，使學生既熟練掌握某一兩種總線類型的開發設計方法，又熟悉目前市面上流行的諸多總線的特性和應用。因此在選擇總線類型和技術特性作為教學內容時，既要考慮總線的應用普及程度，也要考慮學生的實踐難易程度。因此，在課時數有限的情況下，如何選取合適的教學內容，既能讓學生掌握必要的理論知識，又能使學生積累一定的工程實踐知識，是值得思考和探索的首要問題。

（2）教材涵蓋面有限。目前，國內高校使用的主流教材仍是以陽憲惠編著的《現場總線技術及應用》[1]為代表，有別于介紹單一總線類型的，或側重現場總線應用與開發的，該教材主要內容分為兩部分：首先介紹了數據通信和控制網絡的基本知識，然后重點介紹了一些具有代表性的現場總線。雖然該教材的涵蓋面相對較廣，但仍然存在一些不足。例如，對通信基礎知識的闡述不夠系統全面，對現場總線的分析和應用實例也較少，對現場總線的最新技術成果的體現也比較欠缺。這些不足，一方面不利于學生對系統知識的整體把握；另一方面不利于學生對現場總線技術的深入理解和實際應用，和對當前的總線技術趨勢和前沿知識的了解。

（3）授課形式單一。課程授課仍以教師主體為中心，學生被動接受為主要授課模式。由于理論知識點多而分散，各種總線規范又各不相同，過多理論和細則方面的介紹容易使教和學的過程變得枯燥無趣。學生往往停留在對基本概念的識記，而缺乏一定的工程理解和認識。因此，如何設計合理的授課和互動模式，增加學生的參與度，讓他們對課程產生興趣，并且學以致用，把枯燥的理論知識運用到工程實踐中，掌握基本的工業通信系統的開發方法，反過來，通過工程實踐，進一步提升學生對理論知識的理解，提高分析和解決實際問題的能力，都是亟需改進的重要問題。

2 課程教學改革探索

針對目前的教學現狀，結合該課程課時短而知識點覆蓋面廣、技術更新快的特點，我們做了如下嘗試。

2.1 教學內容與時俱進

理論內容的編排主要包括以下部分。

（1）現場總線概述和工業網絡相關知識。這一部分主要介紹現場總線的概念、發展歷程、基本特點及工業網絡體系結構。通過工業現場應用實例包括系統如何組建、布線，控制系統的功能塊和組態讓學生對現場總線的功能和系統結構有初步認識。

（2）計算機網絡和通信基礎知識。這部分內容主要包括通信系統基本組成，網絡體系結構OSI參考模型，和模型各層相關技術及主要功能，例如數據編碼技術，介質訪問技術、差錯控制技術等。自動化相關專業的學生并不具備基本的通信理論知識，而現場總線作為工業自動化中的通信技術和具體應用，因此這部分內容的補充是必不可少的。

（3）幾種應用廣泛的主流現場總線技術。工業應用廣泛且學生較易掌握的總線標準如CAN、Profibus總線作為重點，總線技術的發展趨勢和最新成果如CANopen[2]、Powerlink、etherCAT[3]等總線標準作為補充拓展。這部分代表現場總線技術發展方向的新興標準在工業界已得到廣泛應用，但在現有教材中并未涉及，因此這部分內容以多媒體PPT講稿提供給學生打印，作為他們學習資料的重要來源。除此以外，鼓勵學生查閱相關文獻，了解相關總線技術國內外的研究和發展現狀。在總線類型的學習過程中，授課內容和順序還必須注意與通信基礎理論銜接對應，如每種總線按OSI模型的層次依次介紹各層功能和特性，這樣能使教學內容結構明了，條理清楚，學生對概念的掌握也會更牢固。

2.2 教學形式不拘一格

為了活躍課堂氣氛，激發學生學習興趣，不僅需要在教學內容上進行改革，還需要在授課形式的多樣化上積極探索。

（1）充分利用多媒體進行啟發式教學。對于理論性較強或較抽象的概念，通過視頻，動畫分解的方式描述復雜過程，讓學生對此產生比較直觀深刻的印象。如講解計算機網絡的體系結構中層次關系時，可以將數據從一臺主機傳輸到另一臺主機的過程，每經過一層時數據發生的變化情況，通過動畫的方式描述。這樣學生能對一個抽象概念產生深刻而清晰的印象，從而很好地理解為什么通信網絡需要進行層次的劃分，以及實體、服務、協議的概念和關系。同時通過提問和討論的方式，啟發學生思考問題，讓學生充分參與課堂互動。并結合自己的課題，將總線相關的科研成果展示給學生。

除此以外，在Powerlink和etherCAT總線介紹的過程中，首次進行了雙語教學的嘗試。學科前沿課程是進行雙語教學的良好平臺，一方面學科前沿的最新成果通常是以英文形式呈現的；另一方面學生通過雙語的方式學習專業課程，既提高了專業英語的閱讀理解能力，也能更準確地把握對專業名詞和知識要點的理解。通過作者一學期的教學嘗試，發現學生對適當英文術語的補充接受度高，對英文形式的技術熱點的學習興趣濃厚。

（2）創新實踐型教學。實踐性強是本課程的另一特點，因此實踐原則需貫穿教學過程的始終。實踐性強的課時部分，如總線標準的理論和設計可以在實驗室進行。授課內容可以結合實驗項目進行調整，讓學生可以邊學理論邊實踐。通過完成一個具體的設計任務，讓學生理解有關芯片功能，和基于該芯片的設計方法，實現一個小型的通信系統設計。這種方式，既能激發學生的學習興趣，也讓他們通過充分的實踐獲得一定的設計開發能力，從而較好地實現課程的教學目標。

如在學習CAN[4]總線一章的時候，通過應用實例介紹以CAN總線為紐帶集成的車身控制和底盤控制系統，使學生對CAN總線的功能和整體構架有初步認識。接著，對應OSI模型的層次結構依次介紹CAN總線的各層功能，使學生對通信系統的層次概念更加清晰。在學習CAN控制器和接收器芯片時，學生結合微機原理和單片機知識，設計出CAN的節點電路，并對CAN控制器的初始化、發送和接收功能模塊進行編程。

（3）安排見習實習機會。多數高校都在一些企業建立了長期合作關系，可以利用2個課時安排學生到企業見習，或在理論課程結束后到企業實習。通過向企業員工學習和聽取專題報告，了解現場總線系統在工廠車間中的實際應用情況，還可以適當參與工業生產解決方案的設計開發工作，進一步認識現場總線系統的應用場合，通信原理和方法，掌握現場總線的理論和應用知識。

（4）考核方式多樣化。現場總線技術及應用作為一門考查課程，考核辦法和形式應該多樣化，以體現學生的對所學知識的掌握程度和綜合運用能力。總評成績包含平時成績、實驗成績和課程設計成績。平時成績根據出勤、作業、課堂提問、學習主動性等方面進行評價，課程設計則根據總體方案、硬件原理、軟件框圖等設計過程以及設計報告的質量來評價。這樣的綜合考查方式能充分調動學生的學習主動性，培養他們發現問題、解決問題的研究能力。

3 結語

教學改革的實施和教學目標的實現，除了教師自身專業素質的不斷提高加強，還要積極思考教學改革創新的途徑，改變教學理念，改革教學思路。該文根據現場總線技術及應用的課程特點和教學現狀，從教學內容、教學形式上提出了一系列的實踐和探索思路，初步取得了一些積極的成效。希望通過積極努力的探索，能進一步深化該課程的教學改革，從而能提高教學質量，培養出具有創新能力、獨立思考能力、團隊合作精神的高技術應用型人才。

參考文獻

[1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 蔡豪格.現場總線CANopen設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3] 郇極.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 周立功.iCAN現場總線原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.