《計算機控制系統》教學改革的探討

林偉 李丹菁 蔡丹鳳

上海應用技術學院電氣與電子工程學院 上海 201418

《計算機控制系統》教學改革的探討

林偉 李丹菁 蔡丹鳳

上海應用技術學院電氣與電子工程學院 上海 201418

隨著現代工業的發展，培養高級應用型技術人才已日益重要。為了培養具有創新精神、實踐能力和國際競爭力的高層次應用技術人才，促進學生未來的可持續發展，作為對計算機控制系統(Computer Control Systems)課程的教學改革，調整優化教學內容，引進實施全英文授課。同時，通過課內實驗，學生項目，校企合作等多種渠道結合，大大提高了學生的實踐能力以及綜合應用能力。

高層次應用技術人才；可持續發展；計算機控制系統；全英文授課；校企合作

近年來，能源、動力等各行業在向著大型化、自動化、高效化、節能化、環保化的方向加快發展，相關的控制工程要求也越來越復雜。這些行業高層次自動化專業技術人才對計算機控制先進應用技術的掌握需求也更為迫切。為此，作為電氣工程及其自動化類專業四年級上學期專業主干課程，我校（上海應用技術學院）開設了計算機控制系統(Computer Control Systems)，它也是自動化專業的核心課程。

《計算機控制系統》綜合了計算機控制系統的控制理論和先進的應用技術，因此是一門理論與實踐密切聯系的課程。關于該課程的教學展開及教學改革，許多高校都進行了有益的探索[1-5]。目前，國際上幾乎所有研究型院校在本科高年級或者研究生學習階段都開設有本課程。傳統上，在這些高校中，本課程往往更多地偏重于理論內容。

近幾年來，為了突出培養具有創新精神、實踐能力和國際競爭力的新型高層次應用技術人才，我們在上海市教委開展的“上海高校示范性全英語教學課程建設項目”、本校開展的“校企合作課程建設項目”等的支持下，對本課程的教學進行了一系列改進研究[6]，下面展開談談我們在教學改革中的體會。

1、優化教學內容，注重學生可持續發展力

（1）理論與實踐平衡發展

作為應用技術大學，與前面提到的傳統教學內容更偏重甚至只注重高深的理論有所不同，過去我校的《計算機控制系統》理論部分比較淺顯，更為偏向技術應用。這是我校該課程的一個特色。相應的，對于一些重要的基礎理論知識（例如采樣定理），往往只講結論。然而，在幾年的教改探索與實踐中我們發現，這樣的點到即止，容易造成學生知其然而不知其所以然的現象。而另一方面，一些偏技術應用的內容，可能會在授課時講過部分或全部，在課內實驗或課程配套的學生項目中又會重復講到。因此，為促進學生的可持續發展，我們對課程的理論與實踐內容作了進一步的調整與平衡，適當增加了對基礎理論的講解，增加一些相關背景知識（例如，在講采樣定理時，加講頻率混疊等相關知識），讓學生在了解了理論的來龍去脈后，再講應用，一則容易理解，同時也更加深了他們的印象，學習效果明顯。

（2）多方位提高學生綜合能力

在教學過程中，為了讓學生對所學知識有直觀生動的理解，除了舉一些實例外，配合仿真演示也是很有效的手段。例如：學過PID控制及各種改進方法，史密斯預估控制等控制策略后，在課堂上搭建仿真模型，進行演示、比較不同控制策略的效果，以促進學生對課程內容的更好理解。在仿真軟件的選取上，我們選擇了開源軟件SCILAB，這也是近年來在包括德國、法國等許多歐美國家的高校中更為常用的仿真軟件。對于學生將來的實踐以及工作而言，在能用計算機進行控制的同時，能用計算機進行仿真無疑也是個實用的輔助能力。雖然對仿真分析軟件（如Matlab）的使用學習有另外作為選修課開設，但許多同學或者因為時間關系，或者因為興趣關系，并不會選修，之前對這方面知識的接觸也不多。由于本課程在內容設置上更多側重于介紹組態軟件等工業應用軟件，沒有專門課時讓學生系統學習計算機仿真軟件。但是，通過采用在課堂上當場進行模型搭建、仿真演示，同時配合簡單的講解，不斷地潛移默化間，學生還是掌握了一定的計算機仿真能力，綜合能力得到了提高，同時也為有需要的學生將來的進一步研究深造打下了基礎。

（3）增強國際競爭力

計算機控制系統本身涉及大量不斷推出的前沿技術，其中許多來自于歐美發達國家。這在未來的工作中，對學生的國際競爭力提出了較高的要求。首先他們要在具有較高的英語應用能力的基礎上，熟練掌握計算機控制系統的專用術語詞匯。他們不但要能適應國際化的工作環境，還需要有能力不斷地直接更新、學習這些日新月異的新技術。

為此，作為本課程改革的一部分，我們把英語教學引進了課堂中，與許多歐美國家的高校一樣，采用經典的英文教材，制作全英文課件，包括平時的作業以及考試，也都全部使用英文進行。課程建設的實踐表明，全英文教學一定程度提高了學生的英文應用能力，大大擴大了他們對原文專業術語（尤其是中外業界說法不一一對應的專業術語）的掌握，增加了他們對專業新技術的了解，最終提高了他們進行專業層面國際交流和學習、工作的興趣與能力。一個意料之外的效果是：目前一些學生已經主動開始嘗試用英文進行專業小論文的撰寫。

2、加強實踐性，引進校企合作環節

為了順應培養高層次應用人才的要求，除了在課堂講授中增加實例案例外，我們從課堂實驗，學生項目和校企合作三方面入手，從而有效增強學生實踐應用能力。

《計算機控制系統》是一門綜合性較強的課程。學生在學習了必要的理論知識后，對于如何正確實施數據的輸入輸出，采取合適的控制策略組建控制系統有了基礎的認識，但是依然缺少綜合直觀的印象及動手實踐。因此，在本課程的理論課之外，需要進行實驗實踐的訓練，這包括課內的實驗環節以及理論課講授全部結束之后另外配套一到一周半的學生項目環節。這兩個動手實踐環節都是學生學習的必要部分，除了對已學過的理論課知識進行加深鞏固之外，還起到補充知識的功能。

（1）課內實驗

課內實驗的成功完成是學生能參加課程考試的前提條件。通過課內實驗，可以促進學生對基礎知識的理解與掌握，加深鞏固理論知識，為之后的實際運用筑基。例如：我們在課內實驗的環節，設計了簡單的模擬量數據輸入輸出實驗，結合VB編程實現人機界面，對指定通道采集到的數據進行A/D轉換等處理和顯示，同時將相應的數據經過D/A轉換后輸出。這個過程中，學生建立了一個簡單的計算機控制系統結構，對工控機的總線結構，模擬信號、數字信號的理解以及相應的轉換處理等有了更直觀的印象。另外，對于人機界面的設計，VB的編程也有了一定掌握。因課內實驗課時的限制，有關控制及其實現部分的實踐訓練留待配套的學生項目具體展開。

（2）學生項目

學生項目環節中，學生可以有充分的時間，在進一步了解一般計算機控制系統類型的基礎上，利用實驗室的設備以及數據采集模塊等，來完成一個小型直接數字控制系統的設計、搭建以及調試運行。

與課內實驗不同，學生從現場的數據測量，傳輸，采集，轉換，數據處理，運算到數據的輸出和執行都一一參與設計及實施。整個過程中涉及到的知識面范圍較廣，包括測量變送，數據的輸入輸出通道，外設的驅動及通信，數字濾波及數據處理，控制策略的選擇、改進及實現，參數的整定，抗干擾及可靠性技術等等。這些內容在理論課中都已學過，但是學生當時明白、理解了，考試沒問題，也不一定代表真正深入吸收和能自由熟練地應用。在學生項目中，通過設計到實現的過程，就是從不懂到懂，從知道到理解，從明白到深刻的過程。

此外，為了建立自動控制系統，學生還需要學習及使用相關的組態軟件，編制友好的人機界面。考慮到時間以及理解效率的關系，在理論課講授部分，組態軟件的知識我們只是稍做介紹，沒有涉及具體的編程及應用。實驗時，指導學生邊學邊做，邊試邊做，效果在軟件學習的同時得以即時展示，學生的學習興趣及成果感大大上升，學習效率極大提高。

控制系統軟、硬件搭建好之后，需要不斷調試運行，達到要求的控制性能。在前面高效學習的基礎上，學生的學習熱情高漲，為了取得更好的控制性能指標，主動查閱參考資料，與教師深入探討，積極思考控制策略改進方案。調試時不斷發現、總結以及驗證經驗、知識帶來的成就感使一些學生在課后依然不愿離開實驗室，一遍遍進行嘗試、思考以及改進，促進了對計算機控制系統的設計原則和步驟的掌握，最終出色完成了任務。正如他們自己回顧實驗過程時所說的，這樣的學生項目對于他們對理論課知識的系統鞏固、實踐能力的提高非常有價值，希望能多些這樣的機會。

（3）校企合作

直接數字控制作為一類典型的計算機控制系統得到較廣的應用。然而，當前計算機控制系統向網絡化、集成化、分布化和節點智能化的方向在迅速發展，相關的技術更是日新月異。由于或者是新技術的研發者，或者是新技術的使用者，這方面，企業往往就是新技術的風向標。與企業合作，不但能為學生增加經驗，提高工作能力，還能直接有利于他們對新技術的及時更新掌握。為此，近年來，我校與Rockwell Automation公司簽署了全面戰略合作協議，并共同建設自動化技術應用研究工程中心。

在理論授課時，對于這類不斷更新發展的技術部分，我們引入校企合作。有三分之一的課時，請企業中的專家直接進課堂，為學生講授最新的控制網絡技術。企業專家有豐富的一線工程經驗，在授課過程中，除了傳授最新的技術外，亦能隨時指點學生工程中的注意事項。例如，在講到集散控制系統時，我們請羅克韋爾自動化的專家為學生分別從A-B PLC的網絡構架、硬件體系、軟件構成幾方面入手，系統介紹了相應最新技術、產品及特點。專家的豐富案例，結合校企共建的集散控制系統實驗平臺演示，不但促進了學生對原本看起來雜散、枯燥、虛幻內容的理解，同時也提高了學生的實踐能力。

3、結束語

本課程教學改革近年來的效果和經驗表明，合理調整優化教學內容，引進全英文授課，通過課內實驗，學生項目以及校企合作等多方面增強實踐環節，對培養具有創新精神、實踐能力和國際競爭力的高層次應用技術人才起到了較好的促進作用。

[1]溫淑慧.計算機控制技術實驗教學改革初探[J].教學研究，2010(06)：59-61.

[2]李云霞，康波，鄒見效.《計算機控制系統》教學改革思路和實踐[J].實驗科學與技術，2012(02) ：70-72.

[3]項雷軍，洪雪梅，鄭力新，徐園園.基于能力培養的計算機控制系統課程教學改革探究[J].中國現代教育裝備，2014(17)：65-67.

[4]朱永紅，劉蜀陽，王建宏.基于CDIO理念《計算機控制技術》一體化教學改革與實踐[J].景德鎮學院學報，2015(03)：41-44.

[5]張燕紅.“卓越計劃”平臺下的“計算機控制技術”教學探討[J].常州工學院學報，2015(Z1)：65-67.

[6]李丹菁，王建華，陳嵐，萬衡.新型應用技術大學建設的幾點教學思考[J].高教學刊，2016(2).

Along with the development of modern industry，it has become increasingly important to cultivate high-grade engineers. In order to cultivate innovative and practiced，high-grade engineering talents with international competitiveness，to improve the future sustainability for the development of our students，as a teaching reform for the course “Computer Control Systems”，we reorganized the course contents and implemented teaching-in-English.Meanwhile，the practical abilities and integrative abilities of students were highly enhanced by implementing in-course labs，student projects，and University-Enterprises Cooperation activities.

high-grade engineers，sustainability for the development of students，Computer Control Systems，teachingin-English，University-Enterprises Cooperation

林偉（1967-），男，上海人，學歷：碩士，工作單位：上海應用技術學院，講師，研究方向：電子技術教學科研。