網絡化控制系統實驗教學模式改革

謝昊飛， 蔡龍騰

(重慶郵電大學 自動化學院， 重慶 400065)

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網絡化控制系統實驗教學模式改革

謝昊飛， 蔡龍騰

(重慶郵電大學 自動化學院， 重慶 400065)

針對現有的網絡化控制系統課程中存在的實驗系統成本高、內容不合理和實驗效果不理想等弊端，論文對其實驗教學模式進行了全方位的研究。首先梳理了課程重難點內容，結合它們的內部聯系設計了符合課程要求的實驗；接著提出了交叉課程協作實驗教學方法，構建了綜合性強的實驗教學平臺；最后融合了實驗的過程監督和交叉答辯考核，推進教師教學過程和教學效果的監督考核機制。3年的課程實驗教學表明：網絡化控制系統實驗教學質量和學生的實踐創新能力得到很大提高，實驗教學模式改革取得很好的教學效果。

網絡化控制系統； 實驗教學平臺； 協作教學

0 引 言

網絡化控制系統(NCS)是工業數據通信領域的一次技術變革，網絡化、開放化、智能化和集成化是其特點[1-2]。20世紀90年代中期以來，NCS技術得到快速發展，在機械制造、石油化工、工業自動化等領域得到廣泛的應用。國內外高校也開始啟動了相應的課程，以滿足市場需求。作為一門新興的課程，它的內容十分廣泛，涉及計算機控制、自動控制原理、網絡通信等多門學科。與其相關的實驗教學也存在諸多的問題：①構建實際的實驗系統成本高，但是課程原理性展示不強[3-4]；②現有實驗內容，操作性過程多，自我設計內容少，難以達到讓學生掌握課程重難點內容；③課程實驗課時是十分有限，但是網絡化控制系統一些實驗難以在短時間內完成；④實驗課程教學效果缺乏有效的監督考核機制[5-6]。

本文將從實驗教學內容體系、教學方法、實驗平臺設計和實驗教學的監督考核機制進行探討，突出學生和教師雙主體，增強學生發現問題、解決問題的能力，加強學生自我進行控制系統的設計能力。

1 課程實驗教學內容體系改革

網絡化控制系統課程主要教學內容有現場總線基金會總線FF、過程自動化總線PROFIBUS、樓宇自動化總線LONWORKS、汽車電子領域的CAN總線、集散控制系統DCS、工業以太網、工業無線關鍵技術和系統集成等內容[7]。由于每個教學模塊所涉及的實驗系統都十分昂貴，通常來說課程往往一種模塊為原型來構造實驗系統。而且鑒于工業網絡化系統主要面向用戶需求來進行開發和設計，因此即使購買到相應的系統，實驗往往也是以操作和參數配置為主[8-10]。很顯然，目前這種實驗不僅難以覆蓋網絡化控制系統的教學內容，且空洞的操作性實驗也很難達到理解課程的重難點的目的。

雖然課程教學模塊涵蓋內容很廣，但仔細分析其教學內容，仍然能夠找到教學模塊與各個知識點的內部聯系，如表1所示。

表1 教學模塊與各個主要知識點關系

在日常課程教學發現，表1中的介質訪問(確定性通信)、應用服務、用戶功能和功能調度是難點，學生在學習時候都會遇到比較大的困難。學生在實際實驗學習中，還有一個比較難以評估實驗效果的問題是未有一個網絡化控制系統的性能評估的工具，因此設計了如表2所示的實驗教學內容。

表2 實驗課內容及要求

2 實驗教學方法改革

2.1 課程實驗協作教學模式

完成表2所涉及的內容深度和廣度，8學時的實驗教學安排顯然是不夠的。結合學生實際實驗教學的效果，本課程改變了僅靠8學時實驗課時的教學模式，利用創新實驗、綜合設計、課程設計、課后練習等多種途徑協作推進實驗的教學，以彌補課時的不足，同時也與其他課程共同完成實驗教學。課程實驗教學總體關系如圖1所示。

課程基礎實驗主要是工業數據通信驅動設計；課程作業實驗主要有確定性通信MAC訪問內容，它主要是課程相關的非破壞性位仲裁技術、通信調度實體等內容；課程綜合性實驗主要有網絡化控制協議棧設計或者應用服務API設計模塊；涉及到功能調度算法、功能塊應用進程和系統仿真性能評估，則需要和其他課程共同來完成實驗的設計。本課程的8學時主要留給課程基礎實驗和綜合性實驗，其他課時則通過課程作業和其他實驗實踐時間來補充。此外，課程還加強與科技創新小組或企業的聯系，聯合進行創新設計，以進一步加強對本門課程前沿動態和實際工業應用的理解[11-12]。

2.2 教師的雙師型培育

本門課程一個重要特點就是內容繁多，而且工業應用性十分強。如果里面許多知識點未能有實際開發和設計經驗，對實驗內容存在的問題很難提供指導。在這門課程中提高教師實際科研和項目開發或設計水平，開展雙師型培育工作，突出教師和學生雙主體，提高實驗教育水平有效方法。

同時，本課程也要求教師既要進行理論教學，又要從事實驗教學，避免傳統的理論教學和實驗教學老師分離的現象，從而確保教學連貫性和一致性，提高實驗教學的效果。

3 實驗教學平臺構建

目前市面上與本門課程相關的實驗，大部分僅僅針對課程中某一個教學模塊，而且大部分僅僅提供操作性指導的驗證性實驗，從前期的教學效果來看，情況十分不理想。因此有必要構建一個適合大三、大四學生(或者研究生)學習實驗教學平臺。實驗教學平臺如圖2所示，它共有三個實驗區：物理試驗區、仿真實驗區和共性實驗區。

(1)物理試驗區針對具體的芯片等硬件來進行課程實驗，主要提供驅動開發。

(2)仿真實驗區則提供基本的TrueTime工具使用實驗，EDF、RM等常規調度案例實驗等內容，它一個重要特點就是能提供對網絡化控制系統設計時候性能分析。而物理實驗區，對于具體性能參數分析，只能解決額外昂貴的測試工具來完成，通常實驗平臺不提供這種工具[13]。

(3)共性區提供了一些協議棧具體開發、功能塊調度和應用設計等較難的實驗內容，雖然物理實驗區和仿真實驗區要求開發語言不通，但是其核心原理和算法是相同的[14]。

此實驗教學平臺帶來最大的好處就是靈活性強，教師可根據需要和實際的課時安排來調整實驗內容，而且具有其他實驗平臺未有的性能評估分析功能。

4 實驗教學的監督考核機制

本門課程實驗教學的監督考核主要體現兩個方面：

(1)在傳統的實驗教學考核的基礎上，融合實驗的過程監督和交叉答辯考核，督促學生嚴肅教學過程，公平公正全面評估學生對課程知識應用能力。傳統考核主要檢查學生對知識的記憶，而忽略了分析和解決問題的能力得評價，同時忽略對學生的評估。因此改革后的教學監督考核機制，首先建立全面的過程監督，了解學生在實驗或者課程設計或是其他實踐教學過程存在的問題，同學生一起共同探討問題。涉及到綜合類實驗教學，則啟動了答辯考核的機制，上課學生分配給不同的課程答辯組教師，指導教師不能參加本指導團隊的學生，參考本科畢業設計模式，開展實驗教學的考核。

(2)推進教師教學過程和教學效果的監督考核機制。為此，課程組特設了一位兼職的實驗教學督導，從實驗教學大綱、實驗教學目的、教學的方法、教學過程開展全面的監督，既形成對教學的評估，也與任課教師一道共同探討教學存在各種現象和問題。此外，督導教師也會與學生一同探討教學中存在的問題和困難，突出學生的主體作用[15]。

5 結 語

通過3年的課程實驗教學，實驗教學改革取得很好的教學效果，主要體現在以下幾個方面：

(1)學生的風氣有了明顯改善，學習態度十分認真。由于每1個實驗教學內容，有了嚴格的監督和評估，學生感覺明顯的學習壓力。特別是后期的實驗答辯階段前2個星期，學生間相互幫助學習，課后與教師的各種交流，整個課程組教師都可以感覺學習風氣極大改變。

(2)學生學習效果有了很大的提高。前幾屆學生大部分能按照實驗指導書步驟完成相應的實驗，但是實驗原理的理解卻難以讓人滿意，綜合性設計型實驗，能完成設計組寥寥無幾。教學改革后的效果，呈現出讓人鼓舞的現象，綜合性實驗通過率達到93%，而且許多學生完成呈現在實驗室學生作品展覽廳。學生自我分析問題和解決問題的能力得到良好的提升。

(3)師生之間的交流和相互之間的親近感得到增強。由于教學過程督導和考核的改變，學生之間交流環節增多。學生為了完成實驗，需要與教師頻繁的交互溝通。與前幾屆學生相比，相互間的陌生感開始消除，除了教學效果有改善外，相互間的理解得到加強，師生關系融洽。

[1] 肖 建,李春茂.網絡化控制系統的研究進展與展望[J].信息與電子工程, 2008,6(05):321-327，332.

[2] 侯 震,楊建華.網絡化控制在實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理,2006,23(10):72-73.

[3] 魏楚元,張翰韜,呂 橙.計算機網絡開放式實驗教學與創新實踐能力的培養[J].實驗室研究與探索，2007(6):9-12，33.

[4] 游國祖,談英姿. 基于三層網絡控制的過程控制實驗平臺[J]. 實驗室研究與探索,2011,30(3):39-43.

[5] 王 松. 自動化專業實驗教學改革研究[J]. 中國電力教育,2013,3(8):87-88.

[6] 謝昊飛,蔡龍騰.“計算機控制技術”課程的立體化教學模式研究[J].中國電力教育，2014,3(9):97-98.

[7] 姜建芳,王軍旺,黃 輝，等.基于西門子工業網絡的過程控制實驗系統[J].實驗室研究與探索.2008,27(08):250-253.

[8] 何堅強.基于控制網絡的測控系統仿真實驗平臺[J].實驗技術與管理,2005,22(3):69-72.

[9] 唐 詠.網絡虛擬實驗室仿真實驗平臺的設計[J].考試周刊,2011,5(41):140-141.

[10] 呂 凡，盛敏奇，仲兆準，等.冶金方向全集成工業自動化網絡實驗系統設計與建設[J].中國冶金教育,2013,6(3):67-68.

[11] 王 靜,邢冰冰,羅 文，等.電路分析實驗教學改革的實施[J]. 實驗技術與管理,2009,26(09):131-134.

[12] 黃 英,李貴林,雷 菁,等. PBL教學模式在專業實驗教學中的應用研究[J]. 中國電力教育,2012,12(35):94-95，104

[13] 何 芳,張志杰,陳月婷.PLC網絡系統實驗室的構建[J].實驗室研究與探索,2007,26(6):44-46，82.

[14] 何立琴.計算機溫控教學實驗系統的開發[J].實驗技術與管理,2003，20(3):31-34.

[15] 王海河，梁松鶴，紀書婷.臨床微生物學與檢驗實驗教學全程考核體系的研究與實踐[J]. 中國高等醫學教育,2012,11(3):69-71.

Experimental Teaching Pattern Reform on Network Control System

XIEhao-fei,CAIlong-teng

(College of Automation，Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065， China)

In view of the existing shortcomings in NCS course, such as the high cost of experiment system, the unreasonable course content, the unsatisfactory experiment effect and so on, an all-dimensional study of the experimental teaching mode was conducted in the paper. At first, the difficult contents were sorted out and combined with their internal links, the experiment that met the requirements of the course was designed; then, the cross curriculum collaborative experimental teaching method was proposed and a comprehensive experimental teaching platform was built; at last, the experimental process supervision and interaction defense tests were fused together, and the supervision test mechanism of teaching process and teaching effectiveness were promoted. Practice in the last three years showed that these reforms effectively improved the teaching quality and students’ practical innovation ability and the experimental teaching reform work well.

NCS； experimental teaching platform； collaborative teaching

2014-02-24

重慶市研究生教育優質課程(Y201114)；重慶市高等教育教學改革研究項目(1201019)；重慶郵電大學研究生教育創新計劃重點項目(Y201002)

謝昊飛(1978-)，男，湖南邵陽人，博士，副教授，主要研究方向：網絡控制、智能控制。

Tel.：15808003577；E-mail：tomxiefine@126.com

TP 273.5

A

1006-7167(2015)01-0189-04