微機控制技術課程在線教學方法探索

蘇海濤 徐翠鋒 胡鴻志 許金 郭慶 胡聰

基金項目：桂林電子科技大學研究生教育創新計劃資助項目（2019YXW08），桂林電子科技大學教育教學改革項目（JGA201801）

受新冠疫情影響，我國高校在疫情期間多數采取了在線教學方式完成相關課程的教學，極大的促進了在線教學在教育領域的應用和發展。微機控制技術將模擬電子技術、數字電子技術、計算機技術等相關知識與自動控制原理緊密結合，廣泛應用于交通控制、工業制造等領域中[1，2]。隨著我國經濟結構的調整，微機控制技術將更加深入的滲透至各行各業。開展微機控制技術在線教學方法的探索，進一步培養學生的學習習慣，提高學生的工程素養，可適應“中國制造2025”對專業人才需求的新形勢[3，4]。

我校是以電子信息為特色的中西部高校，針對測控技術與儀器專業開設了“微機控制技術”課程。本課程包括34學生的理論講授和6學時的實驗授課。理論部分主要計算機控制系統的概念、過程通道原理與設計方法、數字程序控制技術以及數字控制器的設計方法;實驗主要要求學生將理論用于實踐進行驗證和設計。

1 微機控制技術課程特點

我國產業升級和換代對自動控制類人才培養提出了新要求，同時受新冠疫情對授課方式的影響，微機控制技術課程的教學出現了新的不同特點。

首先，課程教學更需要緊密結合微機控制技術應用和發展。微機控制技術應用和發展為課程的教學和學習提供了大量的素材和實例，只有充分的吸收和利用這些素材，課程才能夠具有更強粘性以吸引學生。尤其是當前受新冠疫情影響，在線授課若仍然按照線下方式進行設計和實施，學生的自主能動性更加容易降低，導致授課和學習效果不佳。

其次，課程教學需以學生中心。學生是學習的主體，以學生為中心則要求教學方式要以結合學生學習興趣為主進行。學生對新事物的認知可看作是從感性到理性的過程。所以微機控制技術的課程教學需遵循這種認知過程，以此推動學生學習保證教學效果。

最后，課程考核要從多方面綜合考察學生學習情況進行。每個學生的學習能力和優勢不同，使得學生對新事物的認知側重點不同。要以學生為中心保證教學質量，就需要對學習過程和結果從多方面進行綜合評價。

2 結合揚聲器自動測試系統的在線教學方法探索

針對微機控制技術課程的特點，本文將揚聲器自動測試系統的科研項目成果引入到課程教學中，以科教聯合方式從教案設計、授課安排、課后考核探索該課程的在線教學方法，提升學生的工程素養。

2.1 揚聲器自動測試系統簡介

我國是揚聲器的生產與出口大國，在揚聲器出廠前對其進行標準化測量可提高產品質量，增加產品附加值[5]。揚聲器自動測試系統應用微機控制技術，無需人工干預可完成流水線上揚聲器的全自動測試和分類[6，7]。

首先計算機利用工業相機對生產線上揚聲器進行拍照并識別出揚聲器焊點，然后控制機械裝置將揚聲器拾取到檢測工位并將焊點對準測試探針，接著計算機控制探針伸出接觸到焊點，同時控制待測揚聲器發聲并采集傳聲器信號進行揚聲器性能參數分析，最后根據分析結果利用機械裝置拾取并完成分類。該計算機控制系統的原理框圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 測試系統原理框圖

圖2 測試系統實物圖

該揚聲器自動測試系統是微機控制技術的典型應用。機械裝置中使用四個步進電機完成各個動作，對機械裝置的控制采用閉環結構，工業相機的控制涉及數字量輸入通道的設計，聲信號的發射和接收涉及模擬量輸入通道和模擬量輸出通道的設計?？蔀橛嬎銠C控制技術課程的教學提供難度適中、緊貼實際的工程案例。

2.2 在線教學的教案設計探索

傳統教學中對微機控制系統的原理和設計介紹均較為抽象。在線教學為更能形象生動的耦合學生興趣，采用“提出具體問題——分析問題——解決問題”的方式對授課內容進行細化。其中的“具體問題”便是揚聲器自動測試系統設計中面臨的問題。

在進行計算機控制系統概述介紹時便給出揚聲器自動測試系統案例，通過文字介紹、照片、結構框圖、視頻等方式加深學生對計算機控制系統的理解和認識。在對過程通道的講解中，將揚聲器自動測試系統的聲、圖像、機電的輸入輸出進行具體設計和分析，讓學生能夠清晰的掌握理論知識和實際應用。在介紹數字程序控制技術、數字控制器設計時，結合揚聲器自動測試系統中機械裝置的步進電機控制講解逐點比較法插補和步進電機控制技術。

現以聲信號的模擬量輸入通道進行詳細說明。傳統授課時先給出如圖3所示結構框圖，然后對框圖中每個模塊給出典型原理電路進行分析和介紹。

圖3 傳統授課模擬通道結構框圖

圖4 揚聲器自動測試系統的聲信號模擬量輸入通道

在線教學的教案設計中，按照揚聲器自動測試系統的聲信號模擬量輸入通道（如圖4所示）進行展開。先用視頻、圖片的形式展現聲信號采集的過程，然后給出麥克風的性能參數，對聲信號的輸入通道來說即要完成麥克風輸出信號的調理和采集。麥克風輸出信號通常約為幾十毫伏，要完成微弱信號的調理和采集，需要設計放大電路、濾波電路、A/D轉換電路，由于聲信號和電流信號要同時輸入計算機，所以需要使用多路模擬開關、采樣保持器或者同步采樣A/D。如此面對具體工程問題來進行分解和細化，讓學生能夠從傳統的學習者轉換為工程問題的分析和解決者。

2.3授課安排與考核探索

與傳統線下授課方式相比，在線授課無法通過課堂上學生表現來直觀的了解學生當前掌握程度，并以此來調整授課安排。為解決該問題，在線授課將授課安排與課堂測驗考核、課堂大作業等密切聯系。首先，在線授課完成一個知識點后，隨即進行隨堂測驗，并及時進行在線提問和點評;其次完成一節內容授課后，安排隨堂測驗或課堂大作業，及時動態的了解學生掌握程度，并進行授課安排調整。

課堂測驗考核、課堂大作業的內容來源仍然結合工程實例進行安排。如模擬量輸入通道的內容授課完成后，布置了結合真無線耳機工程案例的隨堂測驗。真無線耳機是近年來電子消費市場非常火爆的產品，測驗內容是根據真無線耳機功能畫出該耳機的模擬量輸入通道框圖，并逐模塊進行分析。測驗和作業內容與授課中的工程案例密切相關，均是關于聲信號的調理和輸入，且與授課內容密切相關。這就要求教師在備課過程中充分準備案例，并思考如何將案例與內容有機結合。

課程最終考試仍然是結合授課和測驗中的案例進行合理安排。本課程最終的期末考試中安排了填空題、簡答題、綜合與計算題。三種題型中均是材料為主的題目，即根據給出的工程案例材料進行分析和解答。由于案例和題目是相互結合，且與教師科研項目相關，最終均需要學生結根據平時所學進行作答，考核效果與開/閉卷的方式無關，保證了最終考核與授課的緊密聯系。

3 結語

新冠疫情影響給我國在線教育帶來了極大的機遇和挑戰。針對我國產業升級新形勢下微機控制技術課程特點，結合教師科研項目展開課程在線教學探索。以學生為中心從教案設計、授課安排、課程考核方面，采用“提出具體工程問題——分析問題——解決問題”方式耦合學生學習興趣，鍛煉學生解決實際工程問題的思維方法和學習能力，為今后相關專業本課程在線教學提供實際參考。

參考文獻

[1] 曹佃國，王強德，史麗紅.計算機控制技術[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[2] 司榮國，賈成真，王靈梅，鮑玉濤，劉玉山.基于5 MW風機模型的變初值模糊PI變槳控制技術研究[J].可再生能源，2020，38（06）：778-783.

[3] 林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017，38（02）：26-34.

[4] 教育部高等教育司.“新工科”建設復旦共識[J].復旦教育論壇，2017，15（02）：27-28.

[5] 王以真，實用揚聲器技術手冊[J].北京：國防工業出版社，2003.

[6] 黃湖，張文斌，蘇海濤，倪瑞.基于LabVIEW的揚聲器焊點檢測算法研究[J].儀器儀表用戶，2020（03）：21-24.

[7] 郭慶，沈澤鴻，蘇海濤，徐翠鋒，黃耀福.基于LabVIEW的揚聲器頻率響應曲線測量系統的設計[J].儀器儀表用戶，2018（02）：1-4+31.