“計算機控制系統(tǒng)”課程教學改革的探索

摘要：從高水平應用型人才的培養(yǎng)目標出發(fā)，對“計算機控制系統(tǒng)”課程的教學改革進行了探索。以提高學生實踐能力為導向，從理論和實踐教學的教學內容、教學方法和教學評價體系等方面進行了多層次、系統(tǒng)化的改革與實踐。教學實踐結果表明，學生的學習熱情和工程素養(yǎng)有較大提高，教學效果良好。

關鍵詞：計算機控制系統(tǒng)；教學改革；課程設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0059-02

隨著我國經濟的快速發(fā)展和科技水平的顯著提升，社會各個層面的競爭日益激烈，越來越多的用人單位對大學生的綜合素質提出了更高要求。不但要具有扎實的理論基礎，還要具備較好創(chuàng)新能力和實踐動手能力。東莞理工學院（以下簡稱“我校”）地處廣東省東莞市是加工制造業(yè)十分發(fā)達的地區(qū)。隨著地方經濟的升級轉型，各個企業(yè)對于綜合能力更強的應用型人才的需求也在增加。因此，我校緊密地與當?shù)噩F(xiàn)狀相結合，提出建設高水平應用型地方大學，為地方經濟發(fā)展培養(yǎng)適合人才發(fā)展的戰(zhàn)略，在培養(yǎng)過程中更加注重創(chuàng)新能力和實踐能力的提升。

“計算機控制系統(tǒng)”課程是自動化、電氣工程及其自動化等相關專業(yè)開設的專業(yè)主干課程，具有很強的實踐性和應用性[1]。該課程以微機原理與接口技術、傳感器與檢測技術、自動控制原理等課程為先導，同時又為后續(xù)專業(yè)課程如運動控制系統(tǒng)、高級過程控制等課程提供重要的理論和技術基礎。在本專業(yè)課程體系中是聯(lián)系專業(yè)基礎課程和專業(yè)實踐課程的紐帶，具有承上啟下的作用。因此，如何有效根據(jù)應用型人才的培養(yǎng)目標和要求，并基于本課程自身的特點來完善和優(yōu)化教學工作，最終達到提高學生的工程意識和工程素質的教學效果，這其中有很多方面值得探索和改進。

一、課程定位與教學目標

我校屬地方工科院校，以培養(yǎng)高水平應用型人才作為主要目標。應用型大學的教學定位，就是以適應社會需要尤其是生產、建設、管理、服務等第一線需要為目標，以培養(yǎng)學生的技術應用能力為宗旨[2]，因此特別強調要提高學生的動手能力和解決生產一線問題的能力。

目前，計算機控制系統(tǒng)這門課程的內容主要包括計算機控制系統(tǒng)基礎理論、計算機控制系統(tǒng)設計和實際系統(tǒng)工程實現(xiàn)技術等三方面的內容[3]。通過這門課程的學習和訓練，要求學生能根據(jù)給定的控制任務，正確選擇控制系統(tǒng)的硬件、軟件、外圍設備、接口通道并設計合適的控制規(guī)律，從而將計算機、傳感器、過程通道和輸入輸出接口、執(zhí)行機構、軟件程序組成一個統(tǒng)一的整體，構成一套滿足控制要求的計算機控制系統(tǒng)[4]。

可以看出，這門課程涵蓋的知識內容非常豐富，對學生基礎理論的掌握和實踐能力均有較高的要求，這也與高水平應用型大學的培養(yǎng)目標相一致。因此本課程的教學模式改革要以提高學生綜合實踐能力為導向，通過合理安排理論和實踐的教學內容，采用合理有效的教學方法來進行。

二、教學內容改革

教學內容的合理優(yōu)選和精心安排是提高教學質量的重要基礎，因此如何確定理論教學內容的深度和廣度，調整好理論基礎與實踐應用的關系，是確定課程內容時首要解決的重要問題[5]。

1.教學內容總體框架

在保證教學目標和應用型大學的培養(yǎng)目標相一致的前提下，基于學生的專業(yè)背景、先修基礎、專業(yè)基礎課程的掌握程度以及本課程自身的特點，筆者在教學內容構成，學時分配以及教學資源獲取與使用等方面進行了一些探索和嘗試。

本課程教學內容的總體框架由兩部分構成，分別為教學部分和課程設計部分。其中，教學部分為3學分（48學時），課程設計部分為2學分（1個學期的非集中時間完成）。教學部分又分為理論教學（32學時）與實驗教學（16學時）兩個環(huán)節(jié)。本課程教學內容安排在大三下學期，學生在經過課程學習后，在大四上學期一個學期內獨立完成課程設計的內容。實驗教學和課程設計又同屬實踐環(huán)節(jié)。

2.理論教學內容

從現(xiàn)有計算機控制系統(tǒng)教材的調研結果來看，教學內容和教材編排主要分為離散系統(tǒng)基礎理論、計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術、計算機控制系統(tǒng)應用設計等三大塊，其中計算機系統(tǒng)應用設計又可大致分為面向自動控制和面向過程控制兩類。不同教材中三大部分的比重和所覆蓋的知識內容各有不同。總體上看，該課程所涉及的理論內容較為繁雜且與其他專業(yè)基礎課和專業(yè)課在內容上有重疊和交叉。因此必須結合具體的教學目標對教學內容有所取舍。

基于此，我們根據(jù)課程定位和教學目標，堅持基本理論和工程應用并重的原則對教學內容進行了篩選。主要表現(xiàn)在：保留離散控制系統(tǒng)的相關部分，舍去與信號與系統(tǒng)、自動控制原理和微機原理與接口技術等課程相重疊的部分；完全刪去嵌入式系統(tǒng)設計和可編程控制器原理與應用課程（此兩門課程在時間安排上為本課程的先修課程）的相關內容；在計算機控制系統(tǒng)應用與設計部分中緊密結合工程背景和地方產業(yè)特色，將面向自動控制和面向過程控制的內容進行合理規(guī)劃和整合，突出各自的重點和彼此之間的聯(lián)系。

3.實踐教學內容

應用型大學教學的核心環(huán)節(jié)是實踐教學，因此研究并設置與工程實際密切聯(lián)系的實驗教學內容和課程設計題目是本課程教學改革的重點。為使學生能更好的將理論與實際相結合，并開拓學生的創(chuàng)新思維能力，我們根據(jù)調整優(yōu)化后的理論教學內容對實踐教學進行了一些探索和嘗試。

根據(jù)圖1可看出實踐環(huán)節(jié)包括實驗教學和課程設計兩部分，其中實驗教學又包括仿真實驗和綜合實驗兩部分。實踐環(huán)節(jié)的總體構成呈現(xiàn)一種層次化和階梯式的結構，學生從仿真實驗過度到自行完成課程設計，可以循序漸進地對相關理論和技術進行理解和深化。仿真實驗基于Matlab/Simulink仿真平臺進行，目的是讓學生驗證離散控制系統(tǒng)的基礎理論，使學生對控制系統(tǒng)的構成、工作原理和控制效果有一個感性的認識；綜合實驗所選的內容都是工程中的實際課題，具有明確的應用背景，有利于學生了解計算機控制系統(tǒng)的實際作用，提高學生的學習興趣[6]。綜合實驗的設置目的是讓學生可以自己動手去設計和調試系統(tǒng)，在實驗過程中掌握控制系統(tǒng)的基本設計方法和調試手段，并能針對實際調試過程中遇到的問題進行思考，分析并提出有效的解決方案。在理論教學和實驗教學的基礎上，學生已基本具備分析、設計和調試系統(tǒng)的能力。接下來學生將根據(jù)個人興趣，從課程設計題庫里選擇一個題目來完成。

課程設計的重點是要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，為學生未來繼續(xù)深造或從事相關工作提供更好的平臺和幫助。因此，在課程設計的題目設置方面，我們更多考慮如何充分調動學生的能動性，使每個學生在完成課程設計的過程中針對具體控制任務，從方案選擇、軟硬件設計到系統(tǒng)調試的全過程都能提出自己的見解和解決方法，培養(yǎng)學生的獨立思考和工作能力。如果多個學生選擇了同一題目，則鼓勵學生采用不同的方案來實現(xiàn)，拓展學生的思維。

目前，我校與西門子公司共同建設了西門子先進自動化聯(lián)合示范實驗平臺，該實驗平臺包括PLC控制實驗室、變頻控制實驗室、過程控制實驗室、伺服控制實驗室和柔性制造系統(tǒng)實驗室等，較全面地覆蓋了本課程所涉及的理論與應用內容。基于該平臺設計了具有豐富工程應用背景、難易適中、應用性廣的課程設計題目，如表1所示。

學生在完成課程設計后要求提交控制系統(tǒng)設計方案（包括系統(tǒng)構成、系統(tǒng)結構圖、設備接線圖、I/O分配等）、設計程序、調試結果及系統(tǒng)使用說明等材料，并組織學生和本專業(yè)教學團隊的老師進行答辯。

目前，本課程相關的所有實驗室均實行開放式管理，為學生提供更好的學習環(huán)境。在課程設計結束后，還會推薦一些特別優(yōu)秀的學生參加如“挑戰(zhàn)杯”、“西門子杯工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽”等競賽活動，并鼓勵學生積極參與老師的研究課題進行科技創(chuàng)新和在隨后進行的畢業(yè)設計過程中繼續(xù)深入學習，從而形成一種遞進式的教學培養(yǎng)模式。

三、教學方法改革

合理的教學內容安排和實踐環(huán)節(jié)的設置需要輔以積極有效的教學方法。在本課程的實踐教學過程中主要從以下幾點進行改進。

1）在理論教學方法方面，積極采取能充分激發(fā)學生求知欲望和參與熱情的教學方式，改變學生被動學習的現(xiàn)狀。在授課過程中注意學生的反饋信息，并及時設問引起學生進行思考；鼓勵學生課后利用網絡，學術資源數(shù)據(jù)庫進行學習素材的檢索和搜集，并制作成PPT在課堂上進行講解，老師和學生共同進行討論和分析。

2）引入案例型教學方法，通過在課題上引入從多種渠道收集到的計算機控制系統(tǒng)工業(yè)應用的現(xiàn)場圖片和真實案例來擴大學生的視野，使學生能夠更清晰地了解所學知識與生產實際相結合的方向與方法，并努力培養(yǎng)工程師所具有的相關專業(yè)素質。

3）在學生興趣培養(yǎng)方面給予特別的重視。依托我校西門子先進自動化實驗平臺，設置校內自動化競賽，由3～5名同學組建一個小組，在4天內去完成競賽題目，給學生足夠展示個人能力的空間和機會，增強體驗并積累經驗，并在學生之間形成一種競爭——合作的氣氛，讓每一個參賽學生都能獲得充實感和成就感。同時，能培養(yǎng)同學的團隊合作意識和能力。

四、教學評價體系改革

為凸顯實踐能力的重要性，在教學評價體系方面也要改變過去單純依靠期末考試來評定的局限。因此，需要積極探索和推行新的考試評價制度，建立以考核能力為核心的考核機制。我們在教學評價方面主要從理論學習和實踐應用兩方面進行評價。其中，理論學習部分主要通過平時課堂測驗（一個學期隨機進行3次，兼有隨機簽到的作用，以杜絕學生無故曠課的現(xiàn)象）和期末考試來評定，課堂測驗占總比重的30%，期末考試占總比重的50%。實踐應用方面的評價分為實驗環(huán)節(jié)和課程設計環(huán)節(jié)兩方面。實驗環(huán)節(jié)主要通過實驗報告來評價，占總比重的20%，與理論學習部分共同構成該課程的期末總成績。課程設計環(huán)節(jié)主要通過課程設計報告、系統(tǒng)實際運行效果和答辯情況進行綜合評價，評價合格后才能獲得相應學分。

五、結束語

通過對教學內容、教學方法和評價體系等方面的改革進行探索，并經過3屆6個授課班級的教學實踐，本課程的教學取得了良好的效果。在充分利用實驗平臺的基礎上，做到理論、技術與實際應用相結合，學生學習積極性有很大提高，綜合運用知識的能力進步明顯。今后將繼續(xù)探索新的教學思路和教學方法，積極培養(yǎng)學生的工程師能力和綜合素質。

參考文獻：

[1]楊蜀秦，郭文川.“計算機控制技術”教學改革實踐[J].中國電力教育，2011，（26）：88-89，93.

[2]孫曉娟.電氣工程及自動化專業(yè)計算機控制技術課程教學方法研究[J].中國教育技術裝備，2011，（24）：54-56.

[3]高金源，夏潔.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，

2007.

[4]周西峰.“計算機控制系統(tǒng)”課程教學改革的思考與實踐[J].中國電力教育，2012，（29）：73-74.

[5]鞠陽.計算機控制技術課程教學方法改革探索[J].南京工程學院學報（社會科學版），2007，7（1）：45-47.

[6]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(tǒng)”國家精品課建設的體會[J].中國大學教學，2007，（10）：29-31.

（責任編輯：劉翠枝）