《計算機控制系統(tǒng)》教學(xué)改革的探討

林偉 李丹菁 蔡丹鳳

[摘要]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)高級應(yīng)用型技術(shù)人才已日益重要。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際競爭力的高層次應(yīng)用技術(shù)人才，促進學(xué)生未來的可持續(xù)發(fā)展，作為對計算機控制系統(tǒng)（Computer Control Systems）課程的教學(xué)改革，調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引進實施全英文授課。同時，通過課內(nèi)實驗，學(xué)生項目，校企合作等多種渠道結(jié)合，大大提高了學(xué)生的實踐能力以及綜合應(yīng)用能力。

[關(guān)鍵詞]高層次應(yīng)用技術(shù)人才;可持續(xù)發(fā)展;計算機控制系統(tǒng);全英文授課;校企合作

Abstract： Along with the development of modern industry， it has become increasingly important to cultivate high-grade engineers. In order to cultivate innovative and practiced， high-grade engineering talents with international competitiveness， to improve the future sustainability for the development of our students， as a teaching reform for the course “Computer Control Systems”， we reorganized the course contents and implemented teaching-in-English. Meanwhile， the practical abilities and integrative abilities of students were highly enhanced by implementing in-course labs， student projects， and University-Enterprises Cooperation activities.

Keywords： high-grade engineers，sustainability for the development of students，Computer Control Systems，teaching-in-English， University-Enterprises Cooperation

近年來，能源、動力等各行業(yè)在向著大型化、自動化、高效化、節(jié)能化、環(huán)保化的方向加快發(fā)展，相關(guān)的控制工程要求也越來越復(fù)雜。這些行業(yè)高層次自動化專業(yè)技術(shù)人才對計算機控制先進應(yīng)用技術(shù)的掌握需求也更為迫切。為此，作為電氣工程及其自動化類專業(yè)四年級上學(xué)期專業(yè)主干課程，我校（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院）開設(shè)了計算機控制系統(tǒng)（Computer Control Systems），它也是自動化專業(yè)的核心課程。

《計算機控制系統(tǒng)》綜合了計算機控制系統(tǒng)的控制理論和先進的應(yīng)用技術(shù)，因此是一門理論與實踐密切聯(lián)系的課程。關(guān)于該課程的教學(xué)展開及教學(xué)改革，許多高校都進行了有益的探索[1-5]。目前，國際上幾乎所有研究型院校在本科高年級或者研究生學(xué)習(xí)階段都開設(shè)有本課程。傳統(tǒng)上，在這些高校中，本課程往往更多地偏重于理論內(nèi)容。

近幾年來，為了突出培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際競爭力的新型高層次應(yīng)用技術(shù)人才，我們在上海市教委開展的“上海高校示范性全英語教學(xué)課程建設(shè)項目”、本校開展的“校企合作課程建設(shè)項目”等的支持下，對本課程的教學(xué)進行了一系列改進研究[6]，下面展開談?wù)勎覀冊诮虒W(xué)改革中的體會。

1、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，注重學(xué)生可持續(xù)發(fā)展力

（1）理論與實踐平衡發(fā)展

作為應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，與前面提到的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容更偏重甚至只注重高深的理論有所不同，過去我校的《計算機控制系統(tǒng)》理論部分比較淺顯，更為偏向技術(shù)應(yīng)用。這是我校該課程的一個特色。相應(yīng)的，對于一些重要的基礎(chǔ)理論知識（例如采樣定理），往往只講結(jié)論。然而，在幾年的教改探索與實踐中我們發(fā)現(xiàn)，這樣的點到即止，容易造成學(xué)生知其然而不知其所以然的現(xiàn)象。而另一方面，一些偏技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容，可能會在授課時講過部分或全部，在課內(nèi)實驗或課程配套的學(xué)生項目中又會重復(fù)講到。因此，為促進學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展，我們對課程的理論與實踐內(nèi)容作了進一步的調(diào)整與平衡，適當增加了對基礎(chǔ)理論的講解，增加一些相關(guān)背景知識（例如，在講采樣定理時，加講頻率混疊等相關(guān)知識），讓學(xué)生在了解了理論的來龍去脈后，再講應(yīng)用，一則容易理解，同時也更加深了他們的印象，學(xué)習(xí)效果明顯。

（2）多方位提高學(xué)生綜合能力

在教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生對所學(xué)知識有直觀生動的理解，除了舉一些實例外，配合仿真演示也是很有效的手段。例如：學(xué)過PID控制及各種改進方法，史密斯預(yù)估控制等控制策略后，在課堂上搭建仿真模型，進行演示、比較不同控制策略的效果，以促進學(xué)生對課程內(nèi)容的更好理解。在仿真軟件的選取上，我們選擇了開源軟件SCILAB，這也是近年來在包括德國、法國等許多歐美國家的高校中更為常用的仿真軟件。對于學(xué)生將來的實踐以及工作而言，在能用計算機進行控制的同時，能用計算機進行仿真無疑也是個實用的輔助能力。雖然對仿真分析軟件（如Matlab）的使用學(xué)習(xí)有另外作為選修課開設(shè)，但許多同學(xué)或者因為時間關(guān)系，或者因為興趣關(guān)系，并不會選修，之前對這方面知識的接觸也不多。由于本課程在內(nèi)容設(shè)置上更多側(cè)重于介紹組態(tài)軟件等工業(yè)應(yīng)用軟件，沒有專門課時讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)計算機仿真軟件。但是，通過采用在課堂上當場進行模型搭建、仿真演示，同時配合簡單的講解，不斷地潛移默化間，學(xué)生還是掌握了一定的計算機仿真能力，綜合能力得到了提高，同時也為有需要的學(xué)生將來的進一步研究深造打下了基礎(chǔ)。

（3）增強國際競爭力

計算機控制系統(tǒng)本身涉及大量不斷推出的前沿技術(shù)，其中許多來自于歐美發(fā)達國家。這在未來的工作中，對學(xué)生的國際競爭力提出了較高的要求。首先他們要在具有較高的英語應(yīng)用能力的基礎(chǔ)上，熟練掌握計算機控制系統(tǒng)的專用術(shù)語詞匯。他們不但要能適應(yīng)國際化的工作環(huán)境，還需要有能力不斷地直接更新、學(xué)習(xí)這些日新月異的新技術(shù)。

為此，作為本課程改革的一部分，我們把英語教學(xué)引進了課堂中，與許多歐美國家的高校一樣，采用經(jīng)典的英文教材，制作全英文課件，包括平時的作業(yè)以及考試，也都全部使用英文進行。課程建設(shè)的實踐表明，全英文教學(xué)一定程度提高了學(xué)生的英文應(yīng)用能力，大大擴大了他們對原文專業(yè)術(shù)語（尤其是中外業(yè)界說法不一一對應(yīng)的專業(yè)術(shù)語）的掌握，增加了他們對專業(yè)新技術(shù)的了解，最終提高了他們進行專業(yè)層面國際交流和學(xué)習(xí)、工作的興趣與能力。一個意料之外的效果是：目前一些學(xué)生已經(jīng)主動開始嘗試用英文進行專業(yè)小論文的撰寫。

2、加強實踐性，引進校企合作環(huán)節(jié)

為了順應(yīng)培養(yǎng)高層次應(yīng)用人才的要求，除了在課堂講授中增加實例案例外，我們從課堂實驗，學(xué)生項目和校企合作三方面入手，從而有效增強學(xué)生實踐應(yīng)用能力。

《計算機控制系統(tǒng)》是一門綜合性較強的課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)了必要的理論知識后，對于如何正確實施數(shù)據(jù)的輸入輸出，采取合適的控制策略組建控制系統(tǒng)有了基礎(chǔ)的認識，但是依然缺少綜合直觀的印象及動手實踐。因此，在本課程的理論課之外，需要進行實驗實踐的訓(xùn)練，這包括課內(nèi)的實驗環(huán)節(jié)以及理論課講授全部結(jié)束之后另外配套一到一周半的學(xué)生項目環(huán)節(jié)。這兩個動手實踐環(huán)節(jié)都是學(xué)生學(xué)習(xí)的必要部分，除了對已學(xué)過的理論課知識進行加深鞏固之外，還起到補充知識的功能。

（1）課內(nèi)實驗

課內(nèi)實驗的成功完成是學(xué)生能參加課程考試的前提條件。通過課內(nèi)實驗，可以促進學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解與掌握，加深鞏固理論知識，為之后的實際運用筑基。例如：我們在課內(nèi)實驗的環(huán)節(jié)，設(shè)計了簡單的模擬量數(shù)據(jù)輸入輸出實驗，結(jié)合VB編程實現(xiàn)人機界面，對指定通道采集到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換等處理和顯示，同時將相應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出。這個過程中，學(xué)生建立了一個簡單的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對工控機的總線結(jié)構(gòu)，模擬信號、數(shù)字信號的理解以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理等有了更直觀的印象。另外，對于人機界面的設(shè)計，VB的編程也有了一定掌握。因課內(nèi)實驗課時的限制，有關(guān)控制及其實現(xiàn)部分的實踐訓(xùn)練留待配套的學(xué)生項目具體展開。

（2）學(xué)生項目

學(xué)生項目環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以有充分的時間，在進一步了解一般計算機控制系統(tǒng)類型的基礎(chǔ)上，利用實驗室的設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集模塊等，來完成一個小型直接數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計、搭建以及調(diào)試運行。

與課內(nèi)實驗不同，學(xué)生從現(xiàn)場的數(shù)據(jù)測量，傳輸，采集，轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，運算到數(shù)據(jù)的輸出和執(zhí)行都一一參與設(shè)計及實施。整個過程中涉及到的知識面范圍較廣，包括測量變送，數(shù)據(jù)的輸入輸出通道，外設(shè)的驅(qū)動及通信，數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)處理，控制策略的選擇、改進及實現(xiàn)，參數(shù)的整定，抗干擾及可靠性技術(shù)等等。這些內(nèi)容在理論課中都已學(xué)過，但是學(xué)生當時明白、理解了，考試沒問題，也不一定代表真正深入吸收和能自由熟練地應(yīng)用。在學(xué)生項目中，通過設(shè)計到實現(xiàn)的過程，就是從不懂到懂，從知道到理解，從明白到深刻的過程。

此外，為了建立自動控制系統(tǒng)，學(xué)生還需要學(xué)習(xí)及使用相關(guān)的組態(tài)軟件，編制友好的人機界面?？紤]到時間以及理解效率的關(guān)系，在理論課講授部分，組態(tài)軟件的知識我們只是稍做介紹，沒有涉及具體的編程及應(yīng)用。實驗時，指導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做，邊試邊做，效果在軟件學(xué)習(xí)的同時得以即時展示，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及成果感大大上升，學(xué)習(xí)效率極大提高。

控制系統(tǒng)軟、硬件搭建好之后，需要不斷調(diào)試運行，達到要求的控制性能。在前面高效學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲，為了取得更好的控制性能指標，主動查閱參考資料，與教師深入探討，積極思考控制策略改進方案。調(diào)試時不斷發(fā)現(xiàn)、總結(jié)以及驗證經(jīng)驗、知識帶來的成就感使一些學(xué)生在課后依然不愿離開實驗室，一遍遍進行嘗試、思考以及改進，促進了對計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和步驟的掌握，最終出色完成了任務(wù)。正如他們自己回顧實驗過程時所說的，這樣的學(xué)生項目對于他們對理論課知識的系統(tǒng)鞏固、實踐能力的提高非常有價值，希望能多些這樣的機會。

（3）校企合作

直接數(shù)字控制作為一類典型的計算機控制系統(tǒng)得到較廣的應(yīng)用。然而，當前計算機控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化和節(jié)點智能化的方向在迅速發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)更是日新月異。由于或者是新技術(shù)的研發(fā)者，或者是新技術(shù)的使用者，這方面，企業(yè)往往就是新技術(shù)的風(fēng)向標。與企業(yè)合作，不但能為學(xué)生增加經(jīng)驗，提高工作能力，還能直接有利于他們對新技術(shù)的及時更新掌握。為此，近年來，我校與Rockwell Automation公司簽署了全面戰(zhàn)略合作協(xié)議，并共同建設(shè)自動化技術(shù)應(yīng)用研究工程中心。

在理論授課時，對于這類不斷更新發(fā)展的技術(shù)部分，我們引入校企合作。有三分之一的課時，請企業(yè)中的專家直接進課堂，為學(xué)生講授最新的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。企業(yè)專家有豐富的一線工程經(jīng)驗，在授課過程中，除了傳授最新的技術(shù)外，亦能隨時指點學(xué)生工程中的注意事項。例如，在講到集散控制系統(tǒng)時，我們請羅克韋爾自動化的專家為學(xué)生分別從A-B PLC的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、硬件體系、軟件構(gòu)成幾方面入手，系統(tǒng)介紹了相應(yīng)最新技術(shù)、產(chǎn)品及特點。專家的豐富案例，結(jié)合校企共建的集散控制系統(tǒng)實驗平臺演示，不但促進了學(xué)生對原本看起來雜散、枯燥、虛幻內(nèi)容的理解，同時也提高了學(xué)生的實踐能力。

3、結(jié)束語

本課程教學(xué)改革近年來的效果和經(jīng)驗表明，合理調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引進全英文授課，通過課內(nèi)實驗，學(xué)生項目以及校企合作等多方面增強實踐環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際競爭力的高層次應(yīng)用技術(shù)人才起到了較好的促進作用。

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作者簡介

林偉（1967-），男，上海人，學(xué)歷：碩士，工作單位：上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向：電子技術(shù)教學(xué)科研。