面向物聯網專業的計算機控制技術課程教學方法探索

沈春山 王永梅 焦俊

摘要：計算機控制技術涉及理論、方法和工具非常廣泛，如何在有限學時內幫助學生掌握其基本知識并熟練運用到相關專業領域尤為重要。因此，結合物聯網工程專業特點，在專業整體課程體系下，提出“以線為主，點面結合”的計算機控制技術課程教學內容、方法和實踐。在計算機控制系統理論基礎，傳感器、執行器、控制器、人機交互軟硬件等基本知識點上，以各類物聯網接口為主要線索，通過課程實踐引導掌握多樣規模和類型的計算機控制系統構建方案。教學實踐表明，學生動手多、興趣大，在計算機控制技術相關的課程設計、畢業設計、各類國家級省級學科競賽中取得了較好的成績。

關鍵詞：計算機控制;物聯網工程;接口;教學方法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009- 3044（2019）34-0136-03

1 概述

通常意義上，計算機控制技術是指以計算機為控制核心的控制系統所涉及的眾多軟硬件技術統稱，主要涉及輸入輸出接口與過程通道技術、控制網絡與數據通信技術、數字控制器設計與實現技術、人機交互技術、可靠性與抗干擾技術、計算機控制系統設計技術等[1]。要想構建良好的計算機控制系統，甚至對被控對象的特性、環境影響、系統安裝布置都需要深入的了解。計算機控制技術課程教學目的就是幫助學生整合所學單元知識點，系統解決計算機控制系統實際工程問題，將“知識珍珠”打造成“工程項鏈”。

物聯網工程是近年來開設的新興工科專業，是適應新時代社會需求的產物。通常物聯網專業屬于計算機大類招生，涉及通信工程、電子信息工程、計算機科學與技術等主干學科，包括程序設計類，電路電子技術類，通信原理與信號處理類，單片機與嵌入式系統類，傳感、射頻技術與無線通信類，RFID與傳感網絡類等主干課程[2]。計算機控制技術作為物聯網工程專業的專業選修課，目的是為了幫助學生整合傳感、計算、控制和通信軟硬件知識，掌握各類計算機控制系統的構建，提供物聯網系統自動化與智能化水平。

綜上所述，計算機控制技術涉及范圍廣，理論、方法、工具和技術眾多，在有限的學時內教好、學好存在一定的挑戰。相關高等院校也從各自專業特點、院校學生特點等角度，開展針對性的教學活動。一般來說，首先在整個物聯網工程專業課程體系上進行整合優化，合理分配學時，為學生構造良好的知識體系，打好專業通識基礎[3，4]。其次針對各自專業特點，如自動化、電氣工程、機械工程等，開展有特色的計算機控制技術教學活動，包括創新實踐、項目驅動、校企合作等方式[5-8]。物聯網工程專業的各科課程教學探索也被積極開展，如通信原理課優化課時、改革教學方式[9]，傳感器技術課引入移動網絡資源建設、“以學為主，教學相長”措施[10，11]，操作系統課增加嵌入式系統、增強實踐能力等內容改革[12]，其中涉及計算機控制技術課程教學方法的探索較少?？偟膩碚f，多以增加實踐動手、優化學時結構、改進教學環節等方式為主。

物聯網工程專業的計算機控制技術課程教學除應吸收上述良好的教學改革措施外，還應該結合專業自身的培養目標、院校特點進行深入研究。為此，針對計算機控制技術和物聯網工程專業培養目標、課程體系特點，本文提出“以線為主、點面結合”的計算機控制技術教學方案。具體地說，就是以物聯網各類接口為主線，將物聯網專業學生所學的各類傳感、計算和通信單元知識點，在行業應用領域的具體自動化智能化建設需求面上，有機地整合，引導學生構建各類符合需求的計算機控制系統。

本文后續的章節安排如下：第二節介紹計算機控制技術課程教學體系，包括教學內容、主要教學方法與手段、評價機制，第三節介紹目前取得的主要教學效果，第四節對全文進行總結。

2 教學過程體系

2.1 教學內容設計思路

教學內容的安排以計算機控制系統理論基礎為先行，重點介紹數字PID控制器等各類算法設計與實現。其次遵循“以線為主、點面結合”原則，對計算機控制系統的各類接口通道技術、傳感技術與執行機構、人機交互技術、典型計算機控制系統等全面介紹。再次考慮兩條措施，一是“軟硬兼施”，即在介紹計算機控制系統硬件技術組成基礎上，還充分介紹各類嵌入式與組態軟件技術。另一個是“強弱并舉”，即在介紹計算機控制系統的電路電子模塊技術基礎上，針對現場涉及的必要的電氣工程知識，如供配電、設備和人生安全、抗干擾與接地措施等做必要的介紹。強弱并舉措施的意義在于擴大弱電類專業學生的在電氣工程領域的知識面，讓他們在實際工作中更有競爭力和優勢。

最后，為了解決自動控制實驗室條件限制問題，積極引入各類控制仿真軟件、接口通信工具、開源組態軟件和虛擬機平臺，幫助學生在缺少硬件資源的情況下也能順利搭建計算機控制系統進行仿真調試，培養動手能力。這些工具包括Matlab等控制仿真工具箱、Modbus等現場通信軟件、SCADA開源組態軟件、VirtuaIBox等虛擬機軟件工具等。

課程內容安排特點如圖1所示。

2.2 教學方法與手段特點

在教學方法上主要遵循的還是理論與實踐相結合，并引導學生主動創新，自主協作設計一定復雜程度的計算機控制系統。具體來說包括以下幾個方面：

（1）理論作業與課程設計相結合

針對安排的主要教學內容，以課后作業和單元課程設計的方式加深學生對知識的理解。針對計算機控系統基礎理論等內容以課后作業的形式幫助學生鞏固，打好理論基礎。其他內容以單元課程設計或者大作業的形式讓學生獨立完成，包括數字化校正設計、PID控制及參數調試、SCADA系統應用設計等內容。

（2）因材施教與創新實踐

針對學有余力的學生，鼓勵他們組成2-3人的技術團隊，分工協作完成一定規模與難度的計算機控制系統的設計與實現，并以創新實踐項目驅動方式，進行計算機控制工程項目全生命周期管理。包括系統需求、設計、編碼、組裝調試等過程，撰寫各階段設計和測試文檔，并公開接受評價。

（3）現代化教學工具

充分利用多媒體等教學工具、仿真軟件環境，向學生演示控制系統建設工具的使用過程。例如在PLC知識部分，結合西門子等廠家的公開視頻和軟件演示工具，幫助學生建立直觀映像，加快學習速度。

（4）行業背景與實操演練

大部分學生還沒有深入工業現場，除對消費類電子產品較為熟悉外，對各類行業領域的計算機控制系統的應用場景沒有直觀感受。為了提高教學效果，結合授課教師的行業實踐經驗，充分利用相關資源，整理了各類計算機控制軟硬件現場環境、工藝過程照片，結合典型計算機控制系統案例的講解向學生展示。例如物聯網智能硬件、智能家居控制系統、污水處理自動化控制系統、高功率電源控制系統等。

2.3 評價機制

采用平時作業、期末考試和創新實踐相結合的方式進行課程考核。這里重點介紹創新實踐項目考核方式。

如前所述，創新實踐項目是為了鼓勵引導學有余力的學生協作設計實現完整的計算機控制系統。創新實踐項目的小組成員可以選擇項目評分作為期末課程成績，如果對成績不滿意還可以參加期末考試，但一旦參加期末考試就必須以期末考試成績作為課程成績。

創新實踐項目的評分由評委會完成。以授課教師、學生代表為成員組成評委會，創新實踐項目成員進行答辯，評委會給出綜合評分，公示無異議通過。例如，表l設計了小組評分細則（參考）。

3 教學效果

在計算機控制技術的教學過程中，大多數同學通過課程設計等任務掌握了計算機控制系統的建設基本工具、技術和方法，一些感興趣的同學通過創新實踐項目，在大學生創新實踐、國家級省級學科競賽、專利知識產權申報等方面都取得了不錯的成績。這里列舉幾例介紹。

（1）基于通用物聯網網關設計的分布式測控系統

該小組同學的創新實踐項目設計一種可以自由組網分布式測控系統的物聯網網關。并獲得了省級大學生創新實踐項目支持，獲得了國家級學科競賽二等獎一項。

（2）面向環境監測的主動避障移動小車

該小組同學的創新實踐項目通過無線通信控制，引導智能小車主動避障、執行相應的環境監測任務。同時也獲得了大學生創新實踐項目支持，并進行了相關專利申報。

（3）其他各領域的監控系統

另外在計算機控制技術課程教學過程中，部分同學完成了一些不錯的計算機控制系統設計，例如面向農情監測的大數據平臺、污水處理自動控制系統、智能家居監控系統等。

通過這些實踐項目的鍛煉和展示，一定程度上提高了技術交流溝通能力、分析和解決問題的能力，增強了專業自信心，為他們在今后面試、就業等方面打好了基礎，積累了優勢。

4 結論

物聯網工程專業的計算機控制技術課程教學采用了“以線為主、點面結合、軟硬兼施、強弱并舉”的教學內容安排，創新項目驅動等教學方法和手段，多樣化評價等考核機制，提高了學習效率，同時兼顧了因材施教，幫助學生較好地掌握計算機控技術的基本知識，并在實踐中取得了一定的教學效果。今后在計算機控制技術的教學內容的深度和廣度上還需進一步拓展，為物聯網工程專業的培養目標提供更良好的服務。

參考文獻：

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[12]何軼，龍陳鋒，物聯網專業《操作系統》課程教學改革探索[J].現代計算機：專業版，2018（35）：71-4.

【通聯編輯：王力】

收稿日期：2019-08-26

作者簡介：沈春山（1980-），男，安徽人，高級工程師，博士，主要研究方向為計算機控制系統、嵌入式與軟件工程;王永梅（1974-），女，安徽人，副教授，碩士，主要研究方向為計算機軟件理論;焦?。?964-），男，江蘇人，教授，博士，主要研究方向物聯網、機器人和智能控制。