火電廠計算機控制課程移動學習研究

崔彥鋒，薛銳，王雨婷

（1.南京工程學院，江蘇 南京 211167；2.浙江大學，浙江 杭州 310007）

火電廠計算機控制課程移動學習研究

崔彥鋒1，薛銳1，王雨婷2

（1.南京工程學院，江蘇 南京 211167；2.浙江大學，浙江 杭州 310007）

在闡述火電廠計算機控制課程移動學習需求的基礎上，面向移動學習進行了課程內容解構，明確了移動學習對象；對基于微信的移動學習平臺構建和基于HTML5與Javascript的平臺開發進行了闡述并簡述了該課程的移動學習效果。

計算機控制系統；移動學習；微信

火電廠計算機控制是熱能與動力工程專業學生的主干課程之一，是火電廠生產過程自動化方向的核心課程，作為一門綜合性極強的課程，學生需要在掌握工程數學、電工電子、自動控制原理、微機原理以及火電廠專業基礎課程的基礎上，學習過程通道、控制系統軟件基礎、數據通信與網絡、數字PID控制、順序控制與保護等模塊的理論知識，并最后落地到火電廠分散控制系統的專門學習上。

與大部分專業課不同，火電廠計算機控制課程雖然體系明確、結構清晰，但是由于集散控制系統依托知識點的跨度問題，其課程內容具有明顯的分散性，章節之間缺少遞進和過渡，學生在學習過程中普遍感覺在缺乏宏觀把握的同時對具體知識點的理解也不夠深入。這些問題的解決一方面需要對課程內容進行全面分析整合的基礎上加強工程實踐，另一方面也需要引入新的教學手段。移動學習正是針對知識點繁多、知識模塊分散、實踐結合困難課程的一種有效手段。

1 面向移動學習的課程內容解構

移動學習在一般情況下是利用碎片時間進行的，基于碎片化時間的學習對學習內容有著與課堂學習不同的結構要求，需要對課程內容從學習持續時間的短時性、學習對象的概括性、難點重點的針對性等方面進行二次規劃和設計。

1.1 過程通道

在本課程中，過程通道主要針對分散控制系統中的數據采集、輸出和過程抗干擾。在移動學習過程中，理論學習的重點內容是掌握逐次逼近式A/D轉換器和雙斜積分式A/D轉換器的工作原理和工作工程，與實踐結合的重點內容是讓學生明白過程通道在分散控制系統中并非抽象概念而是具體設備。

對于逐次逼近式A/D轉換器，可以分解為二分法學習、二進制數碼特征學習、轉換與查找關系理解、轉換（查找）工作流程等四個方面。對于雙斜積分式A/D轉換器，可以分解為積分器工作過程類比水池注水放水、振動次數與時間關系、轉換器位數與積分時間的標定、反向積分斜率不變理解、轉換工作流程等五個方面。與實踐結合方面可以以研華的數采模塊為例，向學生展示典型研華模塊的技術手冊和模塊圖片，可以在建立感性認識的同時通過理解技術參數檢驗學習的有效性。

進一步的可以在手機上建立數據采集人工模擬轉換練習，學生選擇一個電壓，通過逐次運算給出每次偏大偏小情況反饋和每次從高位向地位逐次逼近的過程，將靜態教材上的文字描述轉換為動態的計算過程，更加便于學生學習理解。

1.2 數據通信與網絡

數據通信與網絡部分涉及的通信與網絡知識背景很多，但是在本課程中需要把握好熱能與動力工程專業學生的學習邊界，在有限時間內過于深入的學習反而不利于學生掌握該部分知識。因此該部分采用“輕理論、重應用”的原則進行結構，重點在于使學生能夠掌握火電廠常用的串行異步通信和網絡協議。串行異步通信是學習網絡通信相關概念的載體，本部分可以分為電平與數據位的關系、信息幀格式、數據檢驗方法、波特率等四個方面，通過在手機端展示串行異步通信相關的設備（如雙絞線、232-485轉換器）、結合先修的編程語言課程介紹COM通信組件的使用方法并演示火電廠現場串行異步通信過程，將理論知識點轉換為“看得見“的設備，指導學生完成通信實踐并理解對于本專業而言比較空泛的知識點。

網絡協議部分重點在于理解網絡協議的“語義、語法、定時關系”三要素，如果按照傳統課堂教學的方式進行，學生將只能記住三要素并不能理解其在火電廠的通信過程中如何發揮作用。因此本部分結合工控系統中最為常見的Modbus協議來進行分解，首先引導學生理解控制系統中的通信要求（模擬量與開關量的輸入輸出），然后以開關量為范例，通過“01代表請求開關量狀態、05代表強制開關量狀態”使學生理解語義，通過“從站號+指令碼+操作對象+操作值+校驗碼”的排布順序使學生理解語法、通過“返回的指令碼與請求的指令碼”一致使學生理解定時關系。進一步通過簡化的火電廠時間同步模型，指導學生建立自己的網絡協議并進行通信。

1.3 模擬量控制

模擬量控制部分主要是數字PID算法的學習和數字PID的工程實現。對于數字PID算法的推演和理解，并不適合在移動終端上進行，但是其中積分與微分改進算法的原理與過程則可以通過碎片化時間進行預習復習和強化。數字PID的工程實現部分由于其偏工程化的特點，非常適合在移動終端進行學習。

數字PID算法的積分和微分改進，可以分解為積分分離算法積分閾值取值不當比較、變速積分算法積分速度控制與典型分段函數、預限削弱積分法計算過程、消除積分不靈敏區的誤差放大原因、一階慣性環節傳遞函數到離散化算式的公式特點等五個部分。

數字PID的工程實現可以分解為工程實現整體環節、報警死區與FSSS中火檢器火焰判斷的類比、各類計算結果補償、微分方式的工程化處理等四個部分。

1.4 分散控制系統

分散控制系統部分的學習一方面建立在對各支撐技術的基礎之上，另一方面需要結合具體的工程和現場情況進行學習，主要包括現場工程師站、操作員站和控制站的理解。該部分以補充拓展材料的方式進行，介紹Ovation、Symphony、I/A Series等典型DCS的功能與特點。

2 基于微信的移動學習平臺構建

移動學習是數字學習的自然延伸，這種學習方式強調學習者可以在任何時間、任何地點通過手機、平板電腦等終端設備并借助移動網絡獲取學習資源、執行學習行為。近年來，移動終端、移動網絡以及移動開發技術的發展深刻影響了移動學習平臺的構建和移動學習的落地。

國內的移動學習平臺在2015年之前主要以移動應用程序和移動教學網站為主，但由于平臺的多樣化和終端設備的碎片化，移動應用的方式存在開發成本高、升級難度大、更新進度慢等問題。2015年之后，微信作為通訊與社交工具在國內大規模的展開應用，隨著微信應用的廣泛展開，其同步增加了開放平臺的延伸功能，微信公眾平臺是運營者通過公眾號方式為微信用戶提供資訊和服務的平臺，該平臺提供了通用的開發接口和一致的界面標準，這些接口和標準可以大幅的降低開發難度，克服平臺碎片化帶來的軟件開發困難，協助開發者高效的建立專用移動化平臺。

在面向移動化學習對火電廠計算機控制課程內容進行解構之后，結合微信平臺提供的開發功能，可以建立有效的課程移動化學習平臺。火電廠計算機控制移動學習平臺的功能模塊如表1所示。

本文獲南京工程學院教學改革項目支持，項目編號JG201317。

表1 火電廠計算機控制系統移動學習平臺功能模塊

3 基于HTML5和Javascript的平臺開發

微信公眾號的開發主要基于微信所提供的各類接口和微信內嵌頁面，微信公眾平臺開發者文檔提供了菜單定制、消息管理、頁面開發包、素材管理、用戶管理、賬號管理等方面的標準接口，基于這些接口并結合HTML5與Javascript語言，即可開發出應用平臺。

3.1 HTML5技術棧

HTML5是HTML（可擴展標記語言）的最新版本，在該版本中引入了新的語義、本地存儲、設備兼容、網絡連接、網頁多媒體、三維與圖形以及用以強化效果的CSS3等特性，這些新的特性使開發者可以在移動端微信中嵌入與本地應用體驗相同的功能。

3.2 基于jQuery的Javascript開發

HTML5用來進行頁面渲染，但應用的可交互性是通過Javascript來實現的，但是原生的Javascript語言在程序編制、頁面元素控制以及終端平臺適配方面需要編制大量代碼，使用jQuery類的開發框架，可以進一步降低微信平臺的開發難度，提升頁面應用的開發效率。

3.3 基于二維碼技術的微信平臺互動功能

二維碼是嵌入了數據符號信息的平面圖形，其中可以包含特定的字符信息，該支付信息可以引導用戶進行交互式的應用。基于微信的移動學習平臺可以利用微信提供的二維碼掃描功能，由教師提前制作好教材內容和課堂講授內容所對應的二維碼，學生可以隨時將移動學習平臺與教材和課堂對接，實現無學學習方式切換邊界的移動學習。

4 結論

通過在火電廠計算機控制課程中引入移動學習手段，建立移動學習平臺，可以使學生在正常的學習途徑之外，將學習融入到生活中，隨時隨地的進行靈活的自主學習，并可進一步的加強教與學的互動，在實際教學過程中是一種促進教學效果的有效手段。

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TM621；TP311.52

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1671-0711（2017）03（上）-0128-03