自動化卓越班計算機控制系統課程的改革與實踐

摘要：自動化專業是東北電力大學實施“卓越工程師教育培養計劃”的重點學科之一，計算機控制系統是自動化專業的重要專業課，具有理論性強和工程實踐性強的特點。以培養卓越工程師為目標，從理論教學內容、教學方法和手段、實踐環節等方面進行了有益的改革和探索，這些舉措有利于提高學生的工程素質和綜合實踐能力。

關鍵詞：卓越工程師；計算機控制系統；教學改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0031-02

東北電力大學作為一所以工為主、電力行業特色鮮明的省屬院校，于2011年10月入選教育部第二批卓越工程師教育培養計劃高校，自動化專業是東北電力大學實施“卓越計劃”的重點學科之一。旨在通過教育和行業、高校和企業的密切合作，以實際工程為背景，以工程技術為主線，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。[1-3]計算機控制系統、計算機控制系統課程設計、專業方向課程設計等環節為自動化專業的專業必修課，在控制理論和計算機控制技術的基礎上，面向計算機控制系統的理論問題和工程實踐需求，使學生掌握控制理論工程應用方面的基礎知識和工程實現方面的技術能力。為了積極響應東北電力大學“272工程”提出的優質課程改革與建設工程實施方案，同時以培養卓越工程師為目標，加強計算機控制類課程的建設質量，提高學生學習的主動性和積極性，培養學生的探索意識和科研能力，增強學生的職業綜合能力，針對計算機控制系統課程的課堂教學、實踐環節以及學生工程應用能力培養方面做了一些工作，現在介紹教學改革中的一些體會和經驗。

一、優化整合課程教學內容

計算機控制系統課程涉及知識面廣且集成度高，從控制算法到系統硬件，從基本理論到先進技術，從微型計算機控制系統到集散控制系統現場總線技術，既有理論方面的知識，又有實際工程應用方面的要求，要想在一門課中把這些知識點都包括進去，既不可能，又不實際。[4]為此對教學內容進行了優化整合，遵循的基本原則是理論聯系實際，兼顧基礎性和工程實用性，把控制原理和典型應用相結合、軟件和硬件相結合，并通過各個教學環節之間的緊密聯系，使學生掌握計算機控制系統的組成和特點、數字控制器設計的原則和應用技術、復雜控制規律的原理和應用場合以及計算機控制系統的硬件、軟件的選擇、配置和設計。

經過整合后，課程主要內容包括：以數字控制理論為主體，區別離散控制與連續控制的不同點；數字控制器的設計，控制算法與編程；復雜控制規律系統的設計及應用場合；計算機控制系統的設計與實現。

在課堂教學中穿插介紹應用實例，例如計算機溫度控制系統、計算機技術在電廠中的應用，讓學生將枯燥的理論知識同實際應用結合起來，從整體設計到軟硬件設計再到系統仿真與調試，使學生對計算機控制系統設計及應用有一個全面的認識。為了保證理論體系的完整性，還需要實驗、課程設計、實習等實踐環節的配合，以補充課堂上不能完全呈現的內容。

二、豐富教學手段和方法

在理論教學方面，嘗試采用基于項目的研究性教學模式，采取以問題為導向，以作業、專題研究報告、組織研討課、研究性實驗報告等為載體的探索式教學模式。[5]教學方法上，以開拓學生學習興趣，積極主動獲取知識為主，教師正確引導和總結為輔，變學生被動學習為主動學習和課堂內外多途徑獲取新知識的方式。[6]

在教學手段上，開發了多媒體課件，將傳統教學同多媒體、FLASH、網絡等現代化的手段相結合，使教學內容更加形象直觀，易于理解。另外，將仿真技術引入到教學中來，進一步豐富教學手段。仿真教學包括制作仿真型課件供課堂教學使用，編寫或利用具有仿真功能的軟件進行仿真實驗。[7]例如對設計好的數字控制器進行驗證，從理論上講解顯得很枯燥，學生理解起來也困難，可利用仿真軟件對控制系統進行仿真，學生可直觀地看到控制效果，加強感性認識。

在課堂教學中，采用知識點講授、課堂討論和測驗、工程實例分析相結合的方法，注重師生之間的雙向溝通，處理好概念與應用之間的關系，做到層次分明、精講多練。以形式多樣的大作業為載體，鼓勵學生探究式學習。[8]

第一，在教學過程中，當講解完數字控制器的設計、復雜控制系統等知識后，以大作業的形式，讓學生對課后習題進行仿真練習，一方面驗證理論計算的結果，另一方面提高學生的軟件編程能力。

第二，利用豐富的網絡資源和圖書館的數字資源，讓學生檢索查閱計算機控制技術在電廠過程控制中應用的文章，包括PID參數優化、PID在電廠熱工過程中的應用、前饋-串級控制技術的應用、Smith預估控制技術的應用等研究方向，鍛煉了學生的文獻檢索能力。

三、多層次實踐環節相輔相成

實踐環節是課程學習的重要內容，實踐能力特別是系統性的綜合實踐能力是自動化專業本科學生的必備素質之一。[9]實踐環節的設置在內容上應力求做到理論聯系實際，重視工程概念及其在實際問題中的應用，注重培養學生應用所學知識解決實際問題的能力，進而提高學生的的工程意識、工程素質和工程實踐能力。[10]本課程設置了實驗課、課程設計、實習、畢業設計和課外科技活動等實踐環節，在內容上兼顧對知識的覆蓋程度，難易程度循序漸進，做到實踐環節之間相輔相成，實現遞階性、系統性的培養模式，對理論課進行有效的擴充和延展。

1.實驗教學的改革

實驗教學采用啟發式實驗教學方式，應以工程素質為基礎，突出能力目標，以學生為主體，以項目為載體，以實訓為手段。[6]以往實驗多為驗證性的，缺少讓學生自己動手設計并調試數字控制系統，因此增設了一些軟件仿真方向的綜合性、設計性、研究型的實驗內容。根據理論課的教學進度，穿插了5個基礎實驗，包括A/D轉換、D/A轉換、數字PID調節器、純滯后補償控制系統設計和步進電機轉速控制。由實驗指導教師講解實驗臺的操作、通信接口的功能、軟件編程的技巧等，然后由學生動手搭接硬件電路完成系統連接和算法編寫，及時鞏固了理論知識，又提高了實踐動手能力。

2.課程設計的改革

課程設計是教學計劃中進行綜合訓練的重要實踐環節，它將使學生在綜合運用所學知識解決本專業方向的實際問題方面得到系統性的訓練。[10]本課程設置了計算機控制系統課程設計和專業方向課程設計兩個課程設計，分別在開課學期和大四上學期進行。為了實現課程設計的多樣性，在原來課程設計的基礎上又增設了一些設計題目。第一，以倒立擺系統和水箱為被控對象進行控制系統的設計，并通過MATLAB軟件進行編程仿真驗證控制策略的有效性；第二，利用單片機設計并開發能自動循跡和調速的電動小車控制系統，完成硬件電路的設計、軟件設計和實物制作等。在專業方向課程設計中，與計算機控制技術相關的方向有計算機控制方向、DCS方向、過程控制方向等，學生可根據興趣選擇不同的方向完成課程設計。例如，計算機控制方向要求學生根據給定的性能指標設計一個離散控制系統，并采用MATLAB仿真從時域和頻域對比校正前后系統的性能，分析得出結論。通過課程設計的合理設置，達到了“軟硬兼施”的目的。

3.畢業設計和實習

理論課、實驗課和課程設計學時有限，要想全面提高學生綜合實踐能力和計算機控制技術的應用能力，還需要通過畢業設計和實習等實踐環節進一步強化。通過數字PID控制算法及仿真研究、電廠鍋爐燃燒模糊控制系統的設計、神經網絡在PID控制器參數整定中的應用、基于PLC的火電廠輸煤程控系統設計、基于單片機的交通燈控制系統設計等綜合性畢業設計題目，讓學生得到更全面的鍛煉。

自動化工程學院與國電吉林熱電廠、豐滿發電廠等企業建立了良好的合作關系，在大四下學期學院組織學生去企業參加認識實習，同時到學校電力運行仿真中心進行仿真實習，使學生熟悉電能生產、輸送的整個過程，了解電廠 DCS系統的組成和運行，對過去所學的專業知識能夠進一步加深理解和融會貫通，也得到了操作技能的訓練，畢業后能很快適應生產現場的需求。

4.開展豐富的課外科技活動

在“以教師為主導，以學生為主體，以政策為導向”的指導思想下，學院在2007年成立了自動化創新實踐基地，下設創新制作研究室、建模與仿真研究室、機器人研究室和炎火工作室四個研究室，組織學生開展了豐富的課外科技活動。在教師的指導下，學生們充分發揮了創造力和想象力，靈活地運用了本門課程中學到的知識，如數字控制器的設計、先進控制算法的仿真、單片機測控系統的設計等。建模與仿真研究室指導學生使用MATLAB軟件編程實現數字PID參數的整定、控制系統的數字仿真等，同時讓學生提前學習先進控制算法，如模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法等用于控制系統的設計。另外指導學生進行PLC程序設計，參加全國西門子杯工業自動化挑戰賽，使學生開拓了視野。創新制作研究室指導學生進行單片機測控系統設計，參加全國挑戰杯科技作品大賽、全國大學生電子設計競賽并取得了較好的成績。

四、結束語

計算機控制系統課程有著更新快、實踐性強的特點，因此對于課程內容、教學方法、實踐環節等的改革是永無止境的。雖然在計算機控制系統課程改革中取得了一些成績，積累了一些經驗，在今后的實踐中會進一步探索和完善該課程的授課模式，豐富理論授課內容，引入更多的工程實例，強化實踐環節讓學生得到更多的鍛煉。在學?！白吭接媱潯钡呐囵B目標下，要面向企業，樹立理論聯系實際的思想，強化實踐教育，注重工程實際應用，及時更新教學內容，積極創新教學方法和教學手段，為培養合格的高素質的卓越工程師奠定基礎。

參考文獻：

[1]宋佩維.卓越工程師創新能力培養的思路與途徑[J].中國電力教育，2011，（7）：25-27，29.

[2]王少懷，劉羽，黃培明，等.實施“卓越工程師教育培養計劃”打造“雙師型”教學團隊[J].中國地質教育，2010，（4）：63-65.

[3]盛朝強，謝昭莉，柴毅.培養自動化卓越工程師初探[J].長春工業大學學報（高教研究版），2011，32（3）：8-9，49.

[4]張德江，于微波，賈文超.教學與教研互動 教法與學法共融——“計算機控制系統”國家精品課建設的體會[J].中國大學教學，2007，

（10）：29-31.

[5]張安富，劉興鳳.實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].高等工程教育研究，2010，（4）：56-59.

[6]王永東.“卓越工程師”培養目標下無機化學課程教學的思考[J].東莞理工學院學報，2011，18（5）：114-116.

[7]李祥飛，張昌凡.“計算機控制系統”課程教學方法探討[J].中國電力教育，2010，（12）：85-86.

[8]邢航，張鐵民.“計算機控制技術”教學改革探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：370-372.

[9]溫淑惠.計算機控制技術實驗教學改革初探[J].教學研究，2010，

33（6）：59-61，85.

[10]魏東，陳一民.計算機控制系統課程設計教學環節研究[J].實驗室研究與探索，2005，24（S1）：219-223.

（責任編輯：王意琴）