計算機控制類課程整體優化教學研究*

◆趙忠蓋

作者：趙忠蓋，江南大學物聯網工程學院副教授，博士，主要從事計算機控制系統、過程控制等方面的教學和科研工作（214122）。

1 引言

一個完整的計算機控制系統涉及信號檢測、信號處理、控制策略的實現以及信號輸出等多個環節，對應的計算機控制類課程則包括傳感器技術、自動化儀表、計算機控制技術、微型計算機原理、PLC 技術及應用、現場總線控制系統等，詳細講述了傳感檢測系統、變送傳送系統、工業控制計算機、數字控制算法、驅動執行以及控制結構設計等知識，基本涵蓋了計算機控制系統組成的硬件工具（PLC、單片機等）、軟件工具（梯形圖、匯編語言、C 語言等）、檢測傳感知識（傳感原理、儀器儀表等）、方法策略類（各種控制算法、邏輯控制策略等）等各個方面。計算機控制類課程是自動化專業本科學習的核心內容，旨在面向工程實際需求，培養學生在控制理論的工程應用和實現等方面的能力。通過這類課程的學習，學生在面對控制任務時，能夠從儀表選型、控制方案的確定、系統結構以及實現等多方面綜合考慮，從而構建計算機控制系統。

顯然，隨著計算機的大量普及以及數字控制技術的發展，計算機控制類課程在自動化專業的教學和學習中將會越來越重要。但是在教學和指導研究生新生過程中通常發現，自動化專業的學生往往會產生這樣的疑惑：“學了這些計算機和控制類的知識，我到底能做什么？”并且，學生無法抓住計算機控制類課程的學習重點，學習的過程中通常會偏向于計算機控制中計算機的學習，包括編程語言、工業控制計算機等工具類知識的學習，偏離了“控制”的主題。

計算機控制類課程的教學是一個系統工程，課程改革應該從系統的高度，而不是局限于某門課，去協調處理課程體系，并進行整體優化，方能去繁就簡，把握課程的核心與實質[1]。目前，清華大學進行了計算機控制技術綜合實驗的教學改革[2]，北京航天航空大學提出計算機控制技術本碩一體化教學方法等[3]，國外自動化專業出現經典教材《現代控制工程》，其綜合了自動控制原理、現代控制理論以及后現代控制理論等多門課程，這些都表明從課程體系高度去優化和重新設計教學內容已經成為趨勢。正如清華大學本科教學改革目標所言：學科發展和課程設置要進一步向學科的交叉與綜合背景下通識教育的方向轉變；教學方式要進一步向知識傳授與探索相結合，師生互動、教學相長，并以調動學生自主學習、激發學生求知欲和創造性為主要目標的教學方式轉變。計算機控制類課程的教學也必然向建設一個有利于學生整體掌握課程體系，從而能夠實現自主性學習、盡早參與研究工作、學習和研究并進的教學框架方向發展。

2 教學中存在的問題

細究本科學生在學習計算機控制類課程中遇到的困惑和迷茫，認為計算機控制類課程的教學存在如下問題。

計算機控制類課程體系思想的缺乏 根據國內眾多著名高校和本校自動化專業的課程大綱，各門計算機控制類課程往往自成一體，大多以學生能夠熟練掌握本門課程的知識點為培養目標，模糊了計算機控制類課程體系的整體脈絡，難免會有所局限，容易使學生產生認識不清的問題。簡單地講，計算機控制類課程就是教會學生實現計算機控制系統，但是由于涉及的知識點和課程較多，時間跨度較長，因此如果沒有明確的課程體系思想，很容易使學生淹沒在某個旁枝末節的支流中。目前，國內有一部分教師認識到這一點，并努力從教材內容上進行改革。比如清華大學王錦標教授等編寫了計算機控制系統教材等，從工程實際出發，介紹計算機控制技術的實現。

教材和教學內容的銜接問題 計算機控制類課程之間存在緊密的聯系，往往無法對課程進行硬性的劃分。比如計算機控制技術與現場總線控制系統兩門課就很難劃分，但是教材的編寫者相互之間不可能進行協調，各自編寫的出發點也不同，使得教材內容往往存在相當部分的重疊。另一方面，教學課程體系思想的缺乏也導致各門課程的授課內容可能存在重復過多，或者缺乏銜接，致使學生無法融會貫通。國內僅計算機控制技術這門課，就出現很多內容差別很大的教材，至于各課程教材之間內容的重疊現象更是普遍存在，給教師的授課和學生的學習都帶來困難。

實踐教學缺乏整體環節 計算機控制類課程的實踐教學通常側重于原理的驗證或者工具的掌握，條件好的學校采用實物進行，而條件差的則只能通過MATLAB 仿真，欠缺系統性的實踐環節[4]，從理論到理論的應用聯系不夠。比如目前很多學生沒有弄清楚自動化專業最重要的專業基礎課——自動控制原理，與計算機控制技術之間的聯系。隨著國內各種工具類競賽項目的興起，工具類課程逐漸在自動化專業學生的應用環節中占據重要地位，從而出現實踐環節與自動化專業基礎知識的脫節現象。并且，已有的課程設計實踐環節也往往只是針對某門課，缺乏整體實踐環節，使學生無法從全局去了解和掌握計算機控制系統的設計與實現，因此產生諸如前面的疑惑也就不足為怪了。

3 教學內容優化和改進

通過計算機控制類課程體系的整體優化，解決學生對專業核心課程脈絡不清晰的問題，以及教師單兵作戰的問題。通過整合課程內容，并將計算機控制技術與現場總線控制系統融合為一門課，解決計算機控制類多門課程內容交叉、重復，部分內容不適應培養目標要求等問題。將理論和應用相結合，通過基本性實驗教學、課程設計、畢業設計等實踐活動，解決普遍存在的重理論、輕實踐的問題。

基于項目引導或任務引導原則[5]，以行業特色或地方經濟實際需要為背景，以自動化應用技術為主線，以通識教育與專業技術教育結合，主要圍繞計算機控制類課程體系的整體優化，以“系統理念”為主線的課程內容的整合，基本性實驗教學、課程設計、畢業設計實踐活動的改革等展開工作，做到三個“突出”。

整體優化計算機控制類課程體系，突出“主線” 課程的安排按照計算機控制系統的自然順序進行，改變以往按照課程重要程度的安排方式。舊的課程體系下，計算機控制類各課程獨立設置，設置時間和設置內容的邏輯依據性較弱。通常，本科生一、二年級為通識教育，安排基礎類的課程，比如數學類、語言類以及電子技術類等，為后面的專業學習打基礎；而大三以后為專業教育，考慮到學生保研選拔、學生實習等多方面的因素，專業課無形中會按照課程的重要程度安排：大三開設專業基礎類的課程，比如自動控制原理、電機與拖動、計算機控制技術、PLC、傳感器技術等；還剩下一些專業性很強的課程則放到本科大四上半學期，比如現場總線控制技術、現代控制理論、智能控制等。如此，計算機控制類的課程順序上存在一定的顛倒，比如平行開設計算機控制類的課程無法實現知識上的漸進，給學生的學習帶來困難。而且計算機控制類課程缺乏一門統領性的課程，使學生在進入計算機控制類課程學習前，能夠對計算機控制類課程有個整體的認識，幫助學生理清該類課程的脈絡，從而避免直接進入盲人摸象式的細節教育。

為了避免上述問題，在課程的安排上遵循工程上計算機控制系統的設計流程，按從系統框架到細節的順序，突出計算機控制系統的主線，輔以實現控制系統的工具和手段。具體地，為保證學生能夠對計算機控制以至自動化專業有所了解，在大一階段開設新生研討和專業前沿課，就自動化專業課程主要是計算機控制類課程的整體應用進行普及教育，在加強學生對計算機控制的整體認識的同時，培養學生的興趣。計算機控制技術作為計算機控制類課程的核心課程，在自動控制原理課程結束后即安排，突出兩者之間的聯系；然后圍繞這門課，先從信號的檢測和儀表選型等方面安排課程。而工具類的課程之間沒有主次之分，統一安排在一學期，最后安排現場總線控制系統，從結構和系統上將前面的課程貫穿起來。因此，計算機控制類課程的脈絡是：專業前沿和新生研討課→計算機控制技術→傳感器技術、自動化儀表→單片機技術、PLC 及其應用、微機原理等→現場總線控制系統。

通過整體優化計算機控制類課程體系，一是讓學生對專業類課程有清晰的脈絡，提高學習效率，認清各門課程；二是讓教師之間形成團隊，進行研究型大學計算機控制類課程體系的研究工作，提出適應21 世紀要求的培養模式。

整合課程內容，突出“系統” 計算機控制涉及的課程較多，廣義的計算機控制系統包括檢測、算法以及系統的結構等計算機控制類課程的全部內容。因此，各門課之間很難獨立分割，幾乎所有的計算機控制系統的教材都會有部分內容講解信號的檢測以及控制系統的結構，而現在這些內容又單獨成課；反過來，很多現場總線控制系統以及自動化儀表的教材也往往含有部分計算機控制系統的內容。另一方面，教師在講解某門課時，為了使學生融會貫通，課程之間適當的銜接也十分必要，但是如何把握銜接的度是關鍵。因此，如何整合課程內容是計算機控制類教改的重點。

針對計算機控制類課程間教學內容的安排問題，為了讓學生掌握計算機控制類課程的核心知識，激發學生的學習興趣，以工程上計算機控制系統為引領，將相關專業課程有機結合在一起，既注意各自的特點，又強調內部的聯系，實現課程內容的系統化。在系統框架下，計算機控制技術側重于與自動控制原理的銜接，并引入現代控制理論部分的內容，傳授學生關于通過計算機實現控制理論的算法，讓學生了解控制系統的理論和策略基礎；傳感器和自動化儀表實現計算機控制系統的信號檢測與自動化儀表，在系統思想的引領下，這兩門課與其他課程的重疊較少，在舉例應用中，將各種儀表與信息檢測置于計算機控制系統的大框架下即可，并且關于儀表之間的通信與連接部分的內容略掉；PLC、單片機等工具類的課程，核心授課內容設置為講授控制系統中變量的采集與處理，以及各種控制算法的實現等；現場總線控制系統則從宏觀上構建學生的系統觀，并最終實現計算機控制類課程的綜合，側重于各種工業常用通信協議的講授。在現代教育教學思想的指導下，遵循系統科學的整體性原理，將計算機控制系統類課程涉及的主要內容融為一個整體。

加強實踐教學，突出“綜合” 實踐起到鞏固理論知識的作用，創新源于實踐。如何將理論知識和應用有機結合起來，形成良性互動，是實踐教學改革的重點。特別的，計算機控制系統的一大特點是系統，但是計算機控制類課程又單獨成課，各自都有相關的實驗，這些實驗都是針對該門課具體的知識點設置，很難在實驗中將計算機控制類課程的內容融為一體。

通過基本性實驗教學、專題性課程設計、工程應用性畢業設計等環節，從培養學生基本、綜合和自主實踐能力出發，并按研究型大學培養目標和新的課程體系要求，構建新的實踐能力培養體系。該體系中，各門課的實驗還是針對該課的基本知識點，但是增加了專題性的課程設計，并且實現開放式的課程設計方式，使學生在計算機控制的大框架下可以自主選題，然后利用課余時間自主完成課題任務，不再單獨占用上課時間。與傳統課程設計不同，該課程設計最大的特點是針對計算機控制類課程的綜合設計，突出知識點的綜合應用。而且在學生畢業設計的設置上，加大工程應用性的比例，鼓勵學生進行計算機控制類實際項目的開發與設計。

4 教學方法改進

與教學內容的優化與改進相適應，在教學方法上主要進行如下改進。

1）以計算機控制系統為主線，從應用角度出發，密切結合工業自動化實踐，以主講教授為龍頭，成立系列課程教研組，組織教師進行調研、討論，將計算機控制系列課程融為一體，相互銜接、相互連貫，重新制訂合理的教學計劃和大綱、實驗計劃和大綱、綜合課程設計的計劃和大綱等，并聘請校內外專家進行評審。

2）在加強學生對課程之間的知識聯系方面有如下舉措。

①組織學術造詣深厚的教授給大一新生講授學科前沿和新生研討課，加強學生的思辨能力，同時建立學生計算機控制的系統思想。

②在大二充分利用學院國家電子類大學生實踐基地平臺，組織學生進行大學生創新項目的實踐；大二的學生作為大三學生的助手，建立計算機控制系統實際應用的感性認識。

③在大三后則利用學生參觀實習的契機，讓學生了解實際工廠計算機控制系統的構成，并通過國際工業自動化展，了解計算機控制系統在各行各業中的應用以及最新發展趨勢。

3）在加強綜合實驗方面主要采用如下措施。

①依托相應課程，優化基本性實驗教學內容，對原有實驗內容進行調整和更新，精選內容先進、具有代表性的教學內容和實驗項目。

②加大綜合性、設計性實驗的比重，根據實際情況開設選擇性實驗，充分發揮有實踐經驗教師的特長，以項目為引導，給出項目的要求，不限定知識范圍，讓學生應用所學的計算機控制知識，根據項目成本、項目技術要求等工程要求，自主選型，并自主完成項目的計算機控制系統，給學生最大的發揮空間。

③在代表性課程的考核環節，如現場總線控制，增加該課程的課程設計環節。在該環節，教師不限定題目，學生可以根據自身的經歷或者生活體驗，發揮自主想象的空間，自主選題，并做出控制系統實物。另一方面為增加對控制系統的認識，學生需要就系統方案的設計、功能等方面進行說明或演示。在此過程中一切以學生為主，給學生配備教師顧問組，由多名教師組成，學生可以根據需求自主尋求教師的意見。除此之外，教師僅需要對學生的作品進行評價。

④在畢業設計環節，對畢業設計進行分類要求。在側重于工程設計類的畢業設計中給學生一定的經費，讓學生實現設計的實物并演示；而在側重于論文類的畢業設計中，設計與科學研究相結合，引領學生進入較前沿的理論研究中去，拓寬學生專業知識面。

5 結語

由于課程多、跨度大、課程間相關性強，并且課程間內容重疊，計算機控制類課程的“教”和“學”都存在困難。本文以工程上一個完整的計算機控制系統為引領，分別從教學內容和教學方法的優化上給出教學改革方法。在教學內容上，對各課程教學內容進行整合，做到突出“主線”脈絡，突出“系統”架構，突出“綜合”實踐；在教學方法上，對應教學內容的改革，通過改革教學大綱、教學計劃和實驗計劃，使計算機控制類課程相互銜接，并借助學院國家級創新基地平臺，以及增加新生研討課、學科前沿課和課程實習環節，再依托現場總線控制系統，結合綜合設計環節，加強學生的綜合實踐環節。通過上述改革，加強學生對計算機控制系統中“控制”和“系統”的認識，既增加學生對計算機控制類課程理論知識的理解，又培養學生綜合應用計算機控制類知識的實踐能力，效果明顯。

[1]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.

[2]丁冬花,趙雁南.計算機控制系統綜合實驗課簡介[J].實驗技術與管理,1994,11(1):51-52.

[3]張平,夏潔,周銳,等.建設獨具特色的“計算機控制”精品課程[J].電氣電子教學學報,2009(31):143-145.

[4]溫淑慧.計算機控制技術實驗教學改革初探[J].教學研究,2010,33(6):59-62.

[5]王佳慶,王曉剛,王清,等.基于項目教學法的計算機控制技術課程教學改革與探索[J].教育教學論壇,2014(15):273-275.