與專業培養方向相結合的專業技術課程改革探討

羅 勝 馬 光 周宏明 鄭蓓蓉 葉忻泉

【摘要】針對機械自動化專業在《計算機控制技術》課程教學中的一些問題,從宏觀的教學體系設計、教學內容厘定、教學實踐方式,到計算機輔助設計及仿真手段等等方面進行分析、討論,以加強與專業方向的對接為手段,力圖使《計算機控制技術》課程規范化,培養出富有專業特色和具有動手能力的學生。

【關鍵詞】教學改革;課程建設;計算機控制技術;專業特色

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2009)08—0117—03

引言

計算機控制系統是以計算機為工具實現的控制系統,培養控制系統的系統觀念是課程的核心,但是實現方法不同于連續時間控制系統。因此,這門課程仍應以離散控制理論為線索,以離散控制理論如何采用軟、硬件實現為主要內容,與連續控制系統對比的方式進行教學,以認清因手段不同而產生的系統實現方式的變化以及由此而產生的其它一系列問題,如采樣周期、振鈴現象等。有的教師在講授這門課程時,主要是在微機原理及應用課程的基礎上增加一些通道和微機系統設計及其工業控制方面的應用,側重點在微機系統設計。而對離散控制理論則只講述一些基本定理和PID 等較為直觀的基本算法,對這些算法的導出不做系統介紹。對于微機與控制的結合,除了講述采樣程序外,重點介紹常用數據處理程序,而對數據處理的依據以及人對信號的影響則不涉及。從教學目的看,客觀上這種方式直接向學生傳授了許多具體問題的實際處理方法,使學生在畢業設計及畢業后的工作中能很快進入角色。但這種方式也有很明顯的弊病,對很多問題及方法,學生知其然不知其所以然,基本理論的欠缺使學生在進一步的學習和提高中顯現出先天不足,底子虛,后勁不大。學生難以理解控制理論與計算機的結合點,掌握不住這門課程的精髓,只當作《微機原理》的應用篇去學習。

一課程教學改革的設計思路

《計算機控制技術》有其自身的理論基礎和實踐技巧。數字控制器設計是計算機測控的核心,軟硬件技術是計算機控制技術手段,現場總路線是其連接擴展的方式。數字控制器的核心是數字信號分析與處理,基礎是拉氏變換和Z變換,主要內容是數字PID、數字濾波、最少拍無差系統、Simth算法和達林算法等,擴展后可涉及模糊控制、神經網絡等內容。這部分內容理論性較強,在實踐應用中需要Matlab作為輔助設計手段,在教學中也需要用Matlab仿真檢驗數字控制器的效果。因此如果能在課前開設Matlab課程,本課程中輔助加入一些Matlab輔助控制器設計內容,能有效提高本課程學習的效率。而AD和DA原理及芯片的使用,開關量的輸入與輸出,顯示器、鍵盤與電機的接口等內容則面向實踐,分成軟件編程和硬件接口兩個方面,軟件編程通常用匯編或者C語言,硬件接口與數字電路和接口技術相關,強調動手操作。現場總線則偏重于應用。因此,這門課程的內容看似蕪雜,其實自成體系,教學內容豐富而且彈性極大。電類專業開設的這門課程以微型計算機(單片機等)系統為主線,以微機應用于控制系統的方法及軟、硬件實現為形式,了解與掌握應用為其主要目的;而計算機應用專業開設這門課程,其主體應為計算機實現控制的原理與方法、用于控制系統的高可靠性計算機的硬件及接口設計、實時操作系統軟件的特點與編制原則,并以適量課時用于應用與實例介紹。機械自動化專業的本門課程教學,應根據教學目的而采用合適的教材,針對兩個系統進行教學,開設以“系統”為特征的綜合實驗。

如果課程以數字控制理論為主體,在理論的應用中介紹微機控制方式及其具體實現,涉及到微機的內容重點介紹在微機原理及應用等課程中所未講授的,形式上則以應用控制系統出現。這種方式為學生打下了較堅實的理論基礎,特別是應用日益廣泛的離散控制理論的基礎,但對于應用類專業學生,同時也表現出它的一些缺陷。最為明顯的是由于減少了微機方面的比重而使學生在具體應用中很難適應,特別在系統設計時更是如此。這種情況在畢業設計過程中就可以表現出來。授課內容側重離散控制理論,學生在面對實際問題時,如果沒有良好的微機原理基礎就很難掌握系統的設計與應用。

二具體的教學改革內容

1 有機自專業特色的控制類課程教學體系

《計算機控制技術》課程從應用角度出發,密切結合工業自動化實踐, 是機械工程及自動化專業的主干課程之一,以在《自動控制原理》課程中沒涉及到的、計算機相關的控制技術為主要內容。它的主要任務是通過各個教學環節運用各種教學手段和方法,使學生掌握數字控制器的基礎知識、基本應用技術;掌握計算機控制系統的硬件、軟件的選擇、組織、配置和設計;了解現場總線技術的基本概念,掌握一至二種典型應用系統;貫徹理論聯系實際的原則,把硬件和軟件結合、控制原理和典型應用結合,以利學生掌握計算機控制原理和應用技術的完整知識。

提高《計算機控制技術》的教學效果,要求學生熟練掌握的專業知識較多,包括《電工電子學》、《控制理論》、《網絡技術》、《單片機原理》等專業課程。所以《計算機控制技術》課程的開課時間應晚于上述課程。這樣,《計算機控制技術》理論講解的重點可放在控制系統的離散化理論、控制系統總體的工業控制系統原理和設計上,大大減少理論講授所需的時間。而《PLC技術》、《電機與拖動》和《傳感器技術》等課程可以同時開設,也可以在之前或者之后都沒有太大的關系。

《計算機控制技術》以經典控制理論和現代控制理論為基礎,總線式工業控制機為控制工具,微機硬件技術和軟件技術為手段,系統的工程實現為目的,從而做到理論、技術與實際應用相結合,理論與實踐并重,綜合性較強,應該后續開設《計算機控制技術》課程設計,綜合應用所學知識,鞏固教學效果[1]。

2 有機自專業特色的課程內容設定

與內容豐富、綜合性強、對學生要求較高相反,課時逐年減少。對于機械電子專業,筆者擬定的教學內容時只能把大量的外延擴展內容放在課外,課內教學內容濃縮,大致如下:

(1) 輸入/輸出通道接口技術(8學時)

本門課程之前,開設了《電工電子學》和《單片機原理》,講授最基本的數字電路和單片機軟硬知識,但沒有接觸過由器件搭配接口及用程序控制生產,開始時學生都有些不適應。這部分內容講解如何使用器件實現某個功能,以典型常用的硬件,如ADC0809、鍵盤、觸摸屏、DAC0832、LED、開關量輸入輸出接口等作為例子介紹工作原理、使用方法和技術細節問題。有了這種訓練以后,學生以后可以通過查閱用戶手冊的方法在較短時間內熟悉其它硬件的使用。

(2) 順序控制與數字程序控制(5學時)

順序控制在《PLC技術》中有詳細的講解,在此部分側重于綜合介紹順序控制的特點、種類、思路和應用場合。數字程序控制是數控技術的基礎,學生在以前的學習或者生活中對數控機床接觸得很多,這部分的內容容易引發學生的學習興趣,并且會自覺地把理論和實際聯系起來。

(3) 數字控制器的設計(16學時)

這部分在講授在數字信號采樣和處理的基礎知識后,主要學習實際生產過程中廣泛應用的控制算法,如數字PID 算法、最少拍控制算法等。對于理論性較強,而實際生產過程中使用較少的算法,如Dahlin算法、Smith 預估控制等,則只做簡單介紹,使學生對其有一個初步的認識即可。

(4) 先進控制技術(8學時)

對于近年應用于實際生產過程的智能控制算法如模糊控制、現場總路線等內容,作為次重點講授,以提升學生對新技術的興趣,引導其入門。

(5) 計算機控制系統的設計(7學時)

抗干擾是生產現場必須要注意的一個重要事項,是本課程實用性的一個體現。本章重點有二個,一是抗干擾技術,二是如何從設計要求搭建系統滿足生產需要,包括器件選型、控制器設計、接口制作和程序設計。抗干擾技術包括光電隔離、濾波、屏蔽、接地、軟件陷阱、看門狗等方面,是其它課程教學中沒有涉及到的,或者沒有系統講解的內容。

3 關于輔助控制系統設計工具MATLAB的教學安排

在工程實際中,控制系統的結構往往很復雜,如果不借助專用的系統建模軟件,則很難準確地把一個控制系統的復雜模型輸入計算機,對其進行進一步的分析與仿真。與計算機輔助機械設計的CAD軟件已經是機械工程師不可缺少的基本技能一樣,輔助設計和仿真的手段已成為系統分析、研究、設計及人員訓練的不可缺少的重要手段。借助于控制方面廣泛應用的MATLAB系統和系統仿真技術,結合《計算機控制技術》課程的教學環境、要求以及工程實際,開設《MATLAB輔助設計和仿真》課程。該課程可使學生根據系統的工藝和控制要求設計數字控制器、選擇控制參數以及編制控制軟件,并在計算機模擬實驗系統上進行實驗,觀察控制效果,提高課程的教學質量,增強學生解決實際工程問題能力。對于目前環節性實驗過重、系統性實驗沒條件開展的情況,系統仿真是一個有效的教學方式,也能節省大量實驗設備的投資。

但是如果把MATLAB放入《計算機控制技術》課程內的話,在目前教學內容已經十分豐富、課時量逐步減少的情況下比較困難。如果把MATLAB的內容單獨開設為選修課程,與《計算機控制技術》同學期進行,也可以取得較好的效果。

4 結合專業方向的擴展課堂教學

在教學改革中,結合機自類專業人才培養目標,面向科學技術前沿、面向未來,將教學內容分重點、次重點、理解、了解、延伸擴展、實踐動手等層次,把基礎的、必須的內容放在課堂內,將延伸擴展的教學內容、實踐動手的指導手冊放在課外。延伸擴展的教學內容包括相關的最新科學技術,如LCD、觸摸屏神經網絡、人工智能等。將匯編程序設計、MATLAB輔助數字系統分析和設計等一部分設計成課件,放在實踐動手部分;一部分作為擴展材料供學生課外閱讀。編寫《計算機控制技術》實驗臺的實驗指導書和實驗報告書。編寫課外實踐動手指導手冊,內容分成電路設計制作、器件識別使用、程序編寫調試三個部分。將理論部分、器件部分和實踐部分合理搭配,將理論部分的掌握內容、了解內容、擴展閱讀內容合理分布,選擇較新、常用、有代表性的器件進行介紹,淘汰市場上已經很少出現的器件的說明,將配套的實踐指導內容適當地分配在教案、課件、實驗指導書和課外實踐動手指導手冊上,給學生以更寬松的環境、更大的自由柔性空間,既讓學生有主次地掌握課程內容,又給學生的自由發展作了一定指導。

5 注重實踐的教學改革

《計算機控制技術》是門實踐性很強的課程,完成課程后學生應當具有系統性的綜合實踐能力。本課程無論是理論部分還是實踐部分,都不應僅作為純理論知識來講授,而應強調應用為目的,應該注意與生產生活實際相結合,與學生已接觸到的一些設備或者現象為案例。例如,結合數控機床的計算機控制系統分析與設計的實例,對于前向通道,可以完成傳感與檢測、濾波與放大、模數轉換以及開關量輸入等內容教學;對于后向通道,結合模擬量與數字量的輸出、隔離與驅動,可以使學生學習到從簡單的開關量控制(如閥組、接觸器等)到復雜的模擬控制(如速度、位置與伺服系統等);而通過對整個系統的分析與設計,可以使學生學習到傳遞函數離散化、控制算法設計、計算機硬件與軟件的實現等內容[2]。此外,如工業機器人、物料傳輸系統、汽車的各種微機控制系統等都是本門課程的實例典范。這樣不但讓學生對某一方面有比較深入的理解,還體現了課程間的連貫性。

在其它工科院校以及本校以前的教學中,《計算機控制技術》課程一般采用課堂教學和實驗這兩種傳統方式進行教學,課堂教學傳授基礎知識,實驗幫助學生認知、有助于理解和提高應用能力。實驗課一般一次課兩個課時,一次課檢驗和掌握一到二個主要知識點,偏向于環節性、檢驗性的簡單內容,對于鍛煉創新意識,提高工程實踐能力,掌握創新設計方法,是不夠的。尤其針對于《計算機控制技術》這種以搭建系統為目的的課程,設計、制作一個案例不可能在二至四個課時內完成,實驗課難以達到目標。如果能給學生提供第二課堂,開展課外設計制作活動,引導學生申報學生課題,積極參與教師的科研課題,鼓勵學生動手制作實物,對工廠企業、展覽會或者日常生活的機電設備進行調研、原理動作分析和仿制,開展科技小發明活動,則能充分發揮學生的創造性,提高學生的綜合素質。改革學習效果評價手段也要相應地變化。允許學生用自制實物、調研報告、設計制作報告,甚至創意作為課程學習效果的評價手段。這樣可以突破以往的封閉式教學方法,使機自類專業的學生自己動手掌握相關的機電一體化知識,經歷從機電一體化系統裝置的設計到制作,完成整個過程,培養了創新能力、想象力和科學技能[3][4]。

三總結

經過改革,《計算機控制技術》課程教學取得了良好的效果,做到理論、技術與實際應用相結合,突出機電專業方向,把各個教學環節協調一致,減輕學生的學業負擔,提高學習效率。隨著擴展課堂教學的開展,學生感到課程的核心內容更清晰,更能準確把握,而擴展的學習內容更靈活豐富,學習積極性得到了進一步的發揮。把典型的機電工程案例結合進教學內容后,學生綜合運用知識的能力有所增強,視野得到拓展,控制系統的系統觀念得到明顯改善。