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        一類基于SOPC技術(shù)的課程實踐環(huán)節(jié)教學(xué)模式改革

        2013-12-19 01:43:12何劍春
        關(guān)鍵詞:控制技術(shù)課外環(huán)節(jié)

        何劍春

        (紹興文理學(xué)院 工學(xué)院,浙江 紹興312000)

        目前,計算機控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域,成為現(xiàn)代自動化技術(shù)的重要內(nèi)容和具體形式.計算機控制技術(shù)是高校工科控制類專業(yè)的一門專業(yè)課程,主要介紹計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論(信號變換理論和系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述)、經(jīng)典z域分析方法、經(jīng)典z域設(shè)計方法、狀態(tài)空間分析和設(shè)計方法、數(shù)值控制方法以及目前工業(yè)控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用形式.通過本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握計算機控制系統(tǒng)的信號通道設(shè)計、常規(guī)數(shù)字控制器設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和抗干擾措施等方面的理論和技能,具備開發(fā)常用計算機控制系統(tǒng)的能力.

        計算機控制技術(shù)的傳統(tǒng)教學(xué)方法側(cè)重理論體系的系統(tǒng)性和完整性,以課堂講授為主,輔以一定的演示或操作實驗來加強學(xué)生的認(rèn)知程度.由于計算機控制技術(shù)發(fā)展迅速,知識更新快,傳統(tǒng)的教學(xué)方式方法必須加快適應(yīng)時代的步伐.以本校為例,計算機控制技術(shù)課程內(nèi)容多、學(xué)時少,教學(xué)上存在以下不足:

        (1)實踐環(huán)節(jié)薄弱.按照本校教學(xué)大綱要求,計算機控制技術(shù)課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)置為12學(xué)時;同時,現(xiàn)有課程實驗設(shè)備體積大,成本較高,實驗室配備數(shù)量很少.因此,教師一貫采用演示實驗形式完成課程的實踐環(huán)節(jié),沒有重視理論與實踐的有效配合,無法進行深層次引導(dǎo).

        (2)學(xué)而不知其用.計算機控制技術(shù)綜合了自動控制理論、單片機原理、微機原理、程序設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容,要求學(xué)生能貫通應(yīng)用有一定難度.傳統(tǒng)教學(xué)中,學(xué)生普遍感到知識點多且抽象,認(rèn)知水平浮于表面,不能切實體會理論與工程實際的緊密聯(lián)系,學(xué)而不知其用,久而久之學(xué)習(xí)興趣受到影響.

        由此可見,計算機控制技術(shù)教學(xué)需順應(yīng)形勢發(fā)展調(diào)整授課內(nèi)容,增加合適的新技術(shù)和新內(nèi)容;同時,應(yīng)采用新型授課模式,淘汰原用于操作實驗的體積龐大的操作平臺,革新實驗技術(shù),建設(shè)新型實驗機制.通過教學(xué)模式改革,促進學(xué)生快速融合連續(xù)域控制理論,主動探索和解決實際計算機離散控制問題,形成重視技能培養(yǎng)的積極教學(xué)方式.

        針對本校計算機控制技術(shù)教學(xué)實際情況,結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求,以“強化技能,革新技術(shù)”為原則,將目前流行的SOPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)引入課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié),設(shè)計了多項切合課程內(nèi)容的實踐項目,并由實踐項目驅(qū)動理論知識點的傳達順序和學(xué)時分配,以強化理論內(nèi)容在實踐中的應(yīng)用,縮短淺層次內(nèi)容的課堂占時,提升學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)興趣.

        1 EDA模式課程實踐教學(xué)的意義

        可編程邏輯器件(PLD,Programmable Logic Device)的出現(xiàn)極大地提高了電子設(shè)計的效率和可靠性.目前,許多高校已經(jīng)將基于PLD的EDA(Electronics Design Automation)技術(shù)引入本科生和研究生的教學(xué),以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與團隊精神,增強就業(yè)競爭力.從本科培養(yǎng)計劃角度看,EDA/SOPC技術(shù)為電氣、電子、控制類專業(yè)學(xué)生的課外創(chuàng)新活動和崗前培訓(xùn)提供了必需的電子設(shè)計理論知識與技能,與其他技術(shù)基礎(chǔ)課銜接十分緊密.我校電工電子實驗教學(xué)中心2006年設(shè)立了FPGA(Field Programmable Gate Array)分室,配備有EDA開發(fā)系統(tǒng)(GW48PK2S)30套,但迄今為止使用率甚低.

        因此,不論是出于加強實驗室建設(shè)、拓展實驗設(shè)備受益面的目的,還是出于強化計算機控制技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的目的,進行課程實踐教學(xué)的EDA模式改革都很有必要.其重要意義體現(xiàn)在:

        (1)有效提升FPGA實驗室設(shè)備和軟件的使用率.通過相關(guān)類別課程的實踐環(huán)節(jié)、EDA技術(shù)講座以及專項培訓(xùn)等環(huán)節(jié),大力提高實驗室資源使用率和受益面.

        (2)取精用弘,有效支持電子競賽和課外創(chuàng)新活動.將可編程邏輯技術(shù)和技能訓(xùn)練有機結(jié)合,有利于引導(dǎo)學(xué)生開展課外創(chuàng)新研究和橫向合作,提升學(xué)生電子設(shè)計及其他領(lǐng)域的應(yīng)用技能.例如,據(jù)統(tǒng)計全國大學(xué)生電子競賽賽題中,可使用FPGA技術(shù)的賽題超過三分之一,有些賽題甚至離開FPGA技術(shù)便無從下手.因此,應(yīng)盡快提高電類專業(yè)中FPGA技術(shù)的普及率,加強FPGA技術(shù)對課程實驗的融合度,使之成為電子競賽等創(chuàng)新活動繼續(xù)保持活力的重要因素.

        (3)以改促建,有效輔助新專業(yè)建設(shè).本??刂乒こ滔到晷略鲭姎夤こ虒I(yè),EDA模式改革對該專業(yè)培養(yǎng)方案中數(shù)字電路、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)、單片機原理、計算機控制技術(shù)等課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)有重要的推進作用.

        2 EDA模式課程實踐教學(xué)設(shè)計

        為切實提升計算機控制技術(shù)課程教學(xué)效果,改進課程教學(xué)方式,根據(jù)課程大綱要求、項目典型性要求和教材側(cè)重點,結(jié)合實驗室現(xiàn)有EDA實驗開發(fā)系統(tǒng),選擇表1、表2所示項目作為課程實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容.其中,表1所示5項為課內(nèi)實驗項目,共計16學(xué)時;表2所示5項為課外選做項目,共計16學(xué)時.實驗項目的選擇依據(jù)以下原則:

        廣西賓陽竹編文化及其現(xiàn)代發(fā)展對策研究 …………………………………………………………………………… 覃秋萍(4/58)

        表1 課程實驗項目

        表2 課外設(shè)計項目

        (1)符合計算機控制技術(shù)課程教學(xué)大綱、教材側(cè)重點和實踐內(nèi)容的典型性要求;

        (2)符合GW48型EDA系統(tǒng)開設(shè)條件,并經(jīng)過可行性測試,形成實施項目的引導(dǎo)性文檔;

        (3)兼顧課程傳統(tǒng)實驗內(nèi)容及發(fā)展趨勢,在集成度、復(fù)雜度等方面有所提升.

        3 項目驅(qū)動調(diào)整理論教學(xué)計劃

        根據(jù)計算機控制技術(shù)課程教學(xué)大綱要求,2010級自動化專業(yè)選用電子工業(yè)出版社的《計算機控制系統(tǒng)》(康波主編,2011年出版)作為教材.該教材共11章,授課內(nèi)容包含于其中的8個章節(jié)中(第7章至第9章內(nèi)容超出大綱范圍).授課過程以“項目驅(qū)動”形式重組知識結(jié)構(gòu),調(diào)整理論授課順序,并及時穿插與項目相關(guān)的課外知識.調(diào)整后的授課計劃及補充內(nèi)容具體見表3.

        以“圍繞項目組織重點內(nèi)容,簡化基礎(chǔ)理論”為原則,側(cè)重于實踐項目相關(guān)知識點的細講和點撥,部分基礎(chǔ)理論知識點則作簡化處理,并以講座形式(共16講)組織教學(xué). 除此以外,教學(xué)過程中還安排了16學(xué)時的課外自主學(xué)習(xí)內(nèi)容,并要求學(xué)生提交簡要的自學(xué)報告.

        4 實踐環(huán)節(jié)的實施與評價

        由于課時限制,為保證實踐環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效果,除要求教師精心設(shè)計實踐項目、認(rèn)真編制指導(dǎo)材料、合理組織教學(xué)內(nèi)容外,還需學(xué)生做好前期預(yù)習(xí)準(zhǔn)備,進行充分的課外練習(xí)和系統(tǒng)仿真.計算機控制技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施分以下幾個階段:前期準(zhǔn)備,交流和引導(dǎo),過程管理,項目評議.

        4.1 前期準(zhǔn)備

        精心的前期準(zhǔn)備是取得良好實踐效果的關(guān)鍵.項目實施前應(yīng)做好以下幾方面工作:

        (1)精心鋪墊.實驗前教師應(yīng)確保編制完成實驗指導(dǎo)書,并給學(xué)生提供詳細的學(xué)習(xí)資料,必要時還要進行針對性的案例分析,保證學(xué)生理解透徹;

        表3 “項目驅(qū)動”的知識結(jié)構(gòu)重組

        (2)認(rèn)真試驗.實驗前需進行設(shè)備和軟件的測試,并進行項目試運行,保證項目的準(zhǔn)確性和可行性;

        (3)認(rèn)真預(yù)習(xí).要求學(xué)生實驗前認(rèn)真閱讀指導(dǎo)書,理解實驗的目的和原理,弄清實驗步驟;通過大量練習(xí),熟練掌握VHDL語言及Matlab、QuartusII、NiosIDE等軟件,了解EDA開發(fā)流程和注意事項.

        4.2 交流和引導(dǎo)

        (1)注重師生交互,通過網(wǎng)上交流平臺,及時組織學(xué)生討論實驗方案和遇到的問題,充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性;

        (2)及時布置聯(lián)系緊密的思考題,共享啟發(fā)性說明文檔,提示和剖析備選的課外設(shè)計項目,引導(dǎo)學(xué)生深入理解項目的內(nèi)容和意義,逐步培養(yǎng)學(xué)生進行獨立分析和設(shè)計的能力.

        4.3 過程管理

        為保證教學(xué)效果,保質(zhì)保量完成課內(nèi)和課外項目,教學(xué)中組建了8個學(xué)習(xí)小組(每組4人).項目實施過程以小組為單位進行管理.各小組自行決定項目實施計劃和組員分工.項目實施過程按小組進行監(jiān)督和驗收,并由小組自行評定組員的貢獻率.

        4.4 項目評議

        (1)點評.為反映學(xué)生的綜合應(yīng)用能力,各項目均設(shè)置了明確的要求和目標(biāo),并有一定的發(fā)揮空間;項目實施后,對各組完成情況和共性問題及時進行點評,并進行階段性總結(jié).

        (2)自評.為反映團隊協(xié)作情況,項目實施后各小組進行自評,確定組員的貢獻度.

        (3)總評.為綜合反映學(xué)生的實踐水平,期末實踐總評成績?yōu)檎麄€實踐過程的加權(quán)和,包括課內(nèi)項目(前期預(yù)習(xí)、實施效果和總結(jié)報告)、課外項目(效果測評和總結(jié)報告)及小組自評等部分.

        5 結(jié)論

        針對目前計算機控制技術(shù)課程教學(xué)過程中存在的問題,通過引入硬件可自由組建的SOPC技術(shù),進行實踐模式改革嘗試.實踐模式改革的側(cè)重點有兩個:一是針對GW48型EDA開發(fā)平臺,設(shè)計切合課程關(guān)鍵內(nèi)容且適于在平臺上實現(xiàn)的實踐項目;二是基于項目驅(qū)動調(diào)整理論授課計劃,側(cè)重圍繞項目展示知識點,縮短基礎(chǔ)理論用時.教學(xué)實踐表明,采用這種新的教學(xué)模式符合計算機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢,可脫離大型實驗平臺的限制,顯著提升了實踐環(huán)節(jié)的構(gòu)建層次,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,擴大了他們的知識面,取得了良好的教學(xué)效果.在今后的教學(xué)研究和實踐中,應(yīng)進一步探索SOPC技術(shù)在同類型課程中的應(yīng)用,鼓勵學(xué)生自行設(shè)計實用的控制項目,提高學(xué)生分析問題、解決問題、自主創(chuàng)新的綜合實力.

        參考文獻:

        [1]康波.計算機控制系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

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        [6]何劍春,龍勝春.基于SOPC技術(shù)的電機控制實驗[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2010,32(2):58-60.

        [7]陶東婭,何劍春.基于NiosII的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2008,10(12):56-59.

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