《分布式控制系統課程設計》教學實施與改進

張愛華 周俊 雷菊陽

摘要：《分布式控制系統課程設計》是分布式控制系統的后續實踐環節，是提升高校工科學生綜合能力的重要實踐課程。以往教學時通過預制選題，鑒于實驗時間、環境和題庫數目的限制，以小組為單位完成上下位機的基本設計，難以讓每個學生充分地達成培養目標，也難以完成可量化的考核指標。在“新工科”要求和工程教育認證的背景下，本文從講解內容、硬件安排、分組方式、題目設計、過程指導和考核方式幾個方面提出全方位的改善方案，針對每個學生實現閉環考核回路，進而提高工科學生運用所學理論解決工程問題的能力，培養學生的創新思維。

關鍵詞：分布式控制系統;課程設計;教學環節;考核回路

課程設計是教學過程中提升學生綜合能力的有效手段。工程教育的目的是在學生從事職業前培養其具備較好的工程能力和深厚的技術基礎知識，為學生成為社會所需、實踐能力強的合格工程師提供專門技術、社會意識和創新精神等方面的學習教育[1]。《分布式控制系統課程設計》是上海工程技術大學機械與汽車學院機械工程及自動化、機械設計制造及自動化（現代裝備與控制工程）的專業特色實踐類課程，以工程認證為契機更好地發揮課程設計環節的作用，通過《分布式控制系統課程設計》促進學生應用、鞏固、豐富所學的相關理論知識，讓學生學會綜合運用分布式控制系統、PLC、機械制造工藝與技術、機械傳動與控制、機械加工與生產線總體設計等專業理論知識解決實際工程問題[2]，建立團隊合作精神，提升實踐創新能力，是《分布式控制系統課程設計》教學工作的核心。

分布式控制綜合了計算機、通信、顯示與控制（4C）等技術，并隨4C技術的發展而不斷發[3]。目前《分布式控制系統課程設計》實施過程中學生以小組為單位通過抽簽的形式在給定題庫中選題，使用西門子系列PLC及Wincc組態軟件完成題目要求設計內容。課程設計為期一周。課程初始首先回顧《分布式控制系統》教學環節中組態軟件的使用方法、基本編程方法，講解一個綜合性強的典型實例，然后學生以小組為單位完成選定題目的基本程序設計，包括選定題目解讀，輸入輸出分配，程序規劃、編程和仿真，Wincc界面規劃、設計，以及對PLC程序的運行顯示。目前教學中發現一些小組存在學生分工不明確，個別成員偷懶也可以完成課程設計，一些小組對題目認識不夠，不知如何入手，還有一些小組完成初步內容以后不能深入研究，僅停留在表面，以及考核時難以難以量化考核指標等問題需要改進。

1.前期講解

以往《分布式控制系統課程設計》安排時距離《分布式控制系統》結束相對時間較長，需回顧理論教學環節中組態軟件的使用方法、基本編程結構，然后以運料小車的運料過程控制為例，給學生簡單展示PLC的組態方法和Wincc界面組態方法，演示運行結果。教學過程中學生關于程序結構規劃思路，典型的定時器、計數器和移位器使用等問題產生疑問，對Wincc變量建立也不夠熟悉，限制了學生程序開發時的創新性思路。為此，課程設計需要緊隨分布式控制課程教學進行安排，避免學生忘記已學過的課程，同時詳細分析運料小車的運料過程，程序設計思路、典型模塊的使用方法，以及Wincc組態過程。

另外，互聯網時代下“新工科”對學生網絡知識提出新要求，而分布式控制系統的工業現場網絡包括現場總線、工業以太網以及無線網[4]，因此需強化PLC及Wincc網絡互聯方案，使學生熟悉PLC與Wincc之間的通訊方法。

2.題目設置

原有題庫中題目數量偏少，而一些題目過于簡單而產生大量的閑置時間，如電機啟動一題要求學生星三角方式實現正傳和反轉;另外一些題目，由于學生不熟悉生產過程，難以理解實現方案，如油循環控制系統，為此需要讓每個題目盡量貼合常見的生產生活實際，提升學生們對問題的熟悉度，提高學生解決問題的積極性。

此外在題目數量上也需要進一步豐富，避免出現重復選題，同時也需要對每個題目嚴格把關，設置合適的難度，并提出具體的程序結構設計要求和組態要求，如學生有自己的創新想法需要解釋說明并體現在報告中，鼓勵學生自主性和創新想法。

3.分組方案

以往教學過程中通過限制學生人數進行分組設計，一般3-4人一組，而有時由于人數較多導致實驗室計算機數目不足，而實際真正動手進行設計的學生每組中只有1-2人，其余學生偷懶也能完成。為了使每個學生都得到鍛煉，可以綜合利用附近其它實驗室的資源，并鼓勵學生自帶電腦，盡量分配學生2人一組完成設計，若學生人數為單數，可以通過學生意愿出現一個3人一組或1人一組的情況，這樣既可以有效提高學生參與度，又不影響培養學生團隊合作能力。

4.程序設計

在程序設計結構、流程、以及Wincc實現的界面顯示中突出學生的主導作用，采用多種形式的教學方法，根據學生的實際情況，按不同的學生分類指導和因材施教。對于基礎較差的學生，需依靠教師的主導作用，直接進行正面的幫助，確保學生提交合格的課程設計材料，并弄清基本設計內容，獲得基本的綜合應用的鍛煉;對于學習基礎較好的學生，需要適時采用啟發引導式的教學方法，激發學生的創新創意的思路;對于基礎中等的學生，則可將上述兩種教學方法結合起來，既保證了其綜合應用能力的提高，也可催化學生的創新意識的產生。另外，針對學生當天存在的共性問題使用集中輔導答疑的方法進行，在教學過程中特別要注重引導學生自主解決問題，通過鼓勵學生激發實踐過程中的創新性思維。

5.考核環節

在工程教育認證的背景下應重視在考核過程中實現可量化的考核指標，評價內容應涵蓋學生學習表現、學習質量及學習成果分享能力等方面，形成閉環的考核回路。考核過程可以通過學生打卡簽到情況（10%），完成題目要求后每組現場答辯時對問題表述的清晰度，合作情況，設計結果顯示正確性，問題回答清晰程度以及合理程度進行評價，并要求學生自己闡述核心問題及其解決方案（40%），實驗報告是否規范，實施方案規劃和分析正確度（50%）。

參考文獻：

[1]趙寶永.《分布式控制系統》課程的工程化教學模式研究[J].教育教學論壇，2015，（22）.

[2]董林，徐遠征，王連彬.以工程教育認證為導向的分布式控制課程設計實踐教學環節的優化研究[J].教育現代化，2018，（15）.

[3]謝七月，左毅.“集散控制系統”教學體系改革探索[J].中國電力教育，2014，（23）.

[4]衛星，魏振春，韓江洪.分布式控制背景下物聯網人才工程實踐能力培養[J].計算機教育，2013，（18）.

[5]王明紅，王大中，金全意.現代裝備與控制工程專業方向的專業課程設計環節安排的探討[J].教育教學論壇，2013，（41）.

作者簡介：

張愛華（1986-），女，黑龍江人，上海工程技術大學，講師。

周俊（1968-），女，安徽人，上海工程技術大學，副教授。

雷菊陽（1966-），男，湖南人，上海工程技術大學，副教授。

基金項目：本文系上海工程技術大學《生產系統的建模與仿真》課程建設項目資助項目（k201801001）的研究成果。