新工科背景下“計算機控制技術”實驗課程創新研究

［摘 要］ “計算機控制技術”課程的學習，旨在讓學生掌握工業控制計算機系統分析方法、軟硬件的設計、工程實現技術，但實際工業生產現場對于在校大學生來說是非常陌生的。傳統教學方法通過課堂理論講解和實驗室相結合，雖然能夠加強學生對理論部分的理解，但很難達到與實際生產應用相結合，學生不能真正達到從事計算機控制系統設計研究、安裝調試的基本工作。針對以上問題，提出實驗內容和實驗實施的改革研究。近幾年的教學結果表明，此方法能夠有效提高學生的工程實踐能力。

［關鍵詞］ 新工科；工程實踐；實驗教學；創新研究

［基金項目］ 2021年度寶雞文理學院第十六批校級教學改革研究項目“新工科背景下計算機控制技術課程實踐教學創新研究”（21JGYB47）

［作者簡介］ 孫曉娟（1979—），女，陜西澄城人，工學碩士，寶雞文理學院電子電氣工程學院講師，主要從事電氣自動化研究。

［中圖分類號］ G642.4 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）09-0087-04 ［收稿日期］ 2023-10-23

引言

“計算機控制技術”課程是電氣工程及其自動化專業的專業課程，也是電子信息、機電一體化等專業的選修課，在與電類相關專業人才培養方面具有非常重要的地位。

王超等［1］在分析“計算機控制技術”課程定位時提道：“課程教學效果的優劣對學生綜合應用能力、解決實際問題能力會產生直接影響?！闭n程的主要內容包括工業控制計算機系統的分析方法、軟硬件系統設計及工程實現技術［2］。在新工科背景下，學習本課程之后，學生應該具有工業控制計算機系統的理論分析和設計能力、實際工程項目的開發和研究能力。

實驗教學是“計算機控制技術”課程的重要組成部分，傳統上以理論教學為主，實驗教學主要是驗證性實驗和演示性實驗［3］。為了適應新工科背景要求，應當堅持實踐與理論并重，采用先進的實驗教學理念、科學的教學體系和教學方法，才能培養學生建立工程觀和系統觀，激發學生的創新精神和創新意識，提高學生的實踐能力和綜合設計技能。實驗內容應該精簡理論性過強、實踐性過低的內容，增加綜合設計性實驗，加強創新研究性實驗，這樣才能滿足新工科人才培養的要求。

一、課程實驗教學內容

（一）傳統實驗教學內容

近年來，大部分實驗教學環節是按照以下三個方面培養學生的實踐能力：一是基礎驗證性實驗，二是綜合設計性實驗，三是創新研究性實驗［4］。驗證性實驗是對課程理論知識的理解驗證，此類實驗對應的課程目標是學生能夠驗證所學的理論知識，掌握信號的采集、測量和分析方法，對實驗數據的處理方法，掌握輸入輸出接口與過程通道的軟硬件測試方法，如A/D和D/A轉換實驗。綜合設計性實驗要求學生綜合應用所學的相關知識，依托實驗臺獨立設計用于計算機控制系統的控制算法和參數，并獨立完成實驗，如數字PID算法仿真實驗。創新研究性實驗鼓勵學生依托實驗平臺自行開發部分實驗，自行設計實驗內容。

傳統的三類實驗均依托實驗室實驗平臺進行，學生能夠與理論緊密結合，實驗能夠加強理論知識的學習，但達不到新工科背景下實踐與理論并重的目標，也無法真正培養出適應工程實踐的應用型人才，因此應該對傳統的實驗教學進行改革，提出新的實驗教學方法。

（二）創新實驗教學內容

創新實驗教學在傳統的實驗教學基礎上，更加注重認知訓練、基礎訓練和創新訓練。認知是對整個知識體系的認識，不再把實驗看作碎片的知識點?；A訓練是把基礎的理論知識融入項目過程，以體現基礎知識在項目中的重要性和關鍵作用，創新訓練注重創新能力的培養，使學生能夠從項目的學習、分析、設計過程中提出自己的思路和方法，結合當前實際應用情況，提出創新設計思路和解決方案。本課程實驗課在人才培養方案中的要求如表1所示。

創新實驗教學更加注重項目引領，實驗內容以實際工程項目為引領，由校企合作導師提出實驗題目，學生通過理論課學習，設計方案，在實驗室設計算法程序以及仿真運行，最后到校企合作企業進行實物的試運行，讓實驗成為簡單工業化實習。創新實驗教學可以引入各類競賽項目，如電子設計大賽、機器人創意設計大賽、大學生創新創業項目。這樣可以激發學生的學習興趣及科研熱情。

二、課程實驗教學改革

（一）仿真實驗與工業化實踐相結合

1.優化實驗題目。實驗題目減少理論性過強、實踐性過低的題目［4］。比如在傳統實驗教學中，設置數字PID調節器的仿真實驗，此實驗旨在讓學生掌握數字PID調節器的工作原理，針對給定的理想模型進行仿真測試，觀察PID調節效果。這樣的實驗完全可以在理論課中進行，由于學生已經有了“自動控制原理”課程的學習基礎，對P、I、D參數對系統的影響有了深刻的理解和認識，因此在本課程中，要盡量避免重復講解，取消本實驗內容。

增加與PID相關的實際應用實驗，如PID溫度控制系統設計，傳統實驗方法是利用實驗臺上溫度控制系統實現單閉環溫度控制，學生可以通過實驗掌握溫度PID控制參數的配置和單閉環控制的基本原理，了解溫度傳感器的使用方法。溫度的采集模塊、控制模塊都已經在實驗臺上集成好，而且實驗室溫度環境相對穩定，這樣的設計仍然無法讓學生沉浸式感受工業控制過程，因此，在本課程中應注重與工業實際聯系緊密的應用型實驗內容。

在本實驗開始之前，組織學生到我校合作企業參觀實習，了解企業生產現場，了解控制對象、控制方法與生產流程。有了這樣的實習經歷，應用型實驗不再由教師給出題目，而是由合作企業的企業導師結合我校情況，給出實驗題目、實驗要求等。數字PID控制實驗由原來的兩個實驗改為一個綜合性實驗：加熱爐恒溫溫度控制系統設計與實現?？刂破骺梢栽O計為數字PID控制算法、最少拍控制、大林算法等。這些內容都與本課程的重點、難點相契合［5］。

（二）校企聯合完成實驗內容

針對加熱爐溫度控制系統的設計，由合作企業導師給出實驗要求，控制器、傳感器、執行機構等都是實際企業所采用的產品。學生從設計方案開始，按照企業工藝流程進行，系統以PLC為溫度控制系統的核心，以工控機作為上位機，以溫度傳感器采集溫度信號。其中，上位機人機界面完全按照企業實際情況進行設計，PLC及擴展模塊也與企業匹配，根據實際企業溫度指標進行設計。在實驗室完成代碼的編寫和程序調試，以及整個仿真過程，然后到企業現場調試運行。在此過程中，學生親身直觀感受工業生產過程，設備運行、參數采集都是實際的生產過程，理論學習與實際完全結合。上述設計過程如圖1所示。

在實際生產現場的調試過程中，學生會發現，實驗室調試好的程序在企業現場并不能達到溫度恒定的結果，經過學生的現場分析和企業導師的講解，學生會發現在生產現場有很多不可控的干擾因素。因此，在設計的過程中，必須考慮到干擾等影響，設計過程中加入軟硬件抗干擾措施，才可以達到更好的控制效果。另外，有學生發現即使按照企業導師的指導加入抗干擾等措施，仍然無法達到一些指標的精度要求，這又是為什么呢？由此，激發學生再學習、再研究的興趣。其中，一組學生提出了最少拍算法、大林算法；一組學生通過查閱資料，了解了智能控制的算法、模糊PID、神經網絡PID等新的控制方法，為后續“智能控制”課程的學習打下了基礎。

（三）以大賽內容引領實驗教學

在實驗課程教學中，可以參考中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生電子設計競賽、中國人工智能大賽、中國機器人大賽等項目，選取大賽項目為目標設計實驗［6］。由學生分組確定項目立項方向、研究內容和創新點等，實驗的實施不再固定在專門的實驗室，可以在學校創新創業中心和其他相關實驗室進行，把傳統的固定實驗時間、實驗地點靈活化，把設計成果按照一定比例計入總評成績，學生可自主全程參與分析設計及實現。筆者以2020年中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽為目標，組織學生以大賽題目進行實驗，完成整個設計過程、實物制作、調試等，并撰寫設計報告。在此過程中，學生積極參與并完成設計。學生對整個控制系統有了更加全面的了解，把各門功課、各個章節碎片化的知識有效結合，有了系統的認識，其中，一組學生的作品獲“互聯網+”大賽西北賽區三等獎，極大增強了學生的自信心。

（四）實驗教學改革效果評價

從筆者所帶的2017級自動化班學生的情況來看，實驗教學創新改革后，課程各個指標點的達成度取得了較為滿意的效果。取消了以往純理論驗證性實驗，讓各個相關課程之間不出現知識點的重復；將傳統依托實驗平臺的綜合設計性實驗改為與企業結合進行設計，讓學生從理論到實踐，再到實際的企業現場，對整個控制過程有了直觀的了解和認識，并且本班有一名學生直接入職校企合作企業；加入創新項目內容，通過以大賽題目進行實驗，激發學生興趣，鼓勵學生創新，獲得了良好的學習效果。

結語

本文針對新工科背景下“計算機控制技術”課程實驗教學存在的問題進行分析，提出了從實驗題目的選取到實驗具體的實施方案設計，取消純理論驗證性實驗、綜合設計性實驗，采用校企聯合的方法，讓學生了解實際控制對象與控制過程。增加創新性實驗，讓學生在賽中學、學中賽，激發學生的創新意識和學習主動性。近兩屆畢業生調查結果顯示，從事與計算機控制技術相關工作的畢業生獲得了用人單位的廣泛好評。采用這樣的實驗方法有利于學生快速適應未來的工作，為社會提供有用的應用型人才，課程教學改革效果較好。

參考文獻

［1］王超，孫宏軍，丁紅兵.“計算機控制技術”課程定位與知識梳理［J］.電氣電子教學學報，2021，43（6）：22-26.

［2］于海生.微型計算機控制技術［M］.北京：清華大學出版社，2017：13-74.

［3］董德智，吳圓圓，周松林，等.“新工科”背景下虛實結合的計算機控制實驗教學方法［J］.實驗技術與管理，2021，38（6）：175-180+184.

［4］張婧，蓋文東，高宏巖，等.“計算機控制技術”課程教改研究與實踐［J］.電氣電子教學學報，2017，39（3）：91-94.

［5］李敏艷，張繼勇，楊鵬.工程教育專業認證背景下的計算機控制技術實踐教學［J］.中國現代教育裝備，2019（7）：82-83+86.

［6］初紅霞，王希鳳，謝忠玉，等.工程教育專業認證背景下計算機控制技術課程教學改革研究［J］.中國現代教育裝備，2021（5）：76-78.

Research on the Innovation of Computer Control Technology Experimental Course under the Background of Emerging Engineering Education

SUN Xiao-juan

（Department of Electronic and Electrical Engineering， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji， Shaanxi 721016， China）

Abstract： The study of “ Computer Control Technology “ course aims to enable students to master the analysis method of industrial control computer system， the design of software and hardware， and the engineering implementation technology. However， the actual industrial production site is very unfamiliar to college students. The traditional teaching method can strengthen students ‘ understanding of the theoretical part through the combination of classroom theoretical explanation and laboratory. It is difficult to achieve the combination with the actual production application. Students can not really achieve the basic skills of computer control system design and research， installation and debugging. In view of the above problems， this paper puts forward the reform of experimental content and experimental implementation. The teaching results in recent years show that this method can effectively improve students’ engineering practice ability.

Key words： emerging engineering education; engineering practice; experimental teaching; innovative research