工業(yè)控制器實驗教學(xué)改革與實踐

肖 茜，王成棟

（電子科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，成都 611731）

工業(yè)控制器實驗教學(xué)改革與實踐

肖 茜，王成棟

（電子科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，成都 611731）

實驗教學(xué)是工業(yè)控制器原理及應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。該文分析了工業(yè)控制器傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足之處，并從優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、充實實驗內(nèi)容、完善考核形式等方面出發(fā)，給出了提高實驗教學(xué)效果的有效改革措施；建立了包含基礎(chǔ)型、提高型、綜合應(yīng)用型實驗的分階段、多層次的實驗教學(xué)體系。實踐證明，新的實驗教學(xué)體系能進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，有效提高學(xué)生方案設(shè)計、解決問題和探索創(chuàng)新的能力。

工業(yè)控制器；實驗教學(xué)；教學(xué)改革；實踐

工業(yè)控制器原理及應(yīng)用設(shè)計課程主要以8位的MCS-51單片機為基礎(chǔ)，介紹工業(yè)用微型控制器的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理、計算機的總線結(jié)構(gòu)、存儲器及接口的擴展與編址原理、常用外圍芯片的連接、指令系統(tǒng)等，同時簡要介紹DSP、ARM和PLC等工業(yè)控制器的工作原理及相關(guān)應(yīng)用。工業(yè)控制器是開設(shè)有機電控制類、自動化類等相關(guān)專業(yè)的工科院校很重視的學(xué)科基礎(chǔ)課程，該課程是對學(xué)生應(yīng)用工業(yè)控制器技術(shù)的綜合性訓(xùn)練，為學(xué)生掌握微控制器的工作原理、應(yīng)用微控制器完成工業(yè)上的一些測試、控制任務(wù)奠定必要基礎(chǔ)。作為該課程教學(xué)工作的重要環(huán)節(jié)之一，實驗教學(xué)對教學(xué)效果和質(zhì)量有較大的影響。

在翻轉(zhuǎn)課堂和MOOC環(huán)境下，開放式實驗教學(xué)已經(jīng)成為改革趨勢。文獻［1］建立了一個虛擬可視化微控制器仿真實驗系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)學(xué)生可遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)微控制器編程，并有可視化仿真硬件界面實時觀察到運行結(jié)果。用該系統(tǒng)教學(xué)時，每3小時的課堂教學(xué)要求學(xué)生有至少10小時的課前學(xué)習(xí)。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)能夠隨時隨地共享資源，使學(xué)生更加方便地利用實驗資源。

目前，針對微控制器的實驗教學(xué)，部分國內(nèi)外教師提倡采用軟件仿真和硬件操作2種實驗方式，并選擇貼近生活的實驗題目以激發(fā)學(xué)生的主動性。結(jié)合兩種實驗的優(yōu)點，不僅能使學(xué)生掌握課程的基本理論和技術(shù)，并能最大限度激發(fā)學(xué)生的主動性、鍛煉實踐操作技能、培養(yǎng)科學(xué)的創(chuàng)新思維［2］。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題

工業(yè)控制器原理及應(yīng)用技術(shù)的實驗課程依托理論課程開設(shè)，一般有8個學(xué)時，占總學(xué)時的1/6，但這門課程具有很強的實踐應(yīng)用性，8學(xué)時的實驗課不足以讓學(xué)生掌握相關(guān)應(yīng)用技術(shù)［3］。為節(jié)約課堂時間，教師在指導(dǎo)書中寫清實驗操作步驟，保證學(xué)生能夠完成實驗。課前預(yù)習(xí)學(xué)生做的也不夠到位，為了有滿意的實驗結(jié)果，只能依照實驗步驟完成實驗，得出高度理想化的實驗結(jié)果。因此實驗過程只是機械性的重復(fù)實驗步驟和簡單的儀器操作。

由于受實驗設(shè)備的限制，工業(yè)控制器原理及應(yīng)用設(shè)計的課程實驗以熟悉51單片機仿真器的編程環(huán)境以及用匯編指令完成基本外設(shè)的編程等驗證型實驗為主，實驗內(nèi)容單一。由于實驗教學(xué)課時少，學(xué)生沒有足夠的思考時間和嘗試空間；以實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果為導(dǎo)向的評分標(biāo)準(zhǔn)，又導(dǎo)致學(xué)生不重視實驗過程，不主動預(yù)估實驗進展和分析實驗數(shù)據(jù)，實驗后也不會進行總結(jié)和內(nèi)容拓展。這樣使得實驗教學(xué)環(huán)節(jié)效果差、質(zhì)量低，最終自主設(shè)計和完成的課程設(shè)計實現(xiàn)的功能也比較簡單。通過該課程學(xué)生能夠理解工業(yè)控制器的原理和概念，但大部分學(xué)生沒有切實掌握工業(yè)控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試等相關(guān)技術(shù)，對工業(yè)控制器的相關(guān)技術(shù)缺乏整體的掌握，與社會需求還有較大的差距［4］。

2 工業(yè)控制器實驗教學(xué)的改革

2.1 調(diào)整實驗內(nèi)容

本著培養(yǎng)學(xué)生方案設(shè)計、動手操作、獨立解決問題及分析實驗數(shù)據(jù)等方面的綜合能力的實驗教學(xué)目的，建立了包含基礎(chǔ)型、提高型、綜合應(yīng)用型實驗的分階段、多層次的實驗教學(xué)體系。

基礎(chǔ)型實驗為軟硬件基本原理實驗，主要目的是熟悉編程環(huán)境和匯編指令，實驗內(nèi)容為排序?qū)嶒灪涂刂屏魉疅魧嶒灒惶岣咝蛯嶒灋榛窘涌趯嶒?，主要?nèi)容包含8255輸入輸出控制，中斷系統(tǒng)實驗，A/D或D/A轉(zhuǎn)換實驗等；綜合應(yīng)用型實驗為自主完成的課程設(shè)計，要求學(xué)生利用實驗室現(xiàn)有的或自主研制的單片機、DSP、ARM或PLC設(shè)備完成一個控制系統(tǒng)，例如:語音芯片控制、電壓頻率轉(zhuǎn)換器設(shè)計、電機控制等實驗。

2.2 合理安排實驗課程結(jié)構(gòu)

提高型和綜合應(yīng)用型實驗的難度較大，要求學(xué)生掌握一定的基礎(chǔ)知識、熟悉編程環(huán)境和設(shè)備操作方法，是對學(xué)生進行復(fù)合式綜合訓(xùn)練的一種實驗［5］。安排實驗內(nèi)容時應(yīng)從簡單易上手的基礎(chǔ)型實驗開始，逐漸深入到復(fù)雜的綜合型實驗，使復(fù)雜的概念和操作過程更易掌握［6］。首先應(yīng)進行基礎(chǔ)型實驗，讓學(xué)生了解編程環(huán)境和設(shè)備操作方法。

為了加強實驗課和理論課的聯(lián)系，對實驗內(nèi)容和上課時間做了新安排。第一次實驗安排在期中考試后，為基礎(chǔ)型實驗，其中一個實驗為期中考試題中的編程題調(diào)試，另一個實驗為工業(yè)控制器I/O口控制實驗。引入期中考試編程題調(diào)試實驗，可以加深學(xué)生的印象，使學(xué)生更加扎實地掌握實驗內(nèi)容。提高型實驗安排在理論課結(jié)束后，實驗內(nèi)容難度有所提高，為了激發(fā)學(xué)生的自主性，安排了三組實驗，三組實驗內(nèi)容都用到A/D或D/A轉(zhuǎn)換及8255芯片，難易程度相近，學(xué)生任選一組實驗完成。

基礎(chǔ)型和提高型實驗使用的硬件平臺為DICE-589KIII單片機微機多合一實驗系統(tǒng)，該實驗平臺的硬件設(shè)備是固定的，學(xué)生只用進行少量的接線后，用Keil或韋福軟件編程并調(diào)試，用仿真器完成實驗即可。在編程軟件的基礎(chǔ)上，還需引入Multisim、Proteus等仿真軟件。一方面，不僅程序的編寫、編譯等軟件方面的操作可以直接借助計算機完成，通過仿真軟件可以避免選取元器件以及設(shè)計、焊接和調(diào)試電路等硬件方面的操作過程，并可直接觀察到電路的工作過程和程序的運行結(jié)果，使得教學(xué)內(nèi)容更加貼近工程應(yīng)用［7］；另一方面，可以鼓勵學(xué)生使用仿真軟件來輔助完成課后作業(yè)，通過實驗掌握并鞏固理論知識，讓學(xué)生進一步掌握仿真軟件的使用方法，通過仿真實驗又使學(xué)生掌握了所學(xué)知識，同時有利于學(xué)生學(xué)習(xí)其他種類的控制器。

基礎(chǔ)型和提高型實驗沒有涉及硬件選型及電路設(shè)計、焊接和調(diào)試，因此教學(xué)環(huán)節(jié)中增加了課程設(shè)計，即綜合應(yīng)用型實驗。課程設(shè)計的目的在于鍛煉學(xué)生方案設(shè)計、探索創(chuàng)新、獨立解決問題和項目管理等方面的能力；學(xué)生需要獨立思考，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計要求，查閱資料，自主設(shè)計實施方案，設(shè)想實驗結(jié)果形式，搭建實驗設(shè)備，實現(xiàn)實驗過程［8］。

課程設(shè)計由學(xué)生設(shè)定實驗內(nèi)容，由教師控制選題的難易程度；除單片機以外，實驗室也提供其他種類微控制器的實驗設(shè)備，如 ARM和PLC等，并鼓勵學(xué)生使用DSP、ARM和PLC的實驗設(shè)備及自主開發(fā)的實驗板作課程設(shè)計的硬件部分。這樣做即可鍛煉學(xué)生運用工業(yè)控制器進行系統(tǒng)設(shè)計能力，也豐富了實驗的教學(xué)內(nèi)容。

課程設(shè)計由學(xué)生利用課余時間獨立完成，以此進一步鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造力。課程設(shè)計要求學(xué)生用工業(yè)控制器設(shè)計一個有一定難度的控制系統(tǒng)，并通過硬件電路實現(xiàn)預(yù)期的功能。對于自制實驗設(shè)備的學(xué)生，可預(yù)先通過仿真實驗檢驗方案的可行性，然后再設(shè)計硬件電路，并完成焊接、調(diào)試等工作；通過仿真實驗可以節(jié)約時間，提高效率，同時也為學(xué)生自學(xué)和創(chuàng)新打下一定的基礎(chǔ)。在完成課程設(shè)計的過程中，學(xué)生要自主分析和解決出現(xiàn)的問題，通過這一過程學(xué)生能進一步掌握工業(yè)控制器軟硬件設(shè)計所涉及的知識［9］。為了更全面的考察課程設(shè)計的完成質(zhì)量，學(xué)生不僅要交實驗報告，還要以pPT形式進行答辯。

設(shè)計性實驗項目功能實現(xiàn)的難度有所提升，但題目范圍廣，又可以自主選題和確定方案，極大地提高了學(xué)生的參與積極性和主動性，鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力；其中一些完成項目實現(xiàn)的功能強大并具有一定的開發(fā)價值。

2.3 利用網(wǎng)絡(luò)資源，充實實驗內(nèi)容

為迎合MOOC環(huán)境下開放式實驗教學(xué)的趨勢，將實驗內(nèi)容、相關(guān)資料和硬件平臺使用視頻放于網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂；通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂學(xué)生進行課前預(yù)習(xí)，根據(jù)實驗內(nèi)容編寫程序，熟悉實驗箱的硬件電路，完成仿真調(diào)試。通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂，學(xué)生還能與老師實時交流，使學(xué)習(xí)過程不再限制于8學(xué)時的實驗課，這樣不僅能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也能節(jié)約課堂時間。

現(xiàn)今信息技術(shù)發(fā)達，網(wǎng)上的工業(yè)控制器論壇和教學(xué)網(wǎng)站上有很多經(jīng)典例程和視頻以及軟硬件相關(guān)的技術(shù)文章，并能與相關(guān)領(lǐng)域的同仁及前輩交流，同時新的產(chǎn)品和權(quán)威的信息也會在網(wǎng)上發(fā)布［10］。網(wǎng)絡(luò)上豐富的資料，不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的輔助材料，實驗過程中遇到的問題也可通過網(wǎng)絡(luò)資源解決，同時能夠使教學(xué)內(nèi)容跟上本學(xué)科和社會發(fā)展的需求，使學(xué)生的能力和經(jīng)驗獲得大幅度提高。

2.4 增強師生交流，注重學(xué)生個體化發(fā)展

線上教育資源越來越豐富，線下教學(xué)就更加關(guān)注師生間的溝通交流和學(xué)生的個體化發(fā)展。實驗中鼓勵學(xué)生相互協(xié)作探討，多和老師交流，表達個人心得體會。完成實驗后，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進行反思與總結(jié)，并按要求填寫實驗數(shù)據(jù)分析和心得體會［11］。通過實驗教師對各組學(xué)生工業(yè)控制器應(yīng)用技術(shù)的掌握情況已有所了解，對基礎(chǔ)較好且有興趣的學(xué)生，可以適當(dāng)提高課程設(shè)計的難度，對基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可適當(dāng)降低課程設(shè)計難度，這有利于學(xué)生的個體化發(fā)展。

2.5 完善實驗考核方式，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)

只有采用科學(xué)合理的考核方式才能在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進行更公正評價，因此在工業(yè)控制器實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的考核方式上也進行了一些改革。傳統(tǒng)的評分標(biāo)準(zhǔn)只包括實驗報告成績和平時成績兩部分，使得實驗報告成為主要的考核依據(jù)。為了使學(xué)生重視實驗過程，改革后的評分標(biāo)準(zhǔn)包括了4個部分:課程設(shè)計成績占考核的50（其中選題與方案設(shè)計占20，答辯過程占15，設(shè)計報告占15）、實驗操作成績（20）、實驗報告成績（15）和平時成績（15）。新的考核方式不僅能考查學(xué)生撰寫報告的能力，同時考察了方案設(shè)計、解決實際問題和程序調(diào)試等方面的綜合能力。采用新的考核方式后，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性都有明顯提高。

2.6 以學(xué)促賽，以賽促學(xué)

自該實驗教學(xué)體系使用以來學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)控制器的興趣提高了，學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動變成了主動學(xué)習(xí)，課程設(shè)計的難度及完成質(zhì)量都有很大的提高。大部分學(xué)生除了完成正常課堂項目任務(wù)外，還積極參與到課外創(chuàng)新實踐項目，如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、大學(xué)生創(chuàng)客工作室和創(chuàng)新俱樂部等，提高了學(xué)生工業(yè)控制器應(yīng)用能力和學(xué)科綜合素養(yǎng)，有利于學(xué)生參加競賽和就業(yè)。采用新教學(xué)體系后越來越多的學(xué)生報名參加省級及國家級電子設(shè)計競賽以及“西門子杯”工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽，獲獎層次和數(shù)量都有所提高。

3 結(jié)束語

實驗教學(xué)在工業(yè)控制器原理與應(yīng)用課程的教學(xué)中占有重要地位，本文以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性、提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力為根本出發(fā)點，綜合了多種實驗教學(xué)形式的優(yōu)點，建立了包含基礎(chǔ)型、提高型、綜合應(yīng)用型實驗的分階段、多層次的實驗教學(xué)體系。實踐證明，使用新的教學(xué)體系后，一定程度上促進了理論教學(xué)，有效提高了學(xué)生運用工業(yè)控制器進行軟硬件設(shè)計的綜合能力及創(chuàng)新能力。

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Reform and Exploration on the Experimental Teaching of Industrial Microcontroller Technology

XIAO Qian，WANG Chengdong
（School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Experiment teaching is one of the most important links in course teaching of principles and applications of industrial microcontroller technology.The insufficiency of present industrial microcontroller experimental teaching was analyzed.Effective reform measures such as optimizing configuration，enriching the experimental content and improving the grading system and so on，were applied to improve experimental teaching effect.A series of phased and stratified experimental teaching system，which including basis，advanced and comprehensive application experiments，was established.Practices show new experimental teaching system could better stimulate students’initiative and creativity，and the ability of project design，problem solving，exploration and creativity of students were effectively improved.

industrial microcontroller；experimental teaching；teaching reform；practice

TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.056

2015-11-09；修改日期：2016-09-12

電子科技大學(xué)教學(xué)改革研究項目（2015XJYZC027）。

肖 茜（1988-），女，碩士，助理工程師，主要從事電控制與自動化、機電一體化技術(shù)等方面的研究。