“現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用”課程教學改革初探

趙嵐

摘 要：針對“現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用”課程的特點及教學要求，結(jié)合應(yīng)用型本科院校的培養(yǎng)目標和學生學習特點，從教學內(nèi)容、教學形式等方面探討了該課程的理論與實踐教學的改革方法。初步探索和教學實踐證明該方法能激發(fā)學生的學習興趣，加強學生的實踐能力，從而提高本課程的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 教學改革 實踐

中圖分類號：TK262 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0119-02

“現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用”是為自動化及相關(guān)專業(yè)學生開設(shè)的專業(yè)選修課。這門課程的設(shè)置順應(yīng)了自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的需求，反應(yīng)了工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和技術(shù)熱點。課程目的是使學生掌握工業(yè)通信的基本原理和基礎(chǔ)知識，了解當前業(yè)界自動化技術(shù)的發(fā)展動態(tài)和最新技術(shù)，通過學習幾種應(yīng)用廣泛的總線系統(tǒng)的協(xié)議規(guī)范和開發(fā)知識，初步掌握分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，為今后工作和成為適應(yīng)社會發(fā)展的應(yīng)用型人才奠定必要的工程技術(shù)基礎(chǔ)。

該文根據(jù)目前“現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學現(xiàn)狀和面臨的問題，提出了一些具體的教學改革措施，并在實際課程教學中加以實施，初步取得了良好的效果。

1 課程特點和教學現(xiàn)狀

1.1 課程特點

首先是知識覆蓋面廣。現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的全數(shù)字、串行、多點通信系統(tǒng)，是一門集控制、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機控制及智能儀表于一體的綜合性技術(shù)，具有知識覆蓋面廣，實踐應(yīng)用性強的特點。“現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用”這門課程是學生在掌握了基礎(chǔ)的控制理論之后開設(shè)的專業(yè)選修課，屬于自動控制的前沿課程。其課程定位對學生的綜合知識和能力提出了比較高的要求。先導(dǎo)課程包括控制理論和過程自動化，學生需通過進一步學習計算機網(wǎng)絡(luò)和通信相關(guān)理論和知識，并在掌握特定的現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范后，結(jié)合微處理器知識才能真正構(gòu)建實施一個基于現(xiàn)場總線的控制網(wǎng)絡(luò)。其次是技術(shù)更新快。現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展日新月異，目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，每種現(xiàn)場總線都具有自己的技術(shù)特性和占有各自的市場空間。在有限的學時數(shù)里，選擇哪幾種現(xiàn)場總線系統(tǒng)作為教學內(nèi)容，以及每一種總線的學時數(shù)安排，教學內(nèi)容的側(cè)重點都是教學實踐中要思考的重要問題。

1.2 教學現(xiàn)狀

“現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用”是近幾年才開設(shè)的專業(yè)課程，加上該課程的知識點比較分散不成系統(tǒng)的特點，沒有太多的教學資源和教學經(jīng)驗可以借鑒。目前教學實踐中的問題主要有以下方面。

（1）教學內(nèi)容多，學時數(shù)少。現(xiàn)場總線技術(shù)知識點多，主要針對的學生多是自動化相關(guān)專業(yè)背景的，不具備相關(guān)的通信和計算機網(wǎng)絡(luò)知識，因此對通信基礎(chǔ)知識的補充是必不可少的。加上目前市場上主流的總線標準不統(tǒng)一，技術(shù)各具特色，應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，學生在32個學時內(nèi)并不能完全掌握每一種總線類型。因此，必須有目的性地選擇某一到兩種總線規(guī)范作為重點，其余幾種總線標準作為知識的擴充，使學生既熟練掌握某一兩種總線類型的開發(fā)設(shè)計方法，又熟悉目前市面上流行的諸多總線的特性和應(yīng)用。因此在選擇總線類型和技術(shù)特性作為教學內(nèi)容時，既要考慮總線的應(yīng)用普及程度，也要考慮學生的實踐難易程度。因此，在課時數(shù)有限的情況下，如何選取合適的教學內(nèi)容，既能讓學生掌握必要的理論知識，又能使學生積累一定的工程實踐知識，是值得思考和探索的首要問題。

（2）教材涵蓋面有限。目前，國內(nèi)高校使用的主流教材仍是以陽憲惠編著的《現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用》[1]為代表，有別于介紹單一總線類型的，或側(cè)重現(xiàn)場總線應(yīng)用與開發(fā)的，該教材主要內(nèi)容分為兩部分：首先介紹了數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)的基本知識，然后重點介紹了一些具有代表性的現(xiàn)場總線。雖然該教材的涵蓋面相對較廣，但仍然存在一些不足。例如，對通信基礎(chǔ)知識的闡述不夠系統(tǒng)全面，對現(xiàn)場總線的分析和應(yīng)用實例也較少，對現(xiàn)場總線的最新技術(shù)成果的體現(xiàn)也比較欠缺。這些不足，一方面不利于學生對系統(tǒng)知識的整體把握；另一方面不利于學生對現(xiàn)場總線技術(shù)的深入理解和實際應(yīng)用，和對當前的總線技術(shù)趨勢和前沿知識的了解。

（3）授課形式單一。課程授課仍以教師主體為中心，學生被動接受為主要授課模式。由于理論知識點多而分散，各種總線規(guī)范又各不相同，過多理論和細則方面的介紹容易使教和學的過程變得枯燥無趣。學生往往停留在對基本概念的識記，而缺乏一定的工程理解和認識。因此，如何設(shè)計合理的授課和互動模式，增加學生的參與度，讓他們對課程產(chǎn)生興趣，并且學以致用，把枯燥的理論知識運用到工程實踐中，掌握基本的工業(yè)通信系統(tǒng)的開發(fā)方法，反過來，通過工程實踐，進一步提升學生對理論知識的理解，提高分析和解決實際問題的能力，都是亟需改進的重要問題。

2 課程教學改革探索

針對目前的教學現(xiàn)狀，結(jié)合該課程課時短而知識點覆蓋面廣、技術(shù)更新快的特點，我們做了如下嘗試。

2.1 教學內(nèi)容與時俱進

理論內(nèi)容的編排主要包括以下部分。

（1）現(xiàn)場總線概述和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識。這一部分主要介紹現(xiàn)場總線的概念、發(fā)展歷程、基本特點及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。通過工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用實例包括系統(tǒng)如何組建、布線，控制系統(tǒng)的功能塊和組態(tài)讓學生對現(xiàn)場總線的功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有初步認識。

（2）計算機網(wǎng)絡(luò)和通信基礎(chǔ)知識。這部分內(nèi)容主要包括通信系統(tǒng)基本組成，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型，和模型各層相關(guān)技術(shù)及主要功能，例如數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，介質(zhì)訪問技術(shù)、差錯控制技術(shù)等。自動化相關(guān)專業(yè)的學生并不具備基本的通信理論知識，而現(xiàn)場總線作為工業(yè)自動化中的通信技術(shù)和具體應(yīng)用，因此這部分內(nèi)容的補充是必不可少的。

（3）幾種應(yīng)用廣泛的主流現(xiàn)場總線技術(shù)。工業(yè)應(yīng)用廣泛且學生較易掌握的總線標準如CAN、Profibus總線作為重點，總線技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新成果如CANopen[2]、Powerlink、etherCAT[3]等總線標準作為補充拓展。這部分代表現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展方向的新興標準在工業(yè)界已得到廣泛應(yīng)用，但在現(xiàn)有教材中并未涉及，因此這部分內(nèi)容以多媒體PPT講稿提供給學生打印，作為他們學習資料的重要來源。除此以外，鼓勵學生查閱相關(guān)文獻，了解相關(guān)總線技術(shù)國內(nèi)外的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。在總線類型的學習過程中，授課內(nèi)容和順序還必須注意與通信基礎(chǔ)理論銜接對應(yīng)，如每種總線按OSI模型的層次依次介紹各層功能和特性，這樣能使教學內(nèi)容結(jié)構(gòu)明了，條理清楚，學生對概念的掌握也會更牢固。

2.2 教學形式不拘一格

為了活躍課堂氣氛，激發(fā)學生學習興趣，不僅需要在教學內(nèi)容上進行改革，還需要在授課形式的多樣化上積極探索。

（1）充分利用多媒體進行啟發(fā)式教學。對于理論性較強或較抽象的概念，通過視頻，動畫分解的方式描述復(fù)雜過程，讓學生對此產(chǎn)生比較直觀深刻的印象。如講解計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中層次關(guān)系時，可以將數(shù)據(jù)從一臺主機傳輸?shù)搅硪慌_主機的過程，每經(jīng)過一層時數(shù)據(jù)發(fā)生的變化情況，通過動畫的方式描述。這樣學生能對一個抽象概念產(chǎn)生深刻而清晰的印象，從而很好地理解為什么通信網(wǎng)絡(luò)需要進行層次的劃分，以及實體、服務(wù)、協(xié)議的概念和關(guān)系。同時通過提問和討論的方式，啟發(fā)學生思考問題，讓學生充分參與課堂互動。并結(jié)合自己的課題，將總線相關(guān)的科研成果展示給學生。

除此以外，在Powerlink和etherCAT總線介紹的過程中，首次進行了雙語教學的嘗試。學科前沿課程是進行雙語教學的良好平臺，一方面學科前沿的最新成果通常是以英文形式呈現(xiàn)的；另一方面學生通過雙語的方式學習專業(yè)課程，既提高了專業(yè)英語的閱讀理解能力，也能更準確地把握對專業(yè)名詞和知識要點的理解。通過作者一學期的教學嘗試，發(fā)現(xiàn)學生對適當英文術(shù)語的補充接受度高，對英文形式的技術(shù)熱點的學習興趣濃厚。

（2）創(chuàng)新實踐型教學。實踐性強是本課程的另一特點，因此實踐原則需貫穿教學過程的始終。實踐性強的課時部分，如總線標準的理論和設(shè)計可以在實驗室進行。授課內(nèi)容可以結(jié)合實驗項目進行調(diào)整，讓學生可以邊學理論邊實踐。通過完成一個具體的設(shè)計任務(wù)，讓學生理解有關(guān)芯片功能，和基于該芯片的設(shè)計方法，實現(xiàn)一個小型的通信系統(tǒng)設(shè)計。這種方式，既能激發(fā)學生的學習興趣，也讓他們通過充分的實踐獲得一定的設(shè)計開發(fā)能力，從而較好地實現(xiàn)課程的教學目標。

如在學習CAN[4]總線一章的時候，通過應(yīng)用實例介紹以CAN總線為紐帶集成的車身控制和底盤控制系統(tǒng)，使學生對CAN總線的功能和整體構(gòu)架有初步認識。接著，對應(yīng)OSI模型的層次結(jié)構(gòu)依次介紹CAN總線的各層功能，使學生對通信系統(tǒng)的層次概念更加清晰。在學習CAN控制器和接收器芯片時，學生結(jié)合微機原理和單片機知識，設(shè)計出CAN的節(jié)點電路，并對CAN控制器的初始化、發(fā)送和接收功能模塊進行編程。

（3）安排見習實習機會。多數(shù)高校都在一些企業(yè)建立了長期合作關(guān)系，可以利用2個課時安排學生到企業(yè)見習，或在理論課程結(jié)束后到企業(yè)實習。通過向企業(yè)員工學習和聽取專題報告，了解現(xiàn)場總線系統(tǒng)在工廠車間中的實際應(yīng)用情況，還可以適當參與工業(yè)生產(chǎn)解決方案的設(shè)計開發(fā)工作，進一步認識現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用場合，通信原理和方法，掌握現(xiàn)場總線的理論和應(yīng)用知識。

（4）考核方式多樣化。現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用作為一門考查課程，考核辦法和形式應(yīng)該多樣化，以體現(xiàn)學生的對所學知識的掌握程度和綜合運用能力。總評成績包含平時成績、實驗成績和課程設(shè)計成績。平時成績根據(jù)出勤、作業(yè)、課堂提問、學習主動性等方面進行評價，課程設(shè)計則根據(jù)總體方案、硬件原理、軟件框圖等設(shè)計過程以及設(shè)計報告的質(zhì)量來評價。這樣的綜合考查方式能充分調(diào)動學生的學習主動性，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的研究能力。

3 結(jié)語

教學改革的實施和教學目標的實現(xiàn)，除了教師自身專業(yè)素質(zhì)的不斷提高加強，還要積極思考教學改革創(chuàng)新的途徑，改變教學理念，改革教學思路。該文根據(jù)現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用的課程特點和教學現(xiàn)狀，從教學內(nèi)容、教學形式上提出了一系列的實踐和探索思路，初步取得了一些積極的成效。希望通過積極努力的探索，能進一步深化該課程的教學改革，從而能提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力、獨立思考能力、團隊合作精神的高技術(shù)應(yīng)用型人才。

參考文獻

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 蔡豪格.現(xiàn)場總線CANopen設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3] 郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 周立功.iCAN現(xiàn)場總線原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.