“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)改革初探

趙嵐

摘 要：針對(duì)“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用”課程的特點(diǎn)及教學(xué)要求，結(jié)合應(yīng)用型本科院校的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等方面探討了該課程的理論與實(shí)踐教學(xué)的改革方法。初步探索和教學(xué)實(shí)踐證明該方法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，從而提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 教學(xué)改革 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TK262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0119-02

“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用”是為自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課。這門(mén)課程的設(shè)置順應(yīng)了自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的需求，反應(yīng)了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)熱點(diǎn)。課程目的是使學(xué)生掌握工業(yè)通信的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)，了解當(dāng)前業(yè)界自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和最新技術(shù)，通過(guò)學(xué)習(xí)幾種應(yīng)用廣泛的總線系統(tǒng)的協(xié)議規(guī)范和開(kāi)發(fā)知識(shí)，初步掌握分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為今后工作和成為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用型人才奠定必要的工程技術(shù)基礎(chǔ)。

該文根據(jù)目前“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學(xué)現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題，提出了一些具體的教學(xué)改革措施，并在實(shí)際課程教學(xué)中加以實(shí)施，初步取得了良好的效果。

1 課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程特點(diǎn)

首先是知識(shí)覆蓋面廣?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)的全數(shù)字、串行、多點(diǎn)通信系統(tǒng)，是一門(mén)集控制、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)控制及智能儀表于一體的綜合性技術(shù)，具有知識(shí)覆蓋面廣，實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用”這門(mén)課程是學(xué)生在掌握了基礎(chǔ)的控制理論之后開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課，屬于自動(dòng)控制的前沿課程。其課程定位對(duì)學(xué)生的綜合知識(shí)和能力提出了比較高的要求。先導(dǎo)課程包括控制理論和過(guò)程自動(dòng)化，學(xué)生需通過(guò)進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信相關(guān)理論和知識(shí)，并在掌握特定的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)規(guī)范后，結(jié)合微處理器知識(shí)才能真正構(gòu)建實(shí)施一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制網(wǎng)絡(luò)。其次是技術(shù)更新快。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展日新月異，目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線，每種現(xiàn)場(chǎng)總線都具有自己的技術(shù)特性和占有各自的市場(chǎng)空間。在有限的學(xué)時(shí)數(shù)里，選擇哪幾種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)作為教學(xué)內(nèi)容，以及每一種總線的學(xué)時(shí)數(shù)安排，教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)都是教學(xué)實(shí)踐中要思考的重要問(wèn)題。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用”是近幾年才開(kāi)設(shè)的專業(yè)課程，加上該課程的知識(shí)點(diǎn)比較分散不成系統(tǒng)的特點(diǎn)，沒(méi)有太多的教學(xué)資源和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。目前教學(xué)實(shí)踐中的問(wèn)題主要有以下方面。

（1）教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)數(shù)少?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)知識(shí)點(diǎn)多，主要針對(duì)的學(xué)生多是自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)背景的，不具備相關(guān)的通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，因此對(duì)通信基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充是必不可少的。加上目前市場(chǎng)上主流的總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，技術(shù)各具特色，應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，學(xué)生在32個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)并不能完全掌握每一種總線類型。因此，必須有目的性地選擇某一到兩種總線規(guī)范作為重點(diǎn)，其余幾種總線標(biāo)準(zhǔn)作為知識(shí)的擴(kuò)充，使學(xué)生既熟練掌握某一兩種總線類型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法，又熟悉目前市面上流行的諸多總線的特性和應(yīng)用。因此在選擇總線類型和技術(shù)特性作為教學(xué)內(nèi)容時(shí)，既要考慮總線的應(yīng)用普及程度，也要考慮學(xué)生的實(shí)踐難易程度。因此，在課時(shí)數(shù)有限的情況下，如何選取合適的教學(xué)內(nèi)容，既能讓學(xué)生掌握必要的理論知識(shí)，又能使學(xué)生積累一定的工程實(shí)踐知識(shí)，是值得思考和探索的首要問(wèn)題。

（2）教材涵蓋面有限。目前，國(guó)內(nèi)高校使用的主流教材仍是以陽(yáng)憲惠編著的《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用》[1]為代表，有別于介紹單一總線類型的，或側(cè)重現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用與開(kāi)發(fā)的，該教材主要內(nèi)容分為兩部分：首先介紹了數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，然后重點(diǎn)介紹了一些具有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線。雖然該教材的涵蓋面相對(duì)較廣，但仍然存在一些不足。例如，對(duì)通信基礎(chǔ)知識(shí)的闡述不夠系統(tǒng)全面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的分析和應(yīng)用實(shí)例也較少，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的最新技術(shù)成果的體現(xiàn)也比較欠缺。這些不足，一方面不利于學(xué)生對(duì)系統(tǒng)知識(shí)的整體把握；另一方面不利于學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的深入理解和實(shí)際應(yīng)用，和對(duì)當(dāng)前的總線技術(shù)趨勢(shì)和前沿知識(shí)的了解。

（3）授課形式單一。課程授課仍以教師主體為中心，學(xué)生被動(dòng)接受為主要授課模式。由于理論知識(shí)點(diǎn)多而分散，各種總線規(guī)范又各不相同，過(guò)多理論和細(xì)則方面的介紹容易使教和學(xué)的過(guò)程變得枯燥無(wú)趣。學(xué)生往往停留在對(duì)基本概念的識(shí)記，而缺乏一定的工程理解和認(rèn)識(shí)。因此，如何設(shè)計(jì)合理的授課和互動(dòng)模式，增加學(xué)生的參與度，讓他們對(duì)課程產(chǎn)生興趣，并且學(xué)以致用，把枯燥的理論知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)踐中，掌握基本的工業(yè)通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法，反過(guò)來(lái)，通過(guò)工程實(shí)踐，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，都是亟需改進(jìn)的重要問(wèn)題。

2 課程教學(xué)改革探索

針對(duì)目前的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合該課程課時(shí)短而知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣、技術(shù)更新快的特點(diǎn)，我們做了如下嘗試。

2.1 教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)

理論內(nèi)容的編排主要包括以下部分。

（1）現(xiàn)場(chǎng)總線概述和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)。這一部分主要介紹現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、發(fā)展歷程、基本特點(diǎn)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例包括系統(tǒng)如何組建、布線，控制系統(tǒng)的功能塊和組態(tài)讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有初步認(rèn)識(shí)。

（2）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信基礎(chǔ)知識(shí)。這部分內(nèi)容主要包括通信系統(tǒng)基本組成，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型，和模型各層相關(guān)技術(shù)及主要功能，例如數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，介質(zhì)訪問(wèn)技術(shù)、差錯(cuò)控制技術(shù)等。自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的學(xué)生并不具備基本的通信理論知識(shí)，而現(xiàn)場(chǎng)總線作為工業(yè)自動(dòng)化中的通信技術(shù)和具體應(yīng)用，因此這部分內(nèi)容的補(bǔ)充是必不可少的。

（3）幾種應(yīng)用廣泛的主流現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。工業(yè)應(yīng)用廣泛且學(xué)生較易掌握的總線標(biāo)準(zhǔn)如CAN、Profibus總線作為重點(diǎn)，總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和最新成果如CANopen[2]、Powerlink、etherCAT[3]等總線標(biāo)準(zhǔn)作為補(bǔ)充拓展。這部分代表現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展方向的新興標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)界已得到廣泛應(yīng)用，但在現(xiàn)有教材中并未涉及，因此這部分內(nèi)容以多媒體PPT講稿提供給學(xué)生打印，作為他們學(xué)習(xí)資料的重要來(lái)源。除此以外，鼓勵(lì)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解相關(guān)總線技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。在總線類型的學(xué)習(xí)過(guò)程中，授課內(nèi)容和順序還必須注意與通信基礎(chǔ)理論銜接對(duì)應(yīng)，如每種總線按OSI模型的層次依次介紹各層功能和特性，這樣能使教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)明了，條理清楚，學(xué)生對(duì)概念的掌握也會(huì)更牢固。

2.2 教學(xué)形式不拘一格

為了活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不僅需要在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行改革，還需要在授課形式的多樣化上積極探索。

（1）充分利用多媒體進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。對(duì)于理論性較強(qiáng)或較抽象的概念，通過(guò)視頻，動(dòng)畫(huà)分解的方式描述復(fù)雜過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生比較直觀深刻的印象。如講解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中層次關(guān)系時(shí)，可以將數(shù)據(jù)從一臺(tái)主機(jī)傳輸?shù)搅硪慌_(tái)主機(jī)的過(guò)程，每經(jīng)過(guò)一層時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)生的變化情況，通過(guò)動(dòng)畫(huà)的方式描述。這樣學(xué)生能對(duì)一個(gè)抽象概念產(chǎn)生深刻而清晰的印象，從而很好地理解為什么通信網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行層次的劃分，以及實(shí)體、服務(wù)、協(xié)議的概念和關(guān)系。同時(shí)通過(guò)提問(wèn)和討論的方式，啟發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題，讓學(xué)生充分參與課堂互動(dòng)。并結(jié)合自己的課題，將總線相關(guān)的科研成果展示給學(xué)生。

除此以外，在Powerlink和etherCAT總線介紹的過(guò)程中，首次進(jìn)行了雙語(yǔ)教學(xué)的嘗試。學(xué)科前沿課程是進(jìn)行雙語(yǔ)教學(xué)的良好平臺(tái)，一方面學(xué)科前沿的最新成果通常是以英文形式呈現(xiàn)的；另一方面學(xué)生通過(guò)雙語(yǔ)的方式學(xué)習(xí)專業(yè)課程，既提高了專業(yè)英語(yǔ)的閱讀理解能力，也能更準(zhǔn)確地把握對(duì)專業(yè)名詞和知識(shí)要點(diǎn)的理解。通過(guò)作者一學(xué)期的教學(xué)嘗試，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)適當(dāng)英文術(shù)語(yǔ)的補(bǔ)充接受度高，對(duì)英文形式的技術(shù)熱點(diǎn)的學(xué)習(xí)興趣濃厚。

（2）創(chuàng)新實(shí)踐型教學(xué)。實(shí)踐性強(qiáng)是本課程的另一特點(diǎn)，因此實(shí)踐原則需貫穿教學(xué)過(guò)程的始終。實(shí)踐性強(qiáng)的課時(shí)部分，如總線標(biāo)準(zhǔn)的理論和設(shè)計(jì)可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。授課內(nèi)容可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，讓學(xué)生可以邊學(xué)理論邊實(shí)踐。通過(guò)完成一個(gè)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，讓學(xué)生理解有關(guān)芯片功能，和基于該芯片的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種方式，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也讓他們通過(guò)充分的實(shí)踐獲得一定的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力，從而較好地實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)。

如在學(xué)習(xí)CAN[4]總線一章的時(shí)候，通過(guò)應(yīng)用實(shí)例介紹以CAN總線為紐帶集成的車身控制和底盤(pán)控制系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)CAN總線的功能和整體構(gòu)架有初步認(rèn)識(shí)。接著，對(duì)應(yīng)OSI模型的層次結(jié)構(gòu)依次介紹CAN總線的各層功能，使學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的層次概念更加清晰。在學(xué)習(xí)CAN控制器和接收器芯片時(shí)，學(xué)生結(jié)合微機(jī)原理和單片機(jī)知識(shí)，設(shè)計(jì)出CAN的節(jié)點(diǎn)電路，并對(duì)CAN控制器的初始化、發(fā)送和接收功能模塊進(jìn)行編程。

（3）安排見(jiàn)習(xí)實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)。多數(shù)高校都在一些企業(yè)建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系，可以利用2個(gè)課時(shí)安排學(xué)生到企業(yè)見(jiàn)習(xí)，或在理論課程結(jié)束后到企業(yè)實(shí)習(xí)。通過(guò)向企業(yè)員工學(xué)習(xí)和聽(tīng)取專題報(bào)告，了解現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在工廠車間中的實(shí)際應(yīng)用情況，還可以適當(dāng)參與工業(yè)生產(chǎn)解決方案的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，通信原理和方法，掌握現(xiàn)場(chǎng)總線的理論和應(yīng)用知識(shí)。

（4）考核方式多樣化。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用作為一門(mén)考查課程，考核辦法和形式應(yīng)該多樣化，以體現(xiàn)學(xué)生的對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度和綜合運(yùn)用能力?？傇u(píng)成績(jī)包含平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和課程設(shè)計(jì)成績(jī)。平時(shí)成績(jī)根據(jù)出勤、作業(yè)、課堂提問(wèn)、學(xué)習(xí)主動(dòng)性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，課程設(shè)計(jì)則根據(jù)總體方案、硬件原理、軟件框圖等設(shè)計(jì)過(guò)程以及設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)。這樣的綜合考查方式能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的研究能力。

3 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)改革的實(shí)施和教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，除了教師自身專業(yè)素質(zhì)的不斷提高加強(qiáng)，還要積極思考教學(xué)改革創(chuàng)新的途徑，改變教學(xué)理念，改革教學(xué)思路。該文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用的課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式上提出了一系列的實(shí)踐和探索思路，初步取得了一些積極的成效。希望通過(guò)積極努力的探索，能進(jìn)一步深化該課程的教學(xué)改革，從而能提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力、獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊(duì)合作精神的高技術(shù)應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)

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