網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

謝昊飛， 蔡龍騰

(重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 重慶 400065)

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網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

謝昊飛， 蔡龍騰

(重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 重慶 400065)

針對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)課程中存在的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本高、內(nèi)容不合理和實(shí)驗(yàn)效果不理想等弊端，論文對(duì)其實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了全方位的研究。首先梳理了課程重難點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合它們的內(nèi)部聯(lián)系設(shè)計(jì)了符合課程要求的實(shí)驗(yàn)；接著提出了交叉課程協(xié)作實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建了綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；最后融合了實(shí)驗(yàn)的過程監(jiān)督和交叉答辯考核，推進(jìn)教師教學(xué)過程和教學(xué)效果的監(jiān)督考核機(jī)制。3年的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力得到很大提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革取得很好的教學(xué)效果。

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)； 協(xié)作教學(xué)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCS)是工業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的一次技術(shù)變革，網(wǎng)絡(luò)化、開放化、智能化和集成化是其特點(diǎn)[1-2]。20世紀(jì)90年代中期以來，NCS技術(shù)得到快速發(fā)展，在機(jī)械制造、石油化工、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外高校也開始啟動(dòng)了相應(yīng)的課程，以滿足市場(chǎng)需求。作為一門新興的課程，它的內(nèi)容十分廣泛，涉及計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)控制原理、網(wǎng)絡(luò)通信等多門學(xué)科。與其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在諸多的問題：①構(gòu)建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本高，但是課程原理性展示不強(qiáng)[3-4]；②現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，操作性過程多，自我設(shè)計(jì)內(nèi)容少，難以達(dá)到讓學(xué)生掌握課程重難點(diǎn)內(nèi)容；③課程實(shí)驗(yàn)課時(shí)是十分有限，但是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)一些實(shí)驗(yàn)難以在短時(shí)間內(nèi)完成；④實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果缺乏有效的監(jiān)督考核機(jī)制[5-6]。

本文將從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的監(jiān)督考核機(jī)制進(jìn)行探討，突出學(xué)生和教師雙主體，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，加強(qiáng)學(xué)生自我進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。

1 課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系改革

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)課程主要教學(xué)內(nèi)容有現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)總線FF、過程自動(dòng)化總線PROFIBUS、樓宇自動(dòng)化總線LONWORKS、汽車電子領(lǐng)域的CAN總線、集散控制系統(tǒng)DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)集成等內(nèi)容[7]。由于每個(gè)教學(xué)模塊所涉及的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都十分昂貴，通常來說課程往往一種模塊為原型來構(gòu)造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。而且鑒于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)主要面向用戶需求來進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)，因此即使購買到相應(yīng)的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)往往也是以操作和參數(shù)配置為主[8-10]。很顯然，目前這種實(shí)驗(yàn)不僅難以覆蓋網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，且空洞的操作性實(shí)驗(yàn)也很難達(dá)到理解課程的重難點(diǎn)的目的。

雖然課程教學(xué)模塊涵蓋內(nèi)容很廣，但仔細(xì)分析其教學(xué)內(nèi)容，仍然能夠找到教學(xué)模塊與各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)部聯(lián)系，如表1所示。

表1 教學(xué)模塊與各個(gè)主要知識(shí)點(diǎn)關(guān)系

在日常課程教學(xué)發(fā)現(xiàn)，表1中的介質(zhì)訪問(確定性通信)、應(yīng)用服務(wù)、用戶功能和功能調(diào)度是難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)候都會(huì)遇到比較大的困難。學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，還有一個(gè)比較難以評(píng)估實(shí)驗(yàn)效果的問題是未有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能評(píng)估的工具，因此設(shè)計(jì)了如表2所示的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

表2 實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容及要求

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

2.1 課程實(shí)驗(yàn)協(xié)作教學(xué)模式

完成表2所涉及的內(nèi)容深度和廣度，8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排顯然是不夠的。結(jié)合學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，本課程改變了僅靠8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課時(shí)的教學(xué)模式，利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、課后練習(xí)等多種途徑協(xié)作推進(jìn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，以彌補(bǔ)課時(shí)的不足，同時(shí)也與其他課程共同完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體關(guān)系如圖1所示。

課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是工業(yè)數(shù)據(jù)通信驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；課程作業(yè)實(shí)驗(yàn)主要有確定性通信MAC訪問內(nèi)容，它主要是課程相關(guān)的非破壞性位仲裁技術(shù)、通信調(diào)度實(shí)體等內(nèi)容；課程綜合性實(shí)驗(yàn)主要有網(wǎng)絡(luò)化控制協(xié)議棧設(shè)計(jì)或者應(yīng)用服務(wù)API設(shè)計(jì)模塊；涉及到功能調(diào)度算法、功能塊應(yīng)用進(jìn)程和系統(tǒng)仿真性能評(píng)估，則需要和其他課程共同來完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。本課程的8學(xué)時(shí)主要留給課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，其他課時(shí)則通過課程作業(yè)和其他實(shí)驗(yàn)實(shí)踐時(shí)間來補(bǔ)充。此外，課程還加強(qiáng)與科技創(chuàng)新小組或企業(yè)的聯(lián)系，聯(lián)合進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)本門課程前沿動(dòng)態(tài)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的理解[11-12]。

2.2 教師的雙師型培育

本門課程一個(gè)重要特點(diǎn)就是內(nèi)容繁多，而且工業(yè)應(yīng)用性十分強(qiáng)。如果里面許多知識(shí)點(diǎn)未能有實(shí)際開發(fā)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在的問題很難提供指導(dǎo)。在這門課程中提高教師實(shí)際科研和項(xiàng)目開發(fā)或設(shè)計(jì)水平，開展雙師型培育工作，突出教師和學(xué)生雙主體，提高實(shí)驗(yàn)教育水平有效方法。

同時(shí)，本課程也要求教師既要進(jìn)行理論教學(xué)，又要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)，避免傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)老師分離的現(xiàn)象，從而確保教學(xué)連貫性和一致性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

目前市面上與本門課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，大部分僅僅針對(duì)課程中某一個(gè)教學(xué)模塊，而且大部分僅僅提供操作性指導(dǎo)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，從前期的教學(xué)效果來看，情況十分不理想。因此有必要構(gòu)建一個(gè)適合大三、大四學(xué)生(或者研究生)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)如圖2所示，它共有三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)：物理試驗(yàn)區(qū)、仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)和共性實(shí)驗(yàn)區(qū)。

(1)物理試驗(yàn)區(qū)針對(duì)具體的芯片等硬件來進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)，主要提供驅(qū)動(dòng)開發(fā)。

(2)仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)則提供基本的TrueTime工具使用實(shí)驗(yàn)，EDF、RM等常規(guī)調(diào)度案例實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，它一個(gè)重要特點(diǎn)就是能提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候性能分析。而物理實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)于具體性能參數(shù)分析，只能解決額外昂貴的測(cè)試工具來完成，通常實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不提供這種工具[13]。

(3)共性區(qū)提供了一些協(xié)議棧具體開發(fā)、功能塊調(diào)度和應(yīng)用設(shè)計(jì)等較難的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，雖然物理實(shí)驗(yàn)區(qū)和仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)要求開發(fā)語言不通，但是其核心原理和算法是相同的[14]。

此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)帶來最大的好處就是靈活性強(qiáng)，教師可根據(jù)需要和實(shí)際的課時(shí)安排來調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且具有其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未有的性能評(píng)估分析功能。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的監(jiān)督考核機(jī)制

本門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的監(jiān)督考核主要體現(xiàn)兩個(gè)方面：

(1)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核的基礎(chǔ)上，融合實(shí)驗(yàn)的過程監(jiān)督和交叉答辯考核，督促學(xué)生嚴(yán)肅教學(xué)過程，公平公正全面評(píng)估學(xué)生對(duì)課程知識(shí)應(yīng)用能力。傳統(tǒng)考核主要檢查學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶，而忽略了分析和解決問題的能力得評(píng)價(jià)，同時(shí)忽略對(duì)學(xué)生的評(píng)估。因此改革后的教學(xué)監(jiān)督考核機(jī)制，首先建立全面的過程監(jiān)督，了解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)或者課程設(shè)計(jì)或是其他實(shí)踐教學(xué)過程存在的問題，同學(xué)生一起共同探討問題。涉及到綜合類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則啟動(dòng)了答辯考核的機(jī)制，上課學(xué)生分配給不同的課程答辯組教師，指導(dǎo)教師不能參加本指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生，參考本科畢業(yè)設(shè)計(jì)模式，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核。

(2)推進(jìn)教師教學(xué)過程和教學(xué)效果的監(jiān)督考核機(jī)制。為此，課程組特設(shè)了一位兼職的實(shí)驗(yàn)教學(xué)督導(dǎo)，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的、教學(xué)的方法、教學(xué)過程開展全面的監(jiān)督，既形成對(duì)教學(xué)的評(píng)估，也與任課教師一道共同探討教學(xué)存在各種現(xiàn)象和問題。此外，督導(dǎo)教師也會(huì)與學(xué)生一同探討教學(xué)中存在的問題和困難，突出學(xué)生的主體作用[15]。

5 結(jié) 語

通過3年的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得很好的教學(xué)效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)學(xué)生的風(fēng)氣有了明顯改善，學(xué)習(xí)態(tài)度十分認(rèn)真。由于每1個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有了嚴(yán)格的監(jiān)督和評(píng)估，學(xué)生感覺明顯的學(xué)習(xí)壓力。特別是后期的實(shí)驗(yàn)答辯階段前2個(gè)星期，學(xué)生間相互幫助學(xué)習(xí)，課后與教師的各種交流，整個(gè)課程組教師都可以感覺學(xué)習(xí)風(fēng)氣極大改變。

(2)學(xué)生學(xué)習(xí)效果有了很大的提高。前幾屆學(xué)生大部分能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)原理的理解卻難以讓人滿意，綜合性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，能完成設(shè)計(jì)組寥寥無幾。教學(xué)改革后的效果，呈現(xiàn)出讓人鼓舞的現(xiàn)象，綜合性實(shí)驗(yàn)通過率達(dá)到93%，而且許多學(xué)生完成呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室學(xué)生作品展覽廳。學(xué)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(qiáng)。由于教學(xué)過程督導(dǎo)和考核的改變，學(xué)生之間交流環(huán)節(jié)增多。學(xué)生為了完成實(shí)驗(yàn)，需要與教師頻繁的交互溝通。與前幾屆學(xué)生相比，相互間的陌生感開始消除，除了教學(xué)效果有改善外，相互間的理解得到加強(qiáng)，師生關(guān)系融洽。

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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(yōu)質(zhì)課程(Y201114)；重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(1201019)；重慶郵電大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(Y201002)

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

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

TP 273.5

A

1006-7167(2015)01-0189-04