計算機控制技術(shù)課程改革研究

游文霞 施保華

摘要：計算機控制技術(shù)是自動化專業(yè)的一門主干課程?？偨Y(jié)分析計算機控制技術(shù)課程的現(xiàn)狀和不足，確定改革目標(biāo)，并針對存在的問題提出教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)方式、實驗教學(xué)和作業(yè)形式四個方面的改革措施。

關(guān)鍵詞：計算機控制技術(shù)；人才培養(yǎng)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）13-0251-02

一、引言

計算機控制技術(shù)是自動化專業(yè)的主干必修課。它是一門自動控制和計算機應(yīng)用等交叉融合的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，具有豐富的工程背景和很強的理論性[1]。該課程教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生在完成該課程學(xué)習(xí)后，應(yīng)熟練掌握計算機控制系統(tǒng)的相關(guān)理論基礎(chǔ)、控制策略、數(shù)據(jù)通信等諸多方面的知識；培養(yǎng)學(xué)生獲得對實際生產(chǎn)過程進行分析的能力和設(shè)計簡單計算機控制系統(tǒng)的能力；能夠完成工程實踐中計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、編程和調(diào)試。

隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的高速發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中越來越普及[2，3]，同時，計算機控制技術(shù)亦在日新月異地發(fā)展。因此有必要以發(fā)展的眼光對現(xiàn)有計算機控制技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式等開展研究，以期通過課程改革提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的自動化專業(yè)人才打好基礎(chǔ)。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

計算機控制技術(shù)主要講授計算機控制系統(tǒng)的基本知識和應(yīng)用技術(shù)等內(nèi)容，是一門綜合性較強的課程，具有基礎(chǔ)理論和工程實踐相統(tǒng)一的特點，要求學(xué)生事先選修自動控制原理、微機原理和接口技術(shù)等課程[4]。該課程一般設(shè)置40個學(xué)時，其中理論和實驗教學(xué)分別為32學(xué)時和8學(xué)時。

學(xué)生選修此課程后，應(yīng)掌握較為扎實的計算機控制理論基礎(chǔ)，以及具備初步解決計算機控制系統(tǒng)工程實際問題的能力。通過對本校已修過此課程學(xué)生的調(diào)查了解，發(fā)現(xiàn)主要存在如下幾個方面的問題：

（一）教材內(nèi)容問題

現(xiàn)用教材過于偏重基礎(chǔ)理論知識，雖然對于計算機控制系統(tǒng)的基本概念進行了詳細闡述，介紹了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和控制算法，但是對于具體的工程模型分析較少，也缺少必要的具體計算機系統(tǒng)分析與簡單系統(tǒng)的設(shè)計案例。此外現(xiàn)有教材一般僅從抗干擾技術(shù)方面對控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)進行分析，實際還可以包括冗余結(jié)構(gòu)技術(shù)、軟件設(shè)計的可靠性技術(shù)、考慮安裝工藝措施等。同時教材鮮有涉及計算機現(xiàn)代控制技術(shù)，如普遍應(yīng)用的系統(tǒng)能控性、能觀測性及數(shù)字控制器狀態(tài)空間設(shè)計法等。

計算機控制技術(shù)需要講授數(shù)字控制器、PID控制原理和數(shù)據(jù)通信等很多必備知識。但是在32個學(xué)時內(nèi)，課程的很多內(nèi)容只能簡要概述，加重了學(xué)生的負擔(dān)，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏懼抵觸情緒。

計算機領(lǐng)域的軟硬件更新迅速，如短短幾年時間組態(tài)軟件MCGS從開始的通用版已經(jīng)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)版、通用版、嵌入版三種版本。同時隨著數(shù)據(jù)采集卡硬件升級換代，軟件相應(yīng)也在升級。計算機控制技術(shù)課程內(nèi)容難以跟進工業(yè)需要，培養(yǎng)的人才不能適應(yīng)社會需求，這是眾多高校遇到的共性問題。

（二）課堂教學(xué)問題

課堂教學(xué)過于死板，主要以多媒體課件演示為主，少有現(xiàn)場的動態(tài)實驗演示，課堂交流偏少，效果不佳。這種在教室學(xué)習(xí)理論、實驗室動手操作的模式和學(xué)生的認知順序有偏差。

（三）實驗教學(xué)問題

由于計算機控制技術(shù)與工程實際結(jié)合非常密切，學(xué)生只有做實驗和動手操作才能更好地掌握理論知識。但是8個學(xué)時的實驗教學(xué)課時安排較少，實驗教學(xué)處于從屬地位，出現(xiàn)“重知識傳授，輕能力培養(yǎng)”的現(xiàn)象。另外，實驗設(shè)計比較單一，缺少自由發(fā)揮的課題，導(dǎo)致鍛煉能力的機會有限；實驗互動性較差，學(xué)生僅需按照實驗老師給出的既定步驟，操作復(fù)現(xiàn)即可，偏離了實驗教學(xué)幫助學(xué)生理解理論知識和培養(yǎng)學(xué)生主動鉆研和學(xué)習(xí)興趣的本質(zhì)。

（四）課后練習(xí)問題

為了讓學(xué)生更好地溫故課堂所學(xué)知識，加深對計算機控制技術(shù)課程的理解，授課教師通常在課后給學(xué)生留有練習(xí)作業(yè)。然而這些作業(yè)一般為問答或簡單計算，學(xué)生只需在練習(xí)簿上寫下文字描述或者簡單計算即可。此種作業(yè)形式雖然在一定程度上可以讓學(xué)生了解計算機控制技術(shù)的相關(guān)知識，但是對于分析和設(shè)計工業(yè)實際控制過程幫助甚小，不能到達教學(xué)目標(biāo)。

三、課程改革目標(biāo)、內(nèi)容和效果

（一）改革目標(biāo)

首先，計算機控制技術(shù)課程改革應(yīng)緊跟科學(xué)技術(shù)的步伐、把握技術(shù)發(fā)展趨勢；其次，課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)兼顧生產(chǎn)實際和理論基礎(chǔ)；最后課程改革應(yīng)體現(xiàn)出計算機控制技術(shù)較強的工程實際應(yīng)用背景，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維意識和創(chuàng)新能力。

（二）改革內(nèi)容

1.改革教學(xué)內(nèi)容。由于計算機控制技術(shù)這門課程主要講述如何以計算機為載體控制工業(yè)生產(chǎn)，因此計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，必然引起工業(yè)控制方式的改變。例如早期的MCGS5.1通用版現(xiàn)在已經(jīng)很少見到，取而代之的MCGS6.2通用版或MCGS嵌入版，操作簡單，使用方便靈活。如果在課堂上教授的內(nèi)容與實際現(xiàn)場脫節(jié)，將降低課程的時效性和實用性，學(xué)生也會產(chǎn)生學(xué)而無用的心理和消極對待的態(tài)度。

因此，在教學(xué)過程中需要增加計算機技術(shù)發(fā)展的內(nèi)容。同時教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)包括在現(xiàn)有計算機技術(shù)下如何實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的控制，或者如何對已有控制系統(tǒng)進行升級更新。

另一方面，可結(jié)合當(dāng)前的工業(yè)實際，重新規(guī)劃講授內(nèi)容，并分出重要等級，有助于調(diào)動學(xué)生的積極性。根據(jù)多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，將計算機控制技術(shù)課程內(nèi)容重新分為三個等級：一級為課程重點，應(yīng)包括計算機控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、計算機常規(guī)控制技術(shù)、計算機現(xiàn)代控制技術(shù)；二級為課程要點，包含計算機控制系統(tǒng)概述、計算機I/O接口技術(shù)，計算機抗干擾技術(shù)；三級為課程一般知識點，如集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線等。

2.改革課堂教學(xué)方式。計算機控制技術(shù)課程具有實際的應(yīng)用對象，在課堂上如果只是簡單地解釋講授理論，脫離應(yīng)用背景，很容易出現(xiàn)單調(diào)乏味的課堂氣氛，學(xué)生興趣不高。

首先，應(yīng)摸清認知規(guī)律，在講授具體的硬件設(shè)備時，可以向?qū)W生提供實物或者實物照片，使其先形成一定的感性認識，再結(jié)合理論知識，能夠獲得較好的效果。其次，講授知識時應(yīng)以問題作為導(dǎo)向。引導(dǎo)學(xué)生思考，將其帶入實際場景，運用工程思維主動探索、接受所需的理論知識。最后，豐富授課形式，利用LabVIEW等仿真模擬平臺，現(xiàn)場給同學(xué)演示如何利用計算機中實現(xiàn)控制方法和控制步驟；充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，將工業(yè)生產(chǎn)中運用計算機控制技術(shù)的例子提供給同學(xué)，既可以增加其感性認識，又可以擴寬其視野。

3.改革實驗教學(xué)。計算機控制技術(shù)課程實驗教學(xué)與理論教學(xué)是分開的，沒有有效的實驗教學(xué)會導(dǎo)致理論教學(xué)效果不甚理想。解決這一問題的核心是進行實驗教學(xué)的改革，重視和提升實驗教學(xué)在整個課程中的地位，實驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成、互為促進。在實驗教學(xué)目標(biāo)上除了要求掌握必須的基本技能外，還應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和主觀能動性?？蓪W(xué)生分成5～7人的實驗小組，獨立分析實際生產(chǎn)系統(tǒng)的流程，設(shè)計控制系統(tǒng)。實驗室盡可能提供軟硬件平臺，老師應(yīng)幫助同學(xué)實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能，甚至將模擬控制系統(tǒng)運用到實際中。事后學(xué)生小組內(nèi)應(yīng)及時總結(jié)此次實驗過程，包括用到的理論知識哪些是課本上已有的、哪些是自己查閱資料所得，整個過程中遇到的問題以及解決方法，總結(jié)得到設(shè)計中的成績和不足之處。

通過這種固定實驗和自由設(shè)計的實驗教學(xué)內(nèi)容改革，既能夠保證學(xué)生掌握操作基本功，又能夠在自行發(fā)揮的過程中靈活運用理論基礎(chǔ)知識，切實縮短課堂與社會需求的差距。同時分組協(xié)作的模式能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神，可以作為以后工作的模擬歷練。每份實驗總結(jié)都將記錄設(shè)計過程，各具特色，避免了撰寫實驗報告簡單摘抄、千篇一律的現(xiàn)象；任課老師也可以從總結(jié)報告中得知哪些是實際設(shè)計用到較多的知識、哪些是學(xué)生設(shè)計時遇到的難點等，形成一個反饋鏈，在隨后的教學(xué)改革中做到有的放矢。

4.改革作業(yè)形式。課后作業(yè)是計算機控制系統(tǒng)的重要部分，可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。但是不能只是計算解答課后的練習(xí)題目，謄抄教材的理論知識。如果學(xué)生已經(jīng)掌握了在實際設(shè)計中如何運用理論基礎(chǔ)知識，課后作業(yè)就需指引學(xué)生主動思考，培養(yǎng)其觀察、分析和解決問題的能力，比如在校園內(nèi)有哪些地方用到了計算機控制技術(shù)，是如何實現(xiàn)的，有沒有可以改進的余地。

（三）改革效果

通過對計算機控制技術(shù)課程出現(xiàn)的問題進行了課堂教學(xué)和實驗教學(xué)等方面的改革，任課老師一致反映改革后學(xué)生對這門課程的積極性和主動性提高，學(xué)生也表示該課程內(nèi)容豐富新穎、與實際結(jié)合緊密，較好地鍛煉了他們的分析問題和動手操作的能力，培養(yǎng)了工程思維。

四、結(jié)束語

我國工業(yè)自動化發(fā)展迅速，對掌握計算機控制技術(shù)的人才需求量大。高校培養(yǎng)學(xué)生時不能僅僅局限于對計算機控制技術(shù)理論知識的掌握，更應(yīng)當(dāng)重視分析問題、解決問題和動手操作的能力培養(yǎng)。通過對課程內(nèi)容、課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和課后作業(yè)等的改革，可以幫助學(xué)生靈活運用理論基礎(chǔ)、讓學(xué)生更好地適應(yīng)工業(yè)需求。

為了不斷提高計算機控制技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，未來還需要探索信息技術(shù)在該課程改革中的應(yīng)用。

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