新工科背景下“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新研究

［摘 要］ “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)，旨在讓學(xué)生掌握工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析方法、軟硬件的設(shè)計(jì)、工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于在校大學(xué)生來(lái)說是非常陌生的。傳統(tǒng)教學(xué)方法通過課堂理論講解和實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，雖然能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論部分的理解，但很難達(dá)到與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合，學(xué)生不能真正達(dá)到從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究、安裝調(diào)試的基本工作。針對(duì)以上問題，提出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)實(shí)施的改革研究。近幾年的教學(xué)結(jié)果表明，此方法能夠有效提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；工程實(shí)踐；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新研究

［基金項(xiàng)目］ 2021年度寶雞文理學(xué)院第十六批校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科背景下計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新研究”（21JGYB47）

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

［中圖分類號(hào)］ G642.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）09-0087-04 ［收稿日期］ 2023-10-23

引言

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課程，也是電子信息、機(jī)電一體化等專業(yè)的選修課，在與電類相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)方面具有非常重要的地位。

王超等［1］在分析“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程定位時(shí)提道：“課程教學(xué)效果的優(yōu)劣對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力、解決實(shí)際問題能力會(huì)產(chǎn)生直接影響。”課程的主要內(nèi)容包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)［2］。在新工科背景下，學(xué)習(xí)本課程之后，學(xué)生應(yīng)該具有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)能力、實(shí)際工程項(xiàng)目的開發(fā)和研究能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的重要組成部分，傳統(tǒng)上以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和演示性實(shí)驗(yàn)［3］。為了適應(yīng)新工科背景要求，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持實(shí)踐與理論并重，采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、科學(xué)的教學(xué)體系和教學(xué)方法，才能培養(yǎng)學(xué)生建立工程觀和系統(tǒng)觀，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合設(shè)計(jì)技能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)該精簡(jiǎn)理論性過強(qiáng)、實(shí)踐性過低的內(nèi)容，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)，這樣才能滿足新工科人才培養(yǎng)的要求。

一、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

（一）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

近年來(lái)，大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是按照以下三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力：一是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，二是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，三是創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)［4］。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是對(duì)課程理論知識(shí)的理解驗(yàn)證，此類實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)是學(xué)生能夠驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)，掌握信號(hào)的采集、測(cè)量和分析方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，掌握輸入輸出接口與過程通道的軟硬件測(cè)試方法，如A/D和D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)知識(shí)，依托實(shí)驗(yàn)臺(tái)獨(dú)立設(shè)計(jì)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法和參數(shù)，并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，如數(shù)字PID算法仿真實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)學(xué)生依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行開發(fā)部分實(shí)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

傳統(tǒng)的三類實(shí)驗(yàn)均依托實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，學(xué)生能夠與理論緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣訌?qiáng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，但達(dá)不到新工科背景下實(shí)踐與理論并重的目標(biāo)，也無(wú)法真正培養(yǎng)出適應(yīng)工程實(shí)踐的應(yīng)用型人才，因此應(yīng)該對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，提出新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

（二）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，更加注重認(rèn)知訓(xùn)練、基礎(chǔ)訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練。認(rèn)知是對(duì)整個(gè)知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)，不再把實(shí)驗(yàn)看作碎片的知識(shí)點(diǎn)。基礎(chǔ)訓(xùn)練是把基礎(chǔ)的理論知識(shí)融入項(xiàng)目過程，以體現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)在項(xiàng)目中的重要性和關(guān)鍵作用，創(chuàng)新訓(xùn)練注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠從項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、分析、設(shè)計(jì)過程中提出自己的思路和方法，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用情況，提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路和解決方案。本課程實(shí)驗(yàn)課在人才培養(yǎng)方案中的要求如表1所示。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加注重項(xiàng)目引領(lǐng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以實(shí)際工程項(xiàng)目為引領(lǐng)，由校企合作導(dǎo)師提出實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生通過理論課學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)算法程序以及仿真運(yùn)行，最后到校企合作企業(yè)進(jìn)行實(shí)物的試運(yùn)行，讓實(shí)驗(yàn)成為簡(jiǎn)單工業(yè)化實(shí)習(xí)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以引入各類競(jìng)賽項(xiàng)目，如電子設(shè)計(jì)大賽、機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及科研熱情。

二、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一）仿真實(shí)驗(yàn)與工業(yè)化實(shí)踐相結(jié)合

1.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)題目。實(shí)驗(yàn)題目減少理論性過強(qiáng)、實(shí)踐性過低的題目［4］。比如在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)置數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的仿真實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生掌握數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的工作原理，針對(duì)給定的理想模型進(jìn)行仿真測(cè)試，觀察PID調(diào)節(jié)效果。這樣的實(shí)驗(yàn)完全可以在理論課中進(jìn)行，由于學(xué)生已經(jīng)有了“自動(dòng)控制原理”課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，對(duì)P、I、D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響有了深刻的理解和認(rèn)識(shí)，因此在本課程中，要盡量避免重復(fù)講解，取消本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

增加與PID相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，如PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法是利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)溫度控制，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)掌握溫度PID控制參數(shù)的配置和單閉環(huán)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(jīng)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上集成好，而且實(shí)驗(yàn)室溫度環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，這樣的設(shè)計(jì)仍然無(wú)法讓學(xué)生沉浸式感受工業(yè)控制過程，因此，在本課程中應(yīng)注重與工業(yè)實(shí)際聯(lián)系緊密的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在本實(shí)驗(yàn)開始之前，組織學(xué)生到我校合作企業(yè)參觀實(shí)習(xí)，了解企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，了解控制對(duì)象、控制方法與生產(chǎn)流程。有了這樣的實(shí)習(xí)經(jīng)歷，應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)不再由教師給出題目，而是由合作企業(yè)的企業(yè)導(dǎo)師結(jié)合我校情況，給出實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)要求等。數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)由原來(lái)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)改為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)：加熱爐恒溫溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。控制器可以設(shè)計(jì)為數(shù)字PID控制算法、最少拍控制、大林算法等。這些內(nèi)容都與本課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)相契合［5］。

（二）校企聯(lián)合完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由合作企業(yè)導(dǎo)師給出實(shí)驗(yàn)要求，控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等都是實(shí)際企業(yè)所采用的產(chǎn)品。學(xué)生從設(shè)計(jì)方案開始，按照企業(yè)工藝流程進(jìn)行，系統(tǒng)以PLC為溫度控制系統(tǒng)的核心，以工控機(jī)作為上位機(jī)，以溫度傳感器采集溫度信號(hào)。其中，上位機(jī)人機(jī)界面完全按照企業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，PLC及擴(kuò)展模塊也與企業(yè)匹配，根據(jù)實(shí)際企業(yè)溫度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)室完成代碼的編寫和程序調(diào)試，以及整個(gè)仿真過程，然后到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行。在此過程中，學(xué)生親身直觀感受工業(yè)生產(chǎn)過程，設(shè)備運(yùn)行、參數(shù)采集都是實(shí)際的生產(chǎn)過程，理論學(xué)習(xí)與實(shí)際完全結(jié)合。上述設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試過程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室調(diào)試好的程序在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)并不能達(dá)到溫度恒定的結(jié)果，經(jīng)過學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)分析和企業(yè)導(dǎo)師的講解，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有很多不可控的干擾因素。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，必須考慮到干擾等影響，設(shè)計(jì)過程中加入軟硬件抗干擾措施，才可以達(dá)到更好的控制效果。另外，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)即使按照企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)加入抗干擾等措施，仍然無(wú)法達(dá)到一些指標(biāo)的精度要求，這又是為什么呢？由此，激發(fā)學(xué)生再學(xué)習(xí)、再研究的興趣。其中，一組學(xué)生提出了最少拍算法、大林算法；一組學(xué)生通過查閱資料，了解了智能控制的算法、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等新的控制方法，為后續(xù)“智能控制”課程的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

（三）以大賽內(nèi)容引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，可以參考中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)人工智能大賽、中國(guó)機(jī)器人大賽等項(xiàng)目，選取大賽項(xiàng)目為目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［6］。由學(xué)生分組確定項(xiàng)目立項(xiàng)方向、研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)等，實(shí)驗(yàn)的實(shí)施不再固定在專門的實(shí)驗(yàn)室，可以在學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心和其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，把傳統(tǒng)的固定實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)靈活化，把設(shè)計(jì)成果按照一定比例計(jì)入總評(píng)成績(jī)，學(xué)生可自主全程參與分析設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。筆者以2020年中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽為目標(biāo)，組織學(xué)生以大賽題目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程、實(shí)物制作、調(diào)試等，并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。在此過程中，學(xué)生積極參與并完成設(shè)計(jì)。學(xué)生對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)有了更加全面的了解，把各門功課、各個(gè)章節(jié)碎片化的知識(shí)有效結(jié)合，有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，其中，一組學(xué)生的作品獲“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽西北賽區(qū)三等獎(jiǎng)，極大增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果評(píng)價(jià)

從筆者所帶的2017級(jí)自動(dòng)化班學(xué)生的情況來(lái)看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新改革后，課程各個(gè)指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度取得了較為滿意的效果。取消了以往純理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，讓各個(gè)相關(guān)課程之間不出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)；將傳統(tǒng)依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)改為與企業(yè)結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從理論到實(shí)踐，再到實(shí)際的企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)整個(gè)控制過程有了直觀的了解和認(rèn)識(shí)，并且本班有一名學(xué)生直接入職校企合作企業(yè)；加入創(chuàng)新項(xiàng)目?jī)?nèi)容，通過以大賽題目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生興趣，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，獲得了良好的學(xué)習(xí)效果。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)新工科背景下“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題進(jìn)行分析，提出了從實(shí)驗(yàn)題目的選取到實(shí)驗(yàn)具體的實(shí)施方案設(shè)計(jì)，取消純理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，采用校企聯(lián)合的方法，讓學(xué)生了解實(shí)際控制對(duì)象與控制過程。增加創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在賽中學(xué)、學(xué)中賽，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。近兩屆畢業(yè)生調(diào)查結(jié)果顯示，從事與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相關(guān)工作的畢業(yè)生獲得了用人單位的廣泛好評(píng)。采用這樣的實(shí)驗(yàn)方法有利于學(xué)生快速適應(yīng)未來(lái)的工作，為社會(huì)提供有用的應(yīng)用型人才，課程教學(xué)改革效果較好。

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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